PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60214909T2 06.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001589123
Titel STAHLGUSS MIT HOHER FESTIGKEIT UND GERINGER WÄRMEAUSDEHNUNG
Anmelder Hitachi Metals, Ltd., Tokio/Tokyo, JP;
Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Tokyo, JP
Erfinder KATSURAGI, Susumu, Tochigi 321-4338, JP;
NONOMURA, Toshiaki, Shimane 692-0011, JP;
OJIRO, LTd., Y. Mitsubishi Heavy Industries, Takasago-shi Hyogo 676-8686, JP;
IZUTSU, LTd., D. Mitsubishi Heavy Industries, Takasago-shi Hyogo 676-8686, JP
Vertreter Henkel, Feiler & Hänzel, 80333 München
DE-Aktenzeichen 60214909
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.07.2002
EP-Aktenzeichen 027414291
WO-Anmeldetag 08.07.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/JP02/06883
WO-Veröffentlichungsnummer 2004005565
WO-Veröffentlichungsdatum 15.01.2004
EP-Offenlegungsdatum 26.10.2005
EP date of grant 20.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse C22C 30/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22C 38/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22C 38/52(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22C 38/40(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22C 38/60(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft einen nickelreichen und eine geringe Wärmeausdehnung aufweisenden Gussstahl mit hervorragender Hochtemperaturfestigkeit und guter Oxidationsbeständigkeit und ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtung von Gasturbinen, die aus einem derartigen Gussstahl hoher Festigkeit und mit geringer Wärmeausdehnung gebildet sind.

Technischer Hintergrund

Als Anwendung, die hohe Festigkeit und geringe Wärmeausdehnungseigenschaften bei hohen Temperaturen erfordert, sind beispielsweise ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe oder Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen bekannt. Herkömmlicherweise sind in ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe von Gasturbinen und dergleichen die Eigenschaften hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung auch bei hohen Temperaturen erforderlich. Materialien, die bei derartigen Anwendungen verwendet wurden, umfassten SCPH21 (1,2Cr-1,0Mo-Gussstahl), SCPH32 (2,2Cr-1,0Mo-Gussstahl), SCS1 (13Cr-Gussstahl) und dergleichen.

In den letzten Jahren ist es jedoch erforderlich, Zwischenräume zur Absorption unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen zu verringern, um den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu erhöhen.

Folglich wird ein Material, das geringere Wärmeausdehnung als herkömmliche Materialien zeigt, für die Bildung derartiger ringförmiger Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen benötigt. Als Legierungen geringer Wärmeausdehnung, die diese Anforderung der Eigenschaften geringer Wärmeausdehnung erfüllen, sind eine Invarlegierung (36 % Ni-Fe), Superinvarlegierung (31 % Ni-5 % Co-Fe) und dergleichen bekannt und eine große Zahl von Invar-Gusslegierungen unter Verwendung von Invareigenschaften wurde berichtet.

Jedoch wird bei den meisten Invar-Gusslegierungen die Bedeutung üblicherweise an einem durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoffizienten in einem relativ niedrigen Temperaturbereich, der sich von gewöhnlicher Temperatur bis etwa 200 °C erstreckt, festgemacht. Tatsächlich weisen diese Invar-Gusslegierungen hervorragende Eigenschaften einer geringen Wärmeausdehnung in einem niedrigen Temperaturbereich der Größenordnung von 200 °C auf. Jedoch sind bei Anwendungen als ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe oder Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, die auf eine hohe Temperatur der Größenordnung von 500 °C während des Betriebs aufgeheizt werden, derartige Invar-Gusslegierungen ungeeignet, da sich die Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen infolge einer raschen Zunahme des Wärmeausdehnungskoeffizienten beträchtlich ändern. Darüber hinaus kann eine Invarlegierung aufgrund deren geringer Festigkeit in Anwendungen, die sowohl einen geringen Ausdehnungskoeffizienten als auch hohe Festigkeit erfordern, wie ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, nicht verwendet werden.

