专利名称：含钴球墨铸铁的制作方法
含钴球墨铸铁本发明涉及权利要求1所述的含钴铸铁以及权利要求31所述的构件。已知并且正在使用的铸铁合金(称作GJS球墨铸铁合金)主要使用硅和钼来提高蠕变强度、抗鳞爆性能和蠕变断裂强度。但是随着时间的推移，这些元素均会导致韧度明显下降。除此之外，钼还有很大的偏析倾向。因此本发明的任务在于阐述能够克服上述缺点、并且在使用持续时间内具有更好机械特性的合金和构件。采用权利要求1所述的合金以及权利要求31所述的构件，即可解决这一任务。从属权利要求所述均为其它可以任意以有利方式相互组合的有益措施按照本发明所述，钴可以部分替代钼，这样就能克服迄今为止的GJS合金的应用极限。本发明所述的合金在温度范围为450°C 550°C的应用范围内具有很高的伸长率，并且具有以下组成):
硅 2.0% 4.5% 钴 0.5% 5% 碳 2.0% 4.5% 钼 0.3% 1.48%
余量的铁。硅、钴和钼的含量适宜彡7. 5wt%，尤其彡6. Owt %。合金中的钴含量优选在 0. 5% 1. 5wt%之间。如果钴含量为0. 5wt %U.0wt%, 1. 5wt %以及2. Owt %，合金就会达到有益的机
械参数值。加入合金元素钼(优选0. 5% 0. 8% )有利于提高热稳定性(提高后的温度范围内的RpO. 2和Rm)和蠕变断裂强度(蠕变强度)。镁可以提高可铸性，且镁的含量优选至少为0. 02wt%、最多为0. 07wt%。视应用而定，铬的含量优选至少为0. 01衬％但最多为0. 05wt%，铬可以提高氧化安定性。合金可以具有其它元素。但合金优选由铁、硅、钴和碳组成。如果合金由铁、硅、钴、碳和锰组成，也能实现独特的优点。采用铁、硅、钴、碳以及任选地杂质元素钼、锰和/或者镍组成的合金还可获得其它优点。任选地在合金中还可存在以下微量杂质元素磷0.005wt%硫0. 001wt%镁0. 01wt%,这些杂质元素有利于提高可铸性，并且/或者有利于形成球墨，但是也不能太多， 否则将会以负面影响为主。
此外在合金中优选没有铬(Cr)。以下将根据附图详细解释本发明的实施例。相关附图如下附
图1铸件显微照片附图2蒸汽轮机，附图3燃气轮机。附图1所示的球墨合金具有近乎完美的铁素体组织。表格所示为具有改善的机械特性的合金示例。
钴00. 560. 991. 44碳3. 633. 673. 653. 67硅2. 452. 422. 492. 41锰0. 0670. 0360. 030. 029磷0. 0070. 0060. 0070. 007硫0. 0090. 0060. 0080. 008镁0. 0440. 040. 050. 049钼0. 870. 50. 30. 3微量的钴和钼就能改善机械特性值。附图2所示为蒸汽轮机300、303，其具有沿着旋转轴线306延伸的涡轮机轴309。该蒸汽轮机具有一个高压涡轮段300和一个中压涡轮段303，这两个涡轮段各自具有一个内壳312以及一个将内壳包围的外壳315。例如可以将高压涡轮段300设计成筒形。中压涡轮段303例如可以设计成双流型式。同样也可以将中压涡轮段303设计成单流型式。沿着旋转轴线306将轴承318布置在高压涡轮段300与中压涡轮段303之间，涡轮机轴309在轴承318中具有轴承区321。涡轮机轴309支承于高压涡轮段300旁边的另一个轴承324上。高压涡轮段300在该轴承324区域内具有轴密封345。通过两个另外的轴密封345将涡轮机轴309相对于中压涡轮段303的外壳315密封。在高压蒸汽流入区348 和蒸汽流出区351之间，涡轮轴309在高压涡轮段300中具有高压转动叶片357。该高压转动叶片357与图中没有详细绘出的相应叶片构成第一叶片区360。中压涡轮段303具有中央蒸汽流入区333。与蒸汽流入区333相对应，涡轮机轴 309具有径向对称的轴屏蔽板363，这是一块盖板，一方面用来将蒸汽流分配到中压涡轮段 303的两个流道之中，以及用来阻止高温蒸汽直接接触涡轮机轴309。涡轮机轴309在中压涡轮段303中具有带中压转动叶片354的第二叶片区366。流过第二叶片区366的高温蒸汽从中压涡轮段303经流出管369流向图中没有绘出的下游低压涡轮段。
