DE60214909T2

DE60214909T2 - STEEL CASTING WITH HIGH STRENGTH AND LOW HEAT EXTENSION

Info

Publication number: DE60214909T2
Application number: DE60214909T
Authority: DE
Inventors: Susumu Katsuragi; Toshiaki Nonomura; LTd. Y. Mitsubishi Heavy Industries OJIRO; LTd. D. Mitsubishi Heavy Industries IZUTSU
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-07-09
Also published as: DE60214909D1; CA2458508C; WO2004005565A1; CA2458508A1; EP1589123A1; EP1589123A4; EP1589123B1

Description

Technisches GebietTechnical area

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.These The invention relates to a nickel-rich and a low thermal expansion having cast steel with excellent high temperature strength and good oxidation resistance and annular Components for use as bucket rings and lock ring retention device of gas turbines made of such high-strength cast steel and with low thermal expansion are formed.

Technischer HintergrundTechnical background

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.When Application, the high strength and low thermal expansion properties At high temperatures, for example, are annular components for use as bucket rings or lock ring restraints known by gas turbines. traditionally, are in annular components for use as blade rings of gas turbines and the like the properties of high strength and low thermal expansion also required at high temperatures. Materials used in such Applications used included SCPH21 (1.2Cr-1.0Mo cast steel), SCPH32 (2.2Cr-1.0Mo cast steel), SCS1 (13Cr cast steel) and the like.

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.In In recent years, however, it is necessary to create spaces for Absorption of different thermal expansion between blades and vane rings and between shutter baffles and lock ring restraints to reduce the efficiency of gas turbines.

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.consequently is a material that has lower thermal expansion than conventional Shows materials for the Formation of such annular Components for use as blade rings and lock ring restraints needed by gas turbines. As alloys of low thermal expansion, this requirement of low thermal expansion properties fulfill, are an Invar alloy (36% Ni-Fe), Superinvar alloy (31% Ni-5% Co-Fe) and the like are known and a large number Invar casting alloys using invariance properties was reported.

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.however becomes common in most Invar cast alloys at an average thermal expansion coefficient in a relatively low temperature range, which is more ordinary Temperature up to about 200 ° C extends, moored. Indeed These Invar casting alloys have excellent properties low thermal expansion in a low temperature range of the order of 200 ° C. however are in applications as annular Components for use as bucket rings or lock ring restraints of gas turbines that are at a high temperature of the order of magnitude of 500 ° C while of the operation, such Invar cast alloys unsuitable as the spaces between blades and Vane rings and between shutter baffles and lock ring restraints due to a rapid increase in the thermal expansion coefficient change considerably. Furthermore can be an Invar alloy due to their low strength in applications, which has both a low coefficient of expansion and high Require strength, such as annular Components for use as blade rings and lock ring restraints of gas turbines, not to be used.

Um eine geringe Wärmeausdehnung bis zu einem hohen Tempera turbereich 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 order to maintain a low thermal expansion up to a high tempera ture range of the order of 500 ° C, it is necessary to shift the magnetic transformation point to a higher temperature. As an agent, an increase in the Ni content and the addition or increase of Co are usually known. Such Ni / Co high Invar casting alloys were similar to EP-A-343292 or EP-A-723030, Japanese Patent Laid-Open No. 41350 / '82, Japanese Patent Laid-Open No. 21037 / '89 and Japanese Laid-Open Patent Publication No. Hei 60255 / '88 proposed. In the casting alloy described in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 41350 / '82, the combined content of Ni and Co is in the range of 38 to 45%. As a result, it is described that its thermal expansion coefficient is reduced in a temperature range ranging from ordinary temperature to 300-500 ° C, and moreover its strength at ordinary temperature is very high. This cast alloy can certainly exhibit low thermal expansion properties in a low temperature range of the order of 300 ° C. However, in high temperature applications, the annular components for use as blade rings or gas turbine retaining ring retainers, their oxidation resistance and high temperature strength at about 500 ° C are insufficient because of a low Cr content up to 1.0%. Moreover, in this casting alloy, Si important for improving the castability, or Mg and S necessary for the purpose of seeding for graphite, paid no attention.