Um eine geringe Wärmeausdehnung bis zu einem hohen Temperaturbereich der Größenordnung von 500 °C beizubehalten, ist es notwendig, den magnetischen Umwandlungspunkt auf eine höhere Temperatur zu verschieben. Als Mittel hierzu ist eine Erhöhung des Ni-Gehalts und die Zugabe oder Erhöhung von Co üblicherweise bekannt. Derartige, an Ni/Co hohe Invar-Gusslegierungen wurden ähnlich der EP-A-343292 oder EP-A-723030, dem offengelegten japanischen Patent Nr. 41350/'82, offengelegten japanischen Patent Nr. 21037/'89 und offengelegten japanischen Patent Nr. 60255/'88 vorgeschlagen. In der Gusslegierung, die in dem im Vorhergehenden genannten offengelegten japanischen Patent Nr. 41350/'82 beschrieben ist, liegt der kombinierte Gehalt an Ni und Co im Bereich von 38 bis 45 %. Infolgedessen wird darin beschrieben, dass deren Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich, der sich von gewöhnlicher Temperatur bis 300–500 °C erstreckt, verringert ist und darüber hinaus deren Festigkeit bei gewöhnlicher Temperatur sehr hoch ist. Diese Gusslegierung kann sicherlich geringe Wärmeausdehnungseigenschaften in einem niedrigen Temperaturbereich der Größenordnung von 300 °C zeigen. Jedoch sind bei Hochtemperaturanwendungen, die ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe oder Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, deren Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit bei etwa 500 °C wegen eines niedrigen Cr-Gehalts bis zu 1,0 % unzureichend. Darüber hinaus wird in dieser Gusslegierung Si, das zur Verbesserung der Gießbarkeit wichtig ist, oder Mg und S, die zum Zwecke des Impfens für Graphit notwendig sind, keine Beachtung geschenkt.

In der in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 21037/'89 beschriebenen Legierung beträgt der Ni-Gehalt nur 28,0–32,0 %, doch wird eine große Menge Co im Bereich von 8,0–18,0 % zugegeben. Daher wird offenbart, dass deren durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von 30 °C bis 500 °C den niedrigen Wert von nicht größer als 7,5 × 10–6/°C zeigt. Jedoch enthält diese Legierung kein Element, das zur Verbesserung von Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei 500 °C dient und sie kann daher keine hohe Festigkeit bei einer hohen Temperatur der Größenordnung von 500 °C erreichen.

Die in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 60255/'88 beschriebene Legierung enthält 29–33 % Ni und 4,5–6,5 % Co. Jedoch ist deren durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient bis zu einer hohen Temperatur der Größenordnung von 500 °C aufgrund eines geringen Ni-Gehalts unzureichend hoch. Darüber hinaus wird 1,0 bis 2,7 % C zugegeben, um die Zerspanbarkeit, wobei der Zerspanungsgenauigkeit Bedeutung zugemessen wird, zu verbessern, so dass eine große Menge von kugelförmigem Graphit ausgeschieden wird. Nicht nur die Ausscheidung einer großen Menge kugelförmigen Graphits verursacht eine Verringerung der Festigkeit auf der anderen Seite, sondern die Zugabe einer großen Menge C erhöht auch den Wärmeausdehnungskoeffizienten bis zu einer hohen Temperatur (500 °C). Die in JP-A-07-228947 offenbarte Legierung enthält bis zu 42 % Ni, wenig Cr und Co und ferner Festigkeit induzierende Elemente.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gussstahls, der sowohl einen niedrigen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C und hohe Festigkeit als auch gute Oxidationsbeständigkeit bei etwa 500 °C, die für ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen erforderlich sind, aufweist und daher zur Bildung ringförmiger Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen geeignet ist. Um eine ausreichende Festigkeit in einem Temperaturbereich, der sich von gewöhnlicher Temperatur bis etwa 500 °C erstreckt, zu erreichen und um den Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C niedrig zu halten, führten die Erfinder der vorliegenden Erfindung Untersuchungen an verschiedenen Legierungselementen und deren Gehalten durch. Infolgedessen wurde ermittelt, dass eine Erhöhung des Wärmeausdehnungskoeffizienten durch Einarbeiten geeigneter Mengen von Ni und Co verhindert werden kann, eine hervorragende Festigkeit auch bei Temperaturen der Größenordnung von 500 °C durch Einarbeiten geeigneter Mengen von C und Cr erhalten werden kann und darüber hinaus eine Verringerung der Hochtemperaturfestigkeit durch Zugabe geeigneter Mengen von Elementen wie S, Mg und Al unterdrückt werden kann. Diese Erkenntnis machte es möglich, hohe Festigkeit bei 500 °C mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C zu kombinieren, was zum Erreichen der vorliegenden Erfindung führte.

