專利名稱：含鈷球墨鑄鐵的制作方法
含鈷球墨鑄鐵本發(fā)明涉及權利要求1所述的含鈷鑄鐵以及權利要求31所述的構件。已知并且正在使用的鑄鐵合金(稱作GJS球墨鑄鐵合金)主要使用硅和鉬來提高蠕變強度、抗鱗爆性能和蠕變斷裂強度。但是隨著時間的推移，這些元素均會導致韌度明顯下降。除此之外，鉬還有很大的偏析傾向。因此本發(fā)明的任務在于闡述能夠克服上述缺點、并且在使用持續(xù)時間內(nèi)具有更好機械特性的合金和構件。采用權利要求1所述的合金以及權利要求31所述的構件，即可解決這一任務。從屬權利要求所述均為其它可以任意以有利方式相互組合的有益措施按照本發(fā)明所述，鈷可以部分替代鉬，這樣就能克服迄今為止的GJS合金的應用極限。本發(fā)明所述的合金在溫度范圍為450°C 550°C的應用范圍內(nèi)具有很高的伸長率，并且具有以下組成):
硅 2.0% 4.5% 鈷 0.5% 5% 碳 2.0% 4.5% 鉬 0.3% 1.48%
余量的鐵。硅、鈷和鉬的含量適宜彡7. 5wt%，尤其彡6. Owt %。合金中的鈷含量優(yōu)選在 0. 5% 1. 5wt%之間。如果鈷含量為0. 5wt %U.0wt%, 1. 5wt %以及2. Owt %，合金就會達到有益的機
械參數(shù)值。加入合金元素鉬(優(yōu)選0. 5% 0. 8% )有利于提高熱穩(wěn)定性(提高后的溫度范圍內(nèi)的RpO. 2和Rm)和蠕變斷裂強度(蠕變強度)。鎂可以提高可鑄性，且鎂的含量優(yōu)選至少為0. 02wt%、最多為0. 07wt%。視應用而定，鉻的含量優(yōu)選至少為0. 01襯％但最多為0. 05wt%，鉻可以提高氧化安定性。合金可以具有其它元素。但合金優(yōu)選由鐵、硅、鈷和碳組成。如果合金由鐵、硅、鈷、碳和錳組成，也能實現(xiàn)獨特的優(yōu)點。采用鐵、硅、鈷、碳以及任選地雜質(zhì)元素鉬、錳和/或者鎳組成的合金還可獲得其它優(yōu)點。任選地在合金中還可存在以下微量雜質(zhì)元素磷0.005wt%硫0. 001wt%鎂0. 01wt%,這些雜質(zhì)元素有利于提高可鑄性，并且/或者有利于形成球墨，但是也不能太多， 否則將會以負面影響為主。
此外在合金中優(yōu)選沒有鉻(Cr)。以下將根據(jù)附圖詳細解釋本發(fā)明的實施例。相關附圖如下附

圖1鑄件顯微照片附圖2蒸汽輪機，附圖3燃氣輪機。附圖1所示的球墨合金具有近乎完美的鐵素體組織。表格所示為具有改善的機械特性的合金示例。
鈷00. 560. 991. 44碳3. 633. 673. 653. 67硅2. 452. 422. 492. 41錳0. 0670. 0360. 030. 029磷0. 0070. 0060. 0070. 007硫0. 0090. 0060. 0080. 008鎂0. 0440. 040. 050. 049鉬0. 870. 50. 30. 3微量的鈷和鉬就能改善機械特性值。附圖2所示為蒸汽輪機300、303，其具有沿著旋轉軸線306延伸的渦輪機軸309。該蒸汽輪機具有一個高壓渦輪段300和一個中壓渦輪段303，這兩個渦輪段各自具有一個內(nèi)殼312以及一個將內(nèi)殼包圍的外殼315。例如可以將高壓渦輪段300設計成筒形。中壓渦輪段303例如可以設計成雙流型式。同樣也可以將中壓渦輪段303設計成單流型式。沿著旋轉軸線306將軸承318布置在高壓渦輪段300與中壓渦輪段303之間，渦輪機軸309在軸承318中具有軸承區(qū)321。渦輪機軸309支承于高壓渦輪段300旁邊的另一個軸承324上。高壓渦輪段300在該軸承324區(qū)域內(nèi)具有軸密封345。通過兩個另外的軸密封345將渦輪機軸309相對于中壓渦輪段303的外殼315密封。在高壓蒸汽流入?yún)^(qū)348 和蒸汽流出區(qū)351之間，渦輪軸309在高壓渦輪段300中具有高壓轉動葉片357。該高壓轉動葉片357與圖中沒有詳細繪出的相應葉片構成第一葉片區(qū)360。中壓渦輪段303具有中央蒸汽流入?yún)^(qū)333。與蒸汽流入?yún)^(qū)333相對應，渦輪機軸 309具有徑向對稱的軸屏蔽板363，這是一塊蓋板，一方面用來將蒸汽流分配到中壓渦輪段 303的兩個流道之中，以及用來阻止高溫蒸汽直接接觸渦輪機軸309。渦輪機軸309在中壓渦輪段303中具有帶中壓轉動葉片354的第二葉片區(qū)366。流過第二葉片區(qū)366的高溫蒸汽從中壓渦輪段303經(jīng)流出管369流向圖中沒有繪出的下游低壓渦輪段。