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.In the alloy described in Japanese Patent Laid-Open No. 21037/89, the Ni content is only 28.0-32.0%, but a large amount of Co in the range of 8.0-18.0% is added. Therefore, it is disclosed that its average coefficient of thermal expansion in a temperature range of 30 ° C to 500 ° C shows the low value of not larger than 7.5 × 10 ^-6 / ° C. However, this alloy does not contain an element serving to improve high-temperature strength and oxidation resistance at 500 ° C, and therefore can not attain high strength at a high temperature of the order of 500 ° C.

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.The Alloy described in Japanese Patent Laid-Open No. 60255 / '88 contains 29-33 % Ni and 4.5-6.5 % Co. However, their average thermal expansion coefficient is up to to a high temperature of the order of magnitude of 500 ° C due to a low Ni content insufficiently high. Furthermore 1.0 to 2.7% C is added to the machinability, the Machining accuracy is attributed importance to improve so a big one Amount of spherical Graphite is excreted. Not just the elimination of a large amount spherical Graphite causes a reduction in strength on the other Side, but the addition of a large amount of C also increases the thermal expansion coefficient up to a high temperature (500 ° C). Disclosed in JP-A-07-228947 Contains alloy up to 42% Ni, low Cr and Co and further inducing strength Elements.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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 gewöhnli cher 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.task the present invention provides a cast steel, which has both a low average thermal expansion coefficient in a temperature range of 20 ° C to 500 ° C and high strength as well good oxidation resistance at about 500 ° C, the for annular Components for use as blade rings and lock ring restraints of gas turbines are required, and therefore for formation annular Components for use as blade rings and lock ring restraints of gas turbines is suitable. In order to have sufficient strength in a temperature range that varies from ordinary temperature to about 500 ° C, and to achieve the coefficient of thermal expansion kept low in a temperature range of 20 ° C to 500 ° C, led the Inventors of the present invention studies on various Alloy elements and their contents by. As a result became determines that an increase of the thermal expansion coefficient Incorporation of suitable amounts of Ni and Co can be prevented excellent strength even at temperatures of the order of magnitude of 500 ° C by incorporating appropriate amounts of C and Cr can and over addition, a reduction in high-temperature strength by addition suitable amounts of elements such as S, Mg and Al are suppressed can. This finding made it possible to provide high strength 500 ° C with a low thermal expansion coefficient in a temperature range of 20 ° C to 500 ° C, resulting in achievement of the present invention.

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.Therefore, the present invention relates to a cast steel of high strength and low thermal expansion which, on a weight percentage basis, is 0.1 to 0.8% C, 0.1 to 1.0% Si, 0.1 to 1.0% Mn , 0.01 to 0.1% S, more than 40% and up to 50% Ni, not more than 4% (including 0%) Co, more than 1.5% and up to 4% Cr, 0.01 to 0.1% Al and 0.001 to 0.1 Mg, the remainder being essentially Fe. This high-strength and low-thermal-expansion cast steel is preferably characterized in that its average thermal expansion coefficient in a temperature range of 20 ° C to 500 ° C is not greater than 10.5 × 10 ^-6 / ° C.

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 Oxida tionsgewichtszunahme nach Erhitzen bei 500 °C während 100 h nicht mehr als 10 g/m² beträgt.In addition, the above-mentioned cast steel of high strength and low thermal expansion is preferably characterized in that its 0.2% proof stress at 500 ° C is not less than 120 MPa, and further its oxidation weight gain after heating at 500 ° C for 100 hours not more than 10 g / m ² .

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.According to the present Invention may be the above-mentioned high-strength cast steel and low thermal expansion to form a ring-shaped Components for use as blade rings and lock ring restraints used by gas turbines.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden detaillierter beschrieben.The The present invention will be described in more detail below.

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.First of all, the most salient feature of the present invention is a chemical composition that has excellent low thermal expansion properties even at high temperature range to 500 ° C and also shows a low coefficient of thermal expansion and excellent strength even at temperatures of the order of 500 ° C. Various elements specified in the present invention and their content ranges are described below. In the present invention, the content of various elements is expressed in terms of mass percentage based on the alloy composition unless otherwise specified.