Daher betrifft die vorliegende Erfindung einen Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung, der – auf der Basis von Masseprozent – 0,1 bis 0,8 % C, 0,1 bis 1,0 % Si, 0,1 bis 1,0 % Mn, 0,01 bis 0,1 % S, mehr als 40 % und bis zu 50 % Ni, nicht mehr als 4 % (einschließlich 0 %) Co, mehr als 1,5 % und bis zu 4 % Cr, 0,01 bis 0,1 % Al und 0,001 bis 0,1 Mg umfasst, wobei der Rest im wesentlichen Fe ist. Dieser Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass dessen durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C nicht größer als 10,5 × 10–6/°C ist.

Darüber hinaus ist der im Vorhergehenden genannte Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass dessen 0,2-%-Dehngrenze bei 500 °C nicht weniger als 120 MPa beträgt und ferner dessen Oxidationsgewichtszunahme nach Erhitzen bei 500 °C während 100 h nicht mehr als 10 g/m2 beträgt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der im Vorhergehenden genannte Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung zur Bildung ringförmiger Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden detaillierter beschrieben.

Zu allererst ist das hervorstechendste Merkmal der vorliegenden Erfindung eine chemische Zusammensetzung, die hervorragende geringe Wärmeausdehnungseigenschaften auch in einem Hochtemperaturbereich bis 500 °C zeigt und darüber hinaus einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und hervorragende Festigkeit auch bei Temperaturen der Größenordnung von 500 °C zeigt. Verschiedene Elemente, die in der vorliegenden Erfindung spezifiziert sind, und deren Gehaltsbereiche sind im folgenden beschrieben. In der vorliegenden Erfindung ist der Gehalt an verschiedenen Elementen als Massenprozent, bezogen auf die Legierungsmasse, falls nicht anders angegeben, ausgedrückt.

C: 0,1–0,8

C hat die Wirkung des Übergehens in einen Mischkristall in der Matrix einer Legierung und dadurch Erhöhen der Festigkeit der Legierung. Wenn der Gehalt an C weniger als 0,1 % beträgt, ist dessen festigkeitserhöhende Wirkung unzureichend. Wenn der Gehalt an C größer als 0,8 % ist, ist nicht nur der Wärmeausdehnungskoeffizient des Legierungsgussstahls erhöht, sondern auch dessen Festigkeit aufgrund einer Zunahme von ausgeschiedenem Graphit verringert. Folglich liegt der Gehalt an C vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,8 %.

Si: 0,1–1,0

Um Desoxidationseigenschaften und Gießbarkeit zu verbessern, ist es notwendig, mindestens 0,1 % Si zuzugeben. Wenn jedoch der Gehalt an Si 1,0 % übersteigt, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient erhöht. Folglich liegt der Gehalt an Si vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1,0 %.

Mn: 0,1–1,0

Ähnlich Si wird Mn zugegeben, um Desoxidationseigenschaften und Gießbarkeit zu verbessern. Entsprechend muss der Gehalt an Mn mindestens 0,1 % betragen. Wenn jedoch Mn in einer Menge von mehr als 1,0 % zugegeben wird, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient erhöht. Folglich liegt der Gehalt an Mn vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1,0 %.

S: 0,01–0,1

S kombiniert mit Mg unter Bildung von MgS, es spielt eine Rolle beim Impfen durch Bildung von Keimen für kugelförmigen Graphit und es ist daher zur Unterdrückung einer Verringerung der Festigkeit wirksam. Wenn jedoch der Gehalt an S weniger als 0,01 % beträgt, werden keine Keime für kugelförmigen Graphit gebildet und Graphit scheidet sich vorzugsweise an Korngrenzen aus, was zu einer deutlichen Verringerung der Festigkeit führt. Daher muss die Untergrenze von S 0,01 % betragen. Wenn jedoch S in einer großen Menge von mehr als 0,1 % zugegeben wird, bilden sich grobe Sulfide von Mn und Cr an Korngrenzen, was zu einer Verringerung der Festigkeit und Duktilität führt. Entsprechend liegt der Gehalt an S vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,1 %.