涡轮机轴309例如由两个在轴承318区域中相互固定连接的涡轮段轴309a和 309b组成。每一个涡轮段轴309a、309b均具有一个沿着旋转轴线306形成中央孔372a的冷却管372。冷却管372通过具有径向孔375a的进汽管375与蒸汽流出区351相连。在中压涡轮段303中将冷却剂管372与图中没有详细绘出位于轴屏蔽板下方的空腔相连。将进汽管375设计成径向孔375a型式，这样就能使得“冷”蒸汽从高压涡轮段300流入中央孔 372a之中。蒸汽通过尤其也可设计成径向孔375a型式的流出管372经由轴承区321进入中压涡轮段303，并且在这里抵达蒸汽流入区333中的涡轮机轴309外表面330。流过冷却管的蒸汽的温度明显低于流入蒸汽流入区333之中的过热蒸汽，从而保证有效冷却中压涡轮段303的第一转动叶栅342以及该转动叶栅342区域内的外表面330。附图3例示了燃气轮机100的纵剖面示意图。燃气轮机100在其内部具有一个围绕旋转轴线102旋转固定的具有轴101的转子 103 (也称作涡轮机转子)。沿着转子103依次排列有进气壳104、压气机105、具有多个同轴排列的燃烧器107 的例如为环状的燃烧室110 (尤其是环形燃烧室)、涡轮机108和排气壳109。环形燃烧室110与例如为环形的高温燃气通道111连通。在这里(例如)由四个串连的涡轮机级112构成涡轮机108。每一个涡轮机级112均由(例如)两个叶片环构成。朝向工作介质113的流动方向观察，随后在导叶栅115的高温燃气通道111中有由转动叶片120所构成的叶栅125。导叶130固定于定子143的内壳138上，而叶栅125的转动叶片120则例如利用涡轮盘133固定于转子103上。发电机或工作机械(未示出)联接在转子103上。在燃气轮机100运转过程中，压气机105通过进气壳104吸入空气135进行压缩。 将在涡轮机一侧的压气机105末端上提供的压缩空气输送给燃烧器107，并在其中将其与燃烧剂混合。混合物形成工作介质113后在燃烧室110中进行燃烧。工作介质113从这里沿着高温燃气通道111流过导叶130和转动叶片120。工作介质113在转动叶片120上释放，传递冲量，使得转动叶片120驱动转子103，转子103再驱动联接在其上的工作机械。暴露于高温工作介质113的部件在燃气轮机100运转过程中要承受热负荷。除了围护环形燃烧室110的热屏元件，自工作介质113的流向上看的第一涡轮机级112的导叶 130和转动叶片120将承受最大热负荷。为了耐受这里的温度，可以利用冷却剂对其进行冷却。部件的基材同样也可以具有定向结构，即为单晶(SX结构)，或者仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如，可以使用铁基、镍基或钴基高温合金作为部件的材料，尤其是作为涡轮叶片120、130以及燃烧室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就公开了这样的高温合金。叶片120、130同样也可具有防腐涂层(MCrAlX ；M为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)组中的至少一种元素，X为活性元素，并表示钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀土元素或者铪(Hf)。EP 0 486 489 Bi、EP 0 786 017 Bi、EPO 412 397 Bl 或 EP 1 306 454 Al 已公开了此类合金。
在MCrAlX上还可以有隔热层，其例如由&02、Y2O3-ZrO2构成，即通过掺入氧化钇和/或氧化钙和/或氧化锰，可使其不稳定、部分稳定或完全稳定。通过适当的涂覆方法， 例如电子束蒸发法(EB-PVD)，在隔热层中形成柱状晶粒。导叶130具有朝向涡轮机108内壳138的导叶根部(未示出)以及与导叶根部相对的导叶顶部。导叶顶部朝向转子103，并且固定于定子143的固定环140上。
权利要求
1.具有以下元素的合金硅 2.0% 4.5%，尤其为2. 4% 3.6% 钴 0. 5% 5. 0%，尤其为1. 0% 2. 5% 碳 2.0% 4.5%，尤其为2. 5% 4.0%，钼 0.3% 1.48%，尤其为0.4% 0.95%，更尤其0.5% 0.8%， 任选地锰彡0. 5%，尤其彡0.1%, 镍彡0. 5%，尤其彡0. 3%, 镁< 0. 09%，尤其< 0. 07%, 磷< 0. 07%，尤其< 0. 04%, 硫彡0. 04%，尤其彡0. 01%, 铬彡0. 1%，尤其彡0. 05%, 余量的铁。
2.根据权利要求1所述的合金，其中硅、钴和钼的含量小于7.5wt%，尤其彡6. Owt%, 更尤其至少为2. 8wt%。
3.根据权利要求1或2所述的合金，含有0.5% 1. 5wt%钴，尤其含有1. Owt%钴。
4.根据权利要求1或2所述的合金，含有0.5% 1. Owt%钴，尤其含有0. 5wt%钴。
5.根据权利要求1或2所述的合金，含有1.0% 2. Owt%钴，尤其含有1. 5wt%钴。
6.根据权利要求1或2所述的合金，含有1.0% 1. 5wt%钴。