C: 0,1–0,8C: 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 %.C has the effect of overriding into a solid solution in the matrix of an alloy and thereby increasing the Strength of the alloy. If the content of C is less than 0.1% is, is its strength-increasing Effect inadequate. If the content of C is greater than 0.8% is not only the thermal expansion coefficient of alloyed cast steel increases, but also its strength due to an increase of excreted Graphite reduced. Consequently, the content of C is preferably in the range of 0.1 to 0.8%.

Si: 0,1–1,0Si: 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 %.Around To improve deoxidation properties and castability is it is necessary to add at least 0.1% Si. However, if the salary Si exceeds 1.0%, is the thermal expansion coefficient elevated. consequently For example, the content of Si is preferably in the range of 0.1 to 1.0%.

Mn: 0,1–1,0Mn: 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 %.Similar to Si Mn is added to deoxidation properties and castability to improve. Accordingly, the content of Mn must be at least 0.1 %. However, when Mn is added in an amount of more than 1.0% is, is the thermal expansion coefficient elevated. Thus, the content of Mn is preferably in the range of 0.1 to 1.0%.

S: 0,01–0,1S: 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 %.S combined with Mg to form MgS, it plays a role in Seeding by formation of germs for spherical graphite and it is therefore for suppression a reduction in strength effective. However, if the salary S is less than 0.01%, will not germs for spherical Graphite formed and graphite is preferably deposited on grain boundaries resulting in a significant reduction in strength. Therefore the lower limit of S must be 0.01%. But if S in one huge Amount of more than 0.1% is added, coarse sulfides are formed of Mn and Cr at grain boundaries, resulting in a reduction in strength and ductility leads. Accordingly, the content of S is preferably in the range of 0.01 to 0.1%.

Ni: mehr als 40 % und bis zu 50Ni: more than 40% and up to 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.Ni is the most important element for controlling the thermal expansion coefficient in the present invention. As the content of Ni increases, the oxidation resistance the alloy improved. On the other hand, if the content of Ni is 40 or less, the magnetic transformation point is reduced and therefore the average thermal expansion coefficient in the temperature range of 20 ° C up to 500 ° C excessively high. Consequently change itself, if a cast steel with a Ni content of 40% or less in applications that have low thermal expansion properties up to 500 ° C require, such as annular Components for use as blade rings and lock ring restraints used by gas turbines, the spaces between blades and Vane rings and between shutter baffles and lock ring restraints considerably, being an impairment the properties is effected.

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 %.In contrast, when the content of Ni exceeds 50%, the magnetic transformation point exceeds 500 ° C, and moreover the average thermal expansion coefficient in the temperature range of 20 ° C until the magnetic transformation point is greatly increased. Consequently, when a cast steel having a Ni content of more than 50% is used in applications requiring low thermal expansion properties up to 500 ° C, for example, annular components for use as blade rings and gas turbine retaining ring restraints, the intervals between annular components vary Shovels and vane rings of gas turbines and between shutter baffles and closure ring restraints considerably, wherein a deterioration of the properties be is acting. Accordingly, the content of nickel is preferably more than 40% and up to 50%.

Co: nicht mehr als 4 % (einschließlich 0 %)Co: not more than 4% (including 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 %.Co is an element that leads to a reduction of the coefficient of thermal expansion contributes and Co is more effective than Ni for reducing the thermal expansion coefficient. However, even though Co may be in an excessive amount of more than 4 % is added, no extra suppressive Effect on the thermal expansion coefficient to be expected. About that In addition, since Co is a costly element, the addition causes a big one Co amount an increase the production costs. Accordingly, the content of Co is preferably not more than 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 %).If the content of Ni near that specified in the present invention Upper limit, a further addition of Co can increase the coefficient of thermal expansion increase and lead to a bad gap. Consequently, it is possible that no Co is added (0%).

Cr: mehr als 1,5 % und bis zu 4Cr: more than 1.5% and up to 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 %.Cr is the element that helps improve high-temperature strength and oxidation resistance in the most efficient of the cast steel of the present invention. Especially is in terms of high-temperature strength, if a cast steel with a Cr content of 1.5% or less in applications that are high Require strength in the high temperature range of the order of 500 ° C, like annular Components for use as blade rings and lock ring restraints of gas turbines, the high-temperature strength is insufficient and therefore causes long-term exposure to a high temperature on this one considerable Deformation. As a result, change the gaps between blades and vane rings and between shutter baffles and closure ring restraints considerably, being an impairment the properties is effected. Accordingly, Cr has to be in a lot be added by more than 1.5%. On the other hand, if Cr in one Quantity of more than 4% is added, the average increases Coefficient of thermal expansion in a temperature range of 20 ° C to 500 ° C strong. Consequently, if changes such cast steel in applications that have low thermal expansion properties up to 500 ° C require, such as annular Components for use as blade rings and lock ring restraints used by gas turbines, the spaces between blades and Vane rings and between shutter baffles and lock ring restraints considerably, being an impairment the properties is effected. Accordingly, the content is Cr preferably more than 1.5% and up to 4%.