Ni: mehr als 40 % und bis zu 50

Ni ist das wichtigste Element zur Steuerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten in der vorliegenden Erfindung. Wenn der Gehalt an Ni ansteigt, wird die Oxidationsbeständigkeit der Legierung verbessert. Wenn andererseits der Gehalt an Ni 40 oder weniger beträgt, ist der magnetische Umwandlungspunkt verringert und daher wird der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C übermäßig hoch. Folglich verändern sich, wenn ein Gussstahl mit einem Ni-Gehalt von 40 % oder weniger in Anwendungen, die niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften bis 500 °C erfordern, wie ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, verwendet wird, die Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen beträchtlich, wobei eine Beeinträchtigung der Eigenschaften bewirkt wird.

Im Gegensatz wird, wenn der Gehalt an Ni 50 % übersteigt, der magnetische Umwandlungspunkt 500 °C übersteigen und darüber hinaus der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 °C bis zum magnetischen Umwandlungspunkt stark erhöht. Folglich ändern sich, wenn ein Gussstahl mit einem Ni-Gehalt von mehr als 50 % in Anwendungen, die niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften bis 500 °C erfordern, beispielsweise ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, verwendet wird, die Zwischenräume von ringförmigen Komponenten zwischen Schaufeln und Schaufelringen von Gasturbinen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen beträchtlich, wobei eine Beeinträchtigung der Eigenschaften bewirkt wird. Entsprechend beträgt der Gehalt an Nickel vorzugsweise mehr als 40 % und bis zu 50 %.

Co: nicht mehr als 4 % (einschließlich 0 %)

Co ist ein Element, das zu einer Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten beiträgt und Co ist wirksamer als Ni zur Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten. Jedoch kann, auch wenn Co in einer übermäßigen Menge von mehr als 4 % zugegeben wird, kein zusätzliche unterdrückende Wirkung auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten erwartet werden. Darüber hinaus bewirkt, da Co ein kostenaufwendiges Element ist, die Zugabe einer großen Menge Co eine Erhöhung der Produktionskosten. Entsprechend beträgt der Gehalt an Co vorzugsweise nicht mehr als 4 %.

Wenn der Gehalt an Ni nahe dessen in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Obergrenze liegt, kann eine weitere Zugabe von Co den Wärmeausdehnungskoeffizienten erhöhen und zu einem schlechten Zwischenraum führen. Folglich ist es möglich, dass kein Co zugegeben wird (0 %).

Cr: mehr als 1,5 % und bis zu 4

Cr ist das Element, das zur Verbesserung von Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit in dem Gusstahl der vorliegenden Erfindung am wirksamsten ist. Insbesondere ist im Hinblick auf die Hochtemperaturfestigkeit, wenn ein Gussstahl mit einem Cr-Gehalt von 1,5 % oder weniger in Anwendungen, die hohe Festigkeit im Hochtemperaturbereich der Größenordnung von 500 °C erfordern, wie ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, verwendet wird, die Hochtemperaturfestigkeit unzureichend und daher bewirkt langzeitiges Einwirken einer hohen Temperatur auf diese eine beträchtliche Verformung. Infolgedessen ändern sich die Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen beträchtlich, wobei eine Beeinträchtigung der Eigenschaften bewirkt wird. Entsprechend muss Cr in einer Menge von mehr als 1,5 % zugegeben werden. Wenn andererseits Cr in einer Menge von mehr als 4 % zugegeben wird, erhöht sich der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C stark. Folglich ändert sich, wenn ein derartiger Gussstahl in Anwendungen, die niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften bis 500 °C erfordern, wie ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, verwendet wird, die Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen beträchtlich, wobei eine Beeinträchtigung der Eigenschaften bewirkt wird. Entsprechend beträgt der Gehalt an Cr vorzugsweise mehr als 1,5 % und bis zu 4 %.

Mg: 0,001 bis 0,1

Indem Mg zum Zwecke des Impfens für Graphit zugegeben wird, hat es die Wirkung der Cooperation mit S und Al unter Unterdrücken einer Verringerung der Festigkeit. Mg ergibt entweder allein oder in einer mit S kombinierten Form (d.h. MgS) Keime zur Ausscheidung von kugelförmigem Graphit und es ist sehr wirksam im Hinblick auf eine Unterdrückung der bevorzugten Korngrenzenausscheidung von Graphit, die für eine deutliche Verringerung der Festigkeit verantwortlich ist. Daher muss Mg in einer Menge von mindestens 0,001 % zugegeben werden. Wenn jedoch der Gehalt an Mg 0,1 % übersteigt, bildet es eine große Menge an Einschlüssen des MgO-Typs und es produziert Gießdefekte, die zu der Möglichkeit führen, dass die Gießbarkeit der Legierung verschlechtert wird. Entsprechend liegt der Gehalt an Mg vorzugsweise im Bereich von 0,001 bis 0,1 %.