7.根据权利要求1或2所述的合金，含有1.5% 2. 钴。
8.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有至少0.005wt%锰，尤其含有至少0. Olwt%锰。
9.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其锰含量<0.07wt%，尤其彡 0. 035wt%。
10.根据上述权利要求1 7中任一项或多项所述的合金，其不含锰。
11.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有至少0.01wt%镍，尤其含有至少0. 05 丨％镍。
12.根据上述权利要求1 10中任一项或多项所述的合金，其不含镍。
13.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有2.8wt% 3. 2wt%硅，尤其含有3. 0wt%·。
14.根据上述权利要求1 12中任一项或多项所述的合金，其含有2.47wt%硅。
15.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有3.0wt% 3. 5wt%碳，尤其含有3. 25wt%碳。
16.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有最多0.007wt%磷。
17.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有至少0.005衬％磷(P)，尤其含有至少0. Olwt%磷。
18.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有最多0.OOSwt %、尤其最多 0. 006wt%il (S)。
19.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有至少0.OOlwt %硫(S)，尤其含有至少0. 003wt%硫。
20.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有最多0.05wt%镁。
21.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其含有至少0.01衬％镁(Mg)，尤其含有至少0. 02wt%镁。
22.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其不含铬(Cr)。
23.根据上述权利要求1 21中任一项或多项所述的合金，其含有最多0.03wt%铬。
24.根据上述权利要求1 21中任一项或多项所述的合金，其含有最少0.01衬％铬， 尤其0. 05wt%铬。
25.根据上述权利要求中任一项或多项所述的合金，其由铁、硅、钴、钼和碳组成。
26.根据上述权利要求1 24中任一项或多项所述的合金，其由铁、硅、钴、碳、钼以及任选地锰和/或镁和/或磷和/或硫和/或镍和/或铬组成。
27.根据上述权利要求1 24中任一项或多项所述的合金，其由铁、硅、钴、碳、钼以及至少两种选自锰、磷、硫、镁、镍、铬的元素组成。
28.根据上述权利要求1 24中任一项或多项所述的合金，其由铁、硅、钴、碳、钼以及至少三种选自锰、磷、硫、镁、镍、铬的元素组成。
29.根据上述权利要求1 24中任一项或多项所述的合金，其由铁、硅、钴、钼、碳、镁以及至少一种、尤其两种选自磷、硫、锰、镍、铬的元素组成。
30.根据上述权利要求1 24中任一项或多项所述的合金，其由铁、硅、钴、钼、碳、镁以及至少三种、尤其四种选自磷、硫、锰、镍、铬的元素组成。
31.由权利要求1 30中任一项或多项所述的合金制成的构件。
32.根据权利要求31所述的构件，其为壳体零件。
33.根据权利要求31或32所述的构件，其为蒸汽轮机(300，303)或者燃气轮机(100) 的构件。
34.根据权利要求31、32或33所述的构件，其具有基于铁或者基于钢的基材。
全文摘要
已知的铸铁合金均有应用温度极限。使用钴优化调整铁素体组织，使得合金中含有2.0～4.5wt％硅、0.5～5wt％钴、2.0～4wt％碳、0.3～1.48wt％钼、≤0.5wt％锰、≤0.5wt％镍、余量的铁，其中硅、钴和钼的含量优选小于7.5wt％，就能将应用极限移动到较高的温度。
文档编号C22C37/04GK102177267SQ200980140249
公开日2011年9月7日 申请日期2009年9月4日 优先权日2008年10月9日
发明者S·延森, S·胜 申请人:西门子公司