Mg: 0,001 bis 0,1Mg: 0.001 to 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 %.By doing Mg for the purpose of vaccination for Graphite is added, it has the effect of Cooperation with S and Al under suppression a reduction in strength. Mg results either alone or in a form combined with S (i.e., MgS) for excretion of spherical Graphite and it is very effective in terms of suppression of preferred grain boundary excretion of graphite, which for a significant Reduction of strength is responsible. Therefore, Mg must be in be added in an amount of at least 0.001%. But when the content of Mg exceeds 0.1%, it makes a big one Amount of inclusions of the MgO type and it produces casting defects leading to the possibility to lead, that the castability the alloy is deteriorated. The salary is accordingly Mg preferably in the range of 0.001 to 0.1%.

Al: 0,01 bis 0,1Al: 0.01 to 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 %.By doing Al is added for the purpose of deoxidation, it has the effect co - operation with S and Mg suppressing a reduction of Strength. When the content of Al is less than 0.01%, is its deoxidizing effect is insufficient and therefore combines Mg, which serves to provide seeds for spherical graphite, with 0. This not only inhibits its vaccine effect on graphite, but it accelerates Also, the grain boundary excretion of graphite, resulting in a significant Reduction of the strength of the alloy in ordinary Temperature and high temperature leads. If the content of Al but exceeds 0.1%, will be a big one Amount of inclusions in unfavorable Way, with a large amount at casting defects is produced. Therefore, the content of Al is preferably in the range from 0.01 to 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 %. Although the elemental composition specified in the present invention and the salary Although various elements have been described above, the following elements can also be added to such an extent that the low thermal expansion properties and high strength properties are not impaired. P: ≤ 0.01% Ca: ≤ 0.02% Not a word: ≤ 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.Further, the high-strength and low-thermal expansion cast steel of the present invention is preferably characterized in that its average coefficient of thermal expansion in the temperature range of 20 ° C to 500 ° C is not more than 10.5 × 10 ^-6 / ° C, whose 0.2- % Proof stress at 500 ° C is not less than 120 MPa and its oxidation weight increase after heating at 500 ° C for 100 hours is not more than 10 g / m ² . Each of these properties is explained below.

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 Hochtemperaturbe reich der Größenordnung von 500 °C verwendet werden, verwendet wird, dessen Wärmeausdehnungseigenschaften auf einem ausreichend niedrigen Niveau gehalten werden.To first of all, it is desired that, even if the cast steel high strength and low thermal expansion of the present invention in applications such as annular components for use as bucket rings and lock ring restraints of gas turbines operating in a high temperature range of the order of magnitude of 500 ° C used, its thermal expansion properties be kept at a sufficiently low level.

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.For example, the above-mentioned annular components for use as bucket rings and gas turbine retaining ring retainers include three types: those having an operating temperature of mainly 200 ° C or less, those capable of withstanding operation at temperatures up to 350 ° C, and those operating can withstand temperatures up to 500 ° C. In this case, it is necessary that the clearances between blades and blade rings and between shutter baffles and shutter ring restraints should be kept almost constant in each operating temperature range, and it is also desired that the clearances between blades and blade rings and between shutter baffles and lock ring restraints be small. These requirements can satisfactorily be satisfied if the average thermal expansion coefficient in the temperature range of 20 ° C to 500 ° C is not greater than 10.5 × 10 ^-6 / ° C. Accordingly, it is specified in the present invention that the average coefficient of thermal expansion in the temperature range of 20 ° C to 500 ° C should preferably not be greater than 10.5 x 10 ^-6 / ° C.