Al: 0,01 bis 0,1

Indem Al zum Zwecke der Desoxidation zugegeben wird, hat es die Wirkung einer Cooperation mit S und Mg unter Unterdrücken einer Verringerung der Festigkeit. Wenn der Gehalt an Al weniger als 0,01 % beträgt, ist dessen Desoxidationswirkung unzureichend und daher kombiniert Mg, das zur Bereitstellung von Keimen für kugelförmigen Graphit dient, mit 0. Dies hemmt nicht nur dessen Impfwirkung auf Graphit, sondern es beschleunigt auch die Korngrenzenausscheidung von Graphit, was zu einer deutlichen Verringerung der Festigkeit der Legierung bei gewöhnlicher Temperatur und hoher Temperatur führt. Wenn der Gehalt an Al jedoch 0,1 % übersteigt, wird eine große Menge an Einschlüssen in ungünstiger Weise gebildet, wobei eine große Menge an Gießdefekten produziert wird. Daher liegt der Gehalt an Al vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,1 %.

Obwohl die in der vorliegenden Erfindung spezifizierte Elementzusammensetzung und die Gehaltsbereiche verschiedener Elemente oben beschrieben wurden, können die folgenden Elemente ebenfalls in einem derartigen Ausmaß, dass die Eigenschaften geringer Wärmeausdehnung und hoher Festigkeit nicht beeinträchtigt werden, zugegeben werden. P: ≤ 0,01 % Ca : ≤ 0,02 % Mo: ≤ 1,0 % W: ≤ 1,0 % Cu: ≤ 1,0 %.

Ferner ist der Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass dessen durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C nicht mehr als 10,5 × 10–6/° C beträgt, dessen 0,2-%-Dehngrenze bei 500 °C nicht weniger als 120 MPa beträgt und dessen Oxidationsgewichtszunahme nach Erhitzen bei 500 °C während 100 h nicht mehr als 10 g/m2 beträgt. Jede dieser Eigenschaften wird im folgenden erklärt.

Zu allererst wird gewünscht, dass, auch wenn der Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung in Anwendungen wie ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, die in einem Hochtemperaturbereich der Größenordnung von 500 °C verwendet werden, verwendet wird, dessen Wärmeausdehnungseigenschaften auf einem ausreichend niedrigen Niveau gehalten werden.

Beispielsweise umfassen die im Vorhergehenden genannten ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen drei Typen: diejenigen mit einer Betriebstemperatur von hauptsächlich 200 °C oder weniger, diejenigen, die einem Betrieb bei Temperaturen bis 350 °C widerstehen können und diejenigen, die einem Betrieb bei Temperaturen bis 500 °C widerstehen können. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen in jedem Betriebstemperaturbereich fast konstant gehalten werden sollten, und es ist auch gewünscht, dass die Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen klein sind. Diese Anforderungen können zufrieden stellend erfüllt werden, wenn der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 °C bis 500°C nicht größer als 10,5 × 10–6/°C ist. Entsprechend wird in der vorliegenden Erfindung spezifiziert, dass deren durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C vorzugsweise nicht größer als 10,5 × 10–6/°C sein sollte.

Wenn die in der vorliegenden Erfindung spezifizierten niedrigen Wärmeausdehnungseigenschaften, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C vorzugsweise nicht größer als 10,5 × 10–6/°C beträgt, erreicht werden, kann eine derartige Legierung auch in zufriedenstellender Weise für ringförmige Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, die eine Betriebstemperatur von 200 °C oder 350 °C aufweisen, verwendet werden.