渦輪機軸309例如由兩個在軸承318區(qū)域中相互固定連接的渦輪段軸309a和 309b組成。每一個渦輪段軸309a、309b均具有一個沿著旋轉軸線306形成中央孔372a的冷卻管372。冷卻管372通過具有徑向孔375a的進汽管375與蒸汽流出區(qū)351相連。在中壓渦輪段303中將冷卻劑管372與圖中沒有詳細繪出位于軸屏蔽板下方的空腔相連。將進汽管375設計成徑向孔375a型式，這樣就能使得“冷”蒸汽從高壓渦輪段300流入中央孔 372a之中。蒸汽通過尤其也可設計成徑向孔375a型式的流出管372經(jīng)由軸承區(qū)321進入中壓渦輪段303，并且在這里抵達蒸汽流入?yún)^(qū)333中的渦輪機軸309外表面330。流過冷卻管的蒸汽的溫度明顯低于流入蒸汽流入?yún)^(qū)333之中的過熱蒸汽，從而保證有效冷卻中壓渦輪段303的第一轉動葉柵342以及該轉動葉柵342區(qū)域內(nèi)的外表面330。附圖3例示了燃氣輪機100的縱剖面示意圖。燃氣輪機100在其內(nèi)部具有一個圍繞旋轉軸線102旋轉固定的具有軸101的轉子 103 (也稱作渦輪機轉子)。沿著轉子103依次排列有進氣殼104、壓氣機105、具有多個同軸排列的燃燒器107 的例如為環(huán)狀的燃燒室110 (尤其是環(huán)形燃燒室)、渦輪機108和排氣殼109。環(huán)形燃燒室110與例如為環(huán)形的高溫燃氣通道111連通。在這里(例如)由四個串連的渦輪機級112構成渦輪機108。每一個渦輪機級112均由(例如)兩個葉片環(huán)構成。朝向工作介質(zhì)113的流動方向觀察，隨后在導葉柵115的高溫燃氣通道111中有由轉動葉片120所構成的葉柵125。導葉130固定于定子143的內(nèi)殼138上，而葉柵125的轉動葉片120則例如利用渦輪盤133固定于轉子103上。發(fā)電機或工作機械(未示出)聯(lián)接在轉子103上。在燃氣輪機100運轉過程中，壓氣機105通過進氣殼104吸入空氣135進行壓縮。 將在渦輪機一側的壓氣機105末端上提供的壓縮空氣輸送給燃燒器107，并在其中將其與燃燒劑混合?；旌衔镄纬晒ぷ鹘橘|(zhì)113后在燃燒室110中進行燃燒。工作介質(zhì)113從這里沿著高溫燃氣通道111流過導葉130和轉動葉片120。工作介質(zhì)113在轉動葉片120上釋放，傳遞沖量，使得轉動葉片120驅動轉子103，轉子103再驅動聯(lián)接在其上的工作機械。暴露于高溫工作介質(zhì)113的部件在燃氣輪機100運轉過程中要承受熱負荷。除了圍護環(huán)形燃燒室110的熱屏元件，自工作介質(zhì)113的流向上看的第一渦輪機級112的導葉 130和轉動葉片120將承受最大熱負荷。為了耐受這里的溫度，可以利用冷卻劑對其進行冷卻。部件的基材同樣也可以具有定向結構，即為單晶(SX結構)，或者僅具有縱向定向的晶粒(DS結構)。例如，可以使用鐵基、鎳基或鈷基高溫合金作為部件的材料，尤其是作為渦輪葉片120、130以及燃燒室110的部件的材料。例如EP 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729 Al、WO 99/67435 或者 WO 00/44949就公開了這樣的高溫合金。葉片120、130同樣也可具有防腐涂層(MCrAlX ；M為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)組中的至少一種元素，X為活性元素，并表示釔(Y)和/或硅、鈧(Sc)和/或至少一種稀土元素或者鉿(Hf)。EP 0 486 489 Bi、EP 0 786 017 Bi、EPO 412 397 Bl 或 EP 1 306 454 Al 已公開了此類合金。
在MCrAlX上還可以有隔熱層，其例如由&02、Y2O3-ZrO2構成，即通過摻入氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化錳，可使其不穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或完全穩(wěn)定。通過適當?shù)耐扛卜椒ǎ?例如電子束蒸發(fā)法(EB-PVD)，在隔熱層中形成柱狀晶粒。導葉130具有朝向渦輪機108內(nèi)殼138的導葉根部(未示出)以及與導葉根部相對的導葉頂部。導葉頂部朝向轉子103，并且固定于定子143的固定環(huán)140上。
權利要求
1.具有以下元素的合金硅 2.0% 4.5%，尤其為2. 4% 3.6% 鈷 0. 5% 5. 0%，尤其為1. 0% 2. 5% 碳 2.0% 4.5%，尤其為2. 5% 4.0%，鉬 0.3% 1.48%，尤其為0.4% 0.95%，更尤其0.5% 0.8%， 任選地錳彡0. 5%，尤其彡0.1%, 鎳彡0. 5%，尤其彡0. 3%, 鎂< 0. 09%，尤其< 0. 07%, 磷< 0. 07%，尤其< 0. 04%, 硫彡0. 04%，尤其彡0. 01%, 鉻彡0. 1%，尤其彡0. 05%, 余量的鐵。
2.根據(jù)權利要求1所述的合金，其中硅、鈷和鉬的含量小于7.5wt%，尤其彡6. Owt%, 更尤其至少為2. 8wt%。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的合金，含有0.5% 1. 5wt%鈷，尤其含有1. Owt%鈷。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的合金，含有0.5% 1. Owt%鈷，尤其含有0. 5wt%鈷。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的合金，含有1.0% 2. Owt%鈷，尤其含有1. 5wt%鈷。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的合金，含有1.0% 1. 5wt%鈷。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的合金，含有1.5% 2. 鈷。