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 ei ne Betriebstemperatur von 200 °C oder 350 °C aufweisen, verwendet werden.If the low thermal expansion properties specified in the present invention, which are characterized in that the average thermal expansion coefficient in the temperature range of 20 ° C to 500 ° C is preferably not greater than 10.5 × 10 ^-6 / ° C, can be achieved Such alloy also satisfactorily be used for annular components for use as blade rings and closure ring restraints of gas turbines having an operating temperature of 200 ° C or 350 ° C.

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.It is also desired that, even if the cast steel high strength and low thermal expansion of the present invention in applications such as annular components for use as bucket rings and lock ring restraints of gas turbines operating in a high temperature region of the order of magnitude of 500 ° C used, this is a sufficiently high strength shows. For example, the above-mentioned annular components tend for use as bucket rings and lock ring restraints from gas turbines to plastic deformation or creep deformation, when the temperature is at 500 ° C has risen, and the long-term exposure to a high temperature This can be a change of the gap and lead to a risk of contact. Out For this reason, a high strength (yield strength) is required. Accordingly, it is specified in the present invention that their 0.2% yield strength at 500 ° C should not be less than 120 MPa.

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.When the high strength, low thermal expansion cast steel of the present invention is used in applications such as annular components for use as gas turbine blade ring and closure ring restraints used in the high temperature region of the order of 500 ° C, a small increase in weight gain is added to the requirements described above the properties of low thermal expansion and high strength particularly ge wishes. For example, when the high strength and low thermal expansion cast steel of the present invention is used to form annular components for use as gas turbine blade ring and closure ring restraints, oxide scale is formed on the surface by heating and maintaining it at 500 ° C. It is necessary that such Oxidzunder is stable, dense and difficult to replace. If a large amount of oxide scale is formed during heating at 500 ° C and then peels off easily, the clearances between blades and blade rings and between shutter baffles and shutter ring retainers are undesirably increased. As a criterion for judging the adhesion of such oxide scale, the inventors of the present invention found that if the oxidation weight gain of an alloy after conducting an oxidation resistance test by heating at 500 ° C for 100 hours is not more than 10 g / m ² , the alloy is sufficient Oxidation resistance and the problem of clearances between blades and blade rings and between baffles and closure ring restraints can be controlled. Therefore, the inventors of the present invention specified that their oxidation weight gain after heating at 500 ° C for 100 hours should preferably not be greater than 10 g / m ² .

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.As described above shows the cast steel high strength and lower thermal expansion excellent low thermal expansion properties of the present invention even in a temperature range up to 500 ° C and he points beyond that excellent strength at temperatures of the order of magnitude of 500 ° C. Consequently, it is particularly favorable the cast steel high strength and low thermal expansion of the present Invention for the formation of annular Components for use as blade rings and lock ring restraints of gas turbines to use as a change in the spaces between Buckets and vane rings and between shutter baffles and lock ring restraints repressed can be.

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.When especially cheap Application was made of high-strength cast steel with low thermal expansion of the present invention above in connection with annular components for use as bucket rings and lock ring restraints described by gas turbines. However, the cast steel can be high in strength and low thermal expansion of the present invention also in other applications, the low Thermal expansion properties up to 500 ° C and high strength in a high temperature region of the order of magnitude of 500 ° C require, such as lock rings and bolts, to be used.

Testbeispieletest Examples

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.Everyone the alloy cast steels according to the invention no. 1-8, comparative alloy cast steels No. 11-15 and usual Alloy cast steels Nos. 21 and 22 were melted with a weight of 10 kg. The formed melt was in a sand mold of dimensions of about 100 mm × 100 mm × 100 mm poured and by cooling solidified in the mold. Their chemical compositions are in Table 1 given.

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.Of the Comparative Alloy Steel No. 11 prepared is an alloy with a lower Ni content and no Cr addition compared to the alloy cast steels according to the invention. No. 12 has a lower Ni content compared to the alloy cast steels according to the invention. No. 14 has no Cr addition compared to the alloy cast steels of the present invention. No. 15 has a higher Ni content in comparison to the alloy cast steels according to the invention. No. 13 has lower Al and Mg contents as compared with the alloy cast steels of the present invention. The conventional one Alloy steel No. 21 corresponds to SCS1 and No. 22 corresponds 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.Sample materials were obtained from the produced alloy cast steels. For the alloy cast steels of the invention and the comparative alloy cast steels, each test piece material was heat-treated by holding it at 700 ° C for 3 hours and then air-cooling it. For the conventional alloy cast steel No. 21 corresponding to SCS1, the test piece material was quenched by holding it at 980 ° C for 1 hour and then oil cooling it, and then holding it the same at 700 ° C for 2 h and then air cooling the same tempered. For the alloy cast steel No. 22 corresponding to SCPH21, the test piece material was quenched by keeping it at 950 ° C for 1 hour and then oil cooling it, and then annealing it by holding it at 700 ° C for 2 hours and then air cooling it.