Es wird auch gewünscht, dass, auch wenn der Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung in Anwendungen wie ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, die in einem Hochtemperaturbereich der Größenordnung von 500 °C verwendet werden, verwendet wird, dieser eine ausreichend hohe Festigkeit zeigt. Beispielsweise neigen die im Vorhergehenden genannten ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen zu einer plastischen Verformung oder Kriechverformung, wenn die Temperatur auf 500 °C gestiegen ist, und das langzeitige Einwirken einer hohen Temperatur auf diese kann eine Veränderung des Zwischenraums bewirken und zu einem Kontaktrisiko führen. Aus diesem Grund ist eine hohe Festigkeit (Dehngrenze) erforderlich. Entsprechend wird in der vorliegenden Erfindung spezifiziert, dass deren 0,2-%-Dehngrenze bei 500 °C nicht weniger als 120 MPa betragen sollte.

Wenn der Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung in Anwendungen wie ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen, die im Hochtemperaturbereich der Größenordnung von 500 °C verwendet werden, verwendet wird, wird eine geringe OXidationsgewichtszunahme zusätzlich zu den oben beschriebenen Anforderungen der Eigenschaften einer geringen Wärmeausdehnung und hohen Festigkeit besonders gewünscht. Beispielsweise wird, wenn der Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung zur Bildung von ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen verwendet wird, auf der Oberfläche durch Erhitzen und Halten derselben bei 500 °C Oxidzunder gebildet. Es ist erforderlich, dass derartiger Oxidzunder stabil, dicht und schwer abzulösen ist. Wenn eine große Menge Oxidzunder während Erhitzen bei 500 °C gebildet wird und sich dann leicht ablöst, werden die Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen in unerwünschter Weise erhöht. Als Kriterium zur Beurteilung der Adhäsion von derartigem Oxidzunder ermittelten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass, wenn die Oxidationsgewichtszunahme einer Legierung nach der Durchführung eines Oxidationsbeständigkeitstests durch Erhitzen bei 500 °C während 100 h nicht mehr als 10 g/m2 beträgt, die Legierung ausreichende Oxidationsbeständigkeit aufweist und das Problem von Zwischenräumen zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen kontrolliert werden kann. Daher spezifizierten die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass deren Oxidationsgewichtszunahme nach Erhitzen bei 500 °C während 100 h vorzugsweise nicht größer als 10 g/m2 sein sollte.

Wie oben beschrieben zeigt der Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung hervorragende niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften auch in einem Temperaturbereich bis zu 500 °C und er zeigt darüber hinaus eine hervorragende Festigkeit bei Temperaturen der Größenordnung von 500 °C. Folglich ist es besonders günstig, den Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung zur Bildung von ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen zu verwenden, da eine Veränderung der Zwischenräume zwischen Schaufeln und Schaufelringen und zwischen Verschlussleitblechen und Verschlussringrückhaltevorrichtungen unterdrückt werden kann.

Als besonders günstige Anwendung wurde der Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung oben im Zusammenhang mit ringförmigen Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen beschrieben. Jedoch kann der Gusstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung der vorliegenden Erfindung auch in anderen Anwendungen, die niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften bis 500 °C und hohe Festigkeit in einem Hochtemperaturbereich der Größenordnung von 500 °C erfordern, wie Verschlussringen und -bolzen, verwendet werden.

Testbeispiele

Jeder der erfindungsgemäßen Legierungsgussstähle Nr. 1–8, Vergleichslegierungsgussstähle Nr. 11–15 und herkömmlichen Legierungsgussstähle Nr. 21 und 22 wurde mit einem Gewicht von 10 kg erschmolzen. Die gebildete Schmelze wurde in eine Sandform der Abmessungen von etwa 100 mm × 100 mm × 100 mm gegossen und durch Abkühlen in der Form verfestigt. Deren chemische Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 angegeben.

Der hergestellte Vergleichslegierungsgussstahl Nr. 11 ist eine Legierung mit einem niedrigeren Ni-Gehalt und keiner Cr-Zugabe im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungsgussstählen. Nr. 12 weist einen niedrigeren Ni-Gehalt im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungsgussstählen auf. Nr. 14 weist keine Cr-Zugabe im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungsgussstählen auf. Nr. 15 weist einen höheren Ni-Gehalt im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungsgussstählen auf. Nr. 13 weist niedrigere Al- und Mg-Gehalte im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Legierungsgusstählen auf. Der herkömmliche Legierungsgussstahl Nr. 21 entspricht SCS1 und Nr. 22 entspricht SCPH21.