8.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有至少0.005wt%錳，尤其含有至少0. Olwt%錳。
9.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其錳含量<0.07wt%，尤其彡 0. 035wt%。
10.根據(jù)上述權利要求1 7中任一項或多項所述的合金，其不含錳。
11.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有至少0.01wt%鎳，尤其含有至少0. 05 丨％鎳。
12.根據(jù)上述權利要求1 10中任一項或多項所述的合金，其不含鎳。
13.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有2.8wt% 3. 2wt%硅，尤其含有3. 0wt%·。
14.根據(jù)上述權利要求1 12中任一項或多項所述的合金，其含有2.47wt%硅。
15.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有3.0wt% 3. 5wt%碳，尤其含有3. 25wt%碳。
16.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有最多0.007wt%磷。
17.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有至少0.005襯％磷(P)，尤其含有至少0. Olwt%磷。
18.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有最多0.OOSwt %、尤其最多 0. 006wt%il (S)。
19.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有至少0.OOlwt %硫(S)，尤其含有至少0. 003wt%硫。
20.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有最多0.05wt%鎂。
21.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其含有至少0.01襯％鎂(Mg)，尤其含有至少0. 02wt%鎂。
22.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其不含鉻(Cr)。
23.根據(jù)上述權利要求1 21中任一項或多項所述的合金，其含有最多0.03wt%鉻。
24.根據(jù)上述權利要求1 21中任一項或多項所述的合金，其含有最少0.01襯％鉻， 尤其0. 05wt%鉻。
25.根據(jù)上述權利要求中任一項或多項所述的合金，其由鐵、硅、鈷、鉬和碳組成。
26.根據(jù)上述權利要求1 24中任一項或多項所述的合金，其由鐵、硅、鈷、碳、鉬以及任選地錳和/或鎂和/或磷和/或硫和/或鎳和/或鉻組成。
27.根據(jù)上述權利要求1 24中任一項或多項所述的合金，其由鐵、硅、鈷、碳、鉬以及至少兩種選自錳、磷、硫、鎂、鎳、鉻的元素組成。
28.根據(jù)上述權利要求1 24中任一項或多項所述的合金，其由鐵、硅、鈷、碳、鉬以及至少三種選自錳、磷、硫、鎂、鎳、鉻的元素組成。
29.根據(jù)上述權利要求1 24中任一項或多項所述的合金，其由鐵、硅、鈷、鉬、碳、鎂以及至少一種、尤其兩種選自磷、硫、錳、鎳、鉻的元素組成。
30.根據(jù)上述權利要求1 24中任一項或多項所述的合金，其由鐵、硅、鈷、鉬、碳、鎂以及至少三種、尤其四種選自磷、硫、錳、鎳、鉻的元素組成。
31.由權利要求1 30中任一項或多項所述的合金制成的構件。
32.根據(jù)權利要求31所述的構件，其為殼體零件。
33.根據(jù)權利要求31或32所述的構件，其為蒸汽輪機(300，303)或者燃氣輪機(100) 的構件。
34.根據(jù)權利要求31、32或33所述的構件，其具有基于鐵或者基于鋼的基材。
全文摘要
已知的鑄鐵合金均有應用溫度極限。使用鈷優(yōu)化調(diào)整鐵素體組織，使得合金中含有2.0～4.5wt％硅、0.5～5wt％鈷、2.0～4wt％碳、0.3～1.48wt％鉬、≤0.5wt％錳、≤0.5wt％鎳、余量的鐵，其中硅、鈷和鉬的含量優(yōu)選小于7.5wt％，就能將應用極限移動到較高的溫度。
文檔編號C22C37/04GK102177267SQ200980140249
公開日2011年9月7日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權日2008年10月9日
發(fā)明者S·延森, S·勝 申請人:西門子公司