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.to Determination of the average thermal expansion coefficient became a candidate with a diameter of 5 mm and a length of 20 mm with a differential thermodilatometer measured. In this way, the average thermal expansion coefficients in several temperature ranges, ranging from 20 ° C to indicated temperature determined. A tensile test at 500 ° C was performed Produce a test object with a parallel area length of 25.4 mm and a parallel section diameter of 6.35 mm, respectively an ASTM standard. An oxidation resistance test was by heating a test specimen with a diameter of 10 mm and a length of 15 mm in air at 350 ° C or 500 ° C during 100 h and determining the weight change per surface unit (i.e. Oxidation weight increase) from the difference in weight of the test piece and performed after the test.

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.The average thermal expansion coefficient in several temperature ranges, ranging from 20 ° C to indicated temperature, the results of oxidation resistance test at 350 ° C and 500 ° C and the results of tensile tests at 500 ° C are shown in Table 2.

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.From Table 2, it can be seen that with respect to the alloy cast steels of the present invention, their average thermal expansion coefficients in the size range of 20 ° C to 500 ° C show a value of not greater than 10.5 × 10 ^-6 / ° C and are therefore satisfactory. However, among the alloy cast steels of the present invention, a slight reduction in the coefficient of thermal expansion of No. 1 is implied observed a lower Mn content and observed a significant reduction in the coefficient of thermal expansion in No. 1 with a lower Co content. Therefore, it can be seen that a reduction in Cr or Mn content is effective for reducing the thermal expansion coefficient. On the other hand, among the comparative alloys, both No. 12 having a Ni content lower than the range of the present invention and No. 15 having a Ni content higher than the range of the present invention exhibit a high coefficient of thermal expansion 10.5 × 10 ^-6 / ° C. Therefore, it can be seen that an excessively high or low Ni content causes an increase in the thermal expansion coefficient.

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.Moreover, the conventional alloys No. 21 (corresponding to SCS1) and No. 22 (corresponding to SCPH21) show a high value of 11.9 × 0 ^-6 / ° C and 13.6 × 10 ^-6 / ° C, respectively.

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.With respect to the alloy cast steels of the present invention in which C and Cr having a strength-improving effect are added, and Al, Mg and S are added in a controlled manner to suppress the reduction in strength, their strengths (or 0.2%) are exhibited. Proof stress) at 500 ° C all have a value of not less than 120 MPa and are therefore satisfactory. On the other hand, among the comparative alloy cast steels No. 11, No. 13 and No. 14, which exhibit good thermal expansion properties (ie, a value of not larger than 10.5 × 10 ^-6 / ° C), all have a low yield strength at high temperature. The cause of the low high temperature yield strengths of No. 11 and No. 14 is the lack of Cr. The alloy cast steel No. 13 has a markedly poor strength, and the reason for this is that, in addition to the lack of Cr, Mg having seed and Al promoting its seed is substantially absent. With respect to the alloy cast steels of the present invention in which Ni and Cr are added in sufficient amounts with the effect of improving the oxidation resistance, their oxidation resistance at 500 ° C shows a very good value of not larger than 10 g / m ² . On the other hand, with respect to the oxidation resistance at 500 ° C, the comparative alloy cast steels No. 11, 13 and 14 having insufficient contents of Ni and Cr show a high oxidation weight increase and the weight gain of No. 11 is larger than 10 g / m ² . In addition, the conventional alloy steel No. 21 (SCS1) exhibits sufficient oxidation resistance since it contains 12.5% Cr. However, No. 22 (SCPH21) shows a large oxidation weight increase because the contents of elements (for example, Cr) contributing to the oxidation resistance are low.

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.Out The results described above show that in the Alloy cast steels