Prüflingsmaterialien wurden aus den hergestellten Legierungsgussstählen erhalten. Für die erfindungsgemäßen Legierungsgussstähle und die Vergleichslegierungsgussstähle wurde jedes Prüflingsmaterrial durch Halten desselben bei 700 °C während 3 h und dann Luftkühlen desselben wärmebehandelt. Für den herkömmlichen Legierungsgussstahl Nr. 21, der SCS1 entspricht, wurde das Prüflingsmaterial durch Halten desselben bei 980 °C während 1 h und dann Ölkühlen desselben abgeschreckt und anschließend durch Halten desselben bei 700 °C während 2 h und dann Luftkühlen desselben angelassen. Für den Legierungsgussstahl Nr. 22, der SCPH21 entspricht, wurde das Prüflingsmaterial durch Halten desselben bei 950 °C während 1 h und dann Ölkühlen desselben abgeschreckt und anschließend durch Halten desselben bei 700 °C während 2 h und dann Luftkühlen desselben angelassen.

Zur Ermittlung des durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wurde ein Prüfling mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 20 mm mit einem Differentialthermodilatometer vermessen. Auf diese Weise wurden die durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in mehreren Temperaturbereichen, die sich von 20 °C bis zur angegebenen Temperatur erstreckten, bestimmt. Ein Zugtest bei 500 °C wurde durch Herstellen eines Prüflings mit einer Parallelbereichslänge von 25,4 mm und einem Parallelbereichsdurchmesser von 6,35 mm entsprechend einem ASTM-Standard durchgeführt. Ein Oxidationsbeständigkeitstest wurde durch Erhitzen eines Prüflings mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 15 mm an Luft bei 350 °C oder 500 °C während 100 h und Bestimmen der Gewichtsveränderung pro Oberflächeneinheit (d.h. Oxidationsgewichtszunahme) aus der Differenz des Gewichts des Prüflings vor und nach dem Test durchgeführt.

Die durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in mehreren Temperaturbereichen, die sich von 20 °C bis zur angegebenen Temperatur erstrecken, die Ergebnisse von Oxidationsbeständigkeitstest bei 350 °C und 500 °C und die Ergebnisse von Zugtests bei 500 °C sind in Tabelle 2 angegeben.

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass in Bezug auf die erfindungsgemäßen Legierungsgussstähle deren durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Größenbereich von 20 °C bis 500 °C einen Wert von nicht größer als 10,5 × 10–6/°C zeigen und daher zufriedenstellend sind. Jedoch wird unter den erfindungsgemäßen Legierungsgussstählen eine leichte Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Nr. 1 mit einem niedrigeren Mn-Gehalt beobachtet und eine deutliche Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Nr. 1 mit einem niedrigeren Co-Gehalt beobachtet. Daher ist ersichtlich, dass eine Verringerung des Cr- oder Mn-Gehalts zur Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten wirksam ist. Andererseits zeigen unter den Vergleichslegierungen sowohl Nr. 12 mit einem Ni-Gehalt, der niedriger als der Bereich der vorliegenden Erfindung ist, und Nr. 15 mit einem Ni-Gehalt, der höher als der Bereich der vorliegenden Erfindung ist, einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der 10,5 × 10–6/°C übersteigt. Daher ist ersichtlich, dass ein übermäßig hoher oder niedriger Ni-Gehalt eine Erhöhung des Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirkt.

Darüber hinaus zeigen die herkömmlichen Legierungen Nr. 21 (die SCS1 entspricht) und Nr. 22 (die SCPH21 entspricht) einen hohen Wert von 11,9 × 0–6/°C bzw. 13,6 × 10–6/°C.

Im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Legierungsgussstähle, in denen C und Cr, die eine festigkeitsverbessernde Wirkung aufweisen, zugesetzt sind, und Al, Mg und S kontrolliert entsprechend einer Unterdrückung der Verringerung der Festigkeit zugesetzt sind, zeigen deren Festigkeiten (oder die 0,2-%-Dehngrenzen) bei 500 °C alle einen Wert von nicht weniger als 120 MPa und sie sind daher zufriedenstellend. Andererseits weisen unter den Vergleichslegierungsgussstählen Nr. 11, Nr. 13 und Nr. 14, die gute Wärmeausdehnungseigenschaften (d.h. einen Wert von nicht größer als 10,5 × 10–6/°C) zeigen, alle eine niedrige Dehngrenze bei hoher Temperatur auf. Die Ursache für die niedrigen Dehngrenzen bei hoher Temperatur von Nr. 11 und Nr. 14 ist der Mangel an Cr. Der Legierungsgussstahl Nr. 13 weist eine deutlich schlechte Festigkeit auf und der Grund hierfür besteht darin, dass zusätzlich zum Mangel an Cr Mg mit Impfwirkung und Al, das dessen Impfwirkung fördert, im wesentlichen nicht vorhanden sind. Im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Legierungsgussstähle, in denen Ni und Cr mit der Wirkung einer Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit in ausreichenden Mengen zugesetzt sind, zeigt deren Oxidationsbeständigkeit bei 500 °C einen sehr guten Wert von nicht größer als 10 g/m2. Andererseits zeigen im Hinblick auf die Oxidationsbeständigkeit bei 500 °C der Vergleichslegierungsgussstähle Nr. 11, 13 und 14 mit unzureichenden Gehalten an Ni und Cr eine hohe Oxidationsgewichtszunahme und die Gewichtszunahme von Nr. 11 ist größer als 10 g/m2. Darüber hinaus zeigt der herkömmliche Legierungsgussstahl Nr. 21 (SCS1) ausreichende Oxidationsbeständigkeit, da er 12,5 % Cr enthält. Jedoch zeigt Nr. 22 (SCPH21) eine große Oxidationsgewichtszunahme, da die Gehalte an Elementen (beispielsweise Cr), die zur Oxidationsbeständigkeit beitragen, niedrig sind.

Aus den oben beschriebenen Ergebnissen ist ersichtlich, dass in den erfindungsgemäßen Legierungsgussstählen, die Gussstähle hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind, deren durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C niedriger als die von martensitischen wärmebeständigen Gussstählen sind und deren Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei 500 °C zufriedenstellend sind.

Wie oben beschrieben sind die erfindungsgemäßen Legierungsgussstähle, da sie eine niedrige Wärmeausdehnung bis 500 °C zeigen und eine hervorragende Festigkeit im Temperaturbereich der Größenordnung von 500 °C aufweisen, zur Bildung ringförmiger Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen sehr geeignet.

In den erfindungsgemäßen Legierungsgussstählen können niedrige Wärmeausdehnungseigenschaften durch Einarbeiten geeigneter Mengen von Ni und Co erreicht werden, die Hochtemperaturfestigkeit bei Temperaturen der Größenordnung von 500 °C durch Einarbeiten geeigneter Mengen C und Cr verstärkt werden und darüber hinaus eine Verringerung der Festigkeit durch die Zugabe geeigneter Mengen von Elementen wie S, Mg und Al unterdrückt werden. Folglich können die Legierungen der vorliegenden Erfindung gewünschte Eigenschaften, die eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit bei 500 °C und eine niedrige Wärmeausdehnung im Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C umfassen, kombinieren und sie sind daher zur Bildung ringförmiger Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen sehr gut geeignet.


Anspruch[de]
Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung, der – auf der Basis von Massesprozent – 0,1 bis 0,8 % C, 0,1 bis 1,0 % Si, 0,1 bis 1,0 % Mn, 0,01 bis 0,1 % S, mehr als 40 und bis zu 50 % Ni, nicht mehr als 4 % (einschließlich 0 %) Co, mehr als 1,5 % und bis zu 4 % Cr, 0,01 bis 0,1 % Al und 0,001 bis 0,1 % Mg, optional ≤ 0,01 % P, ≤ 0,02 % Ca, ≤ 1,0 Mo, ≤ 1,0 % W und % 1,0 % Cu umfasst, wobei der Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen sind. Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1, wobei dessen durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 500 °C nicht mehr als 10,5 × 10–6/°C beträgt. Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1, wobei dessen 0,2-%-Dehngrenze bei 500 °C nicht weniger als 120 MPa beträgt. Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1, wobei dessen Oxidationsgewichtszunahme nach Erhitzen bei 500 °C während 100 h nicht mehr als 10 g/m2 beträgt. Ringförmige Komponente zur Verwendung als Schaufelring einer Gasturbine, wobei die Komponente aus einem Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1 gebildet ist. Ringförmige Komponente zur Verwendung als Verschlusssringrückhaltevorrichtung einer Gasturbine, wobei die Komponente aus einem Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1 gebildet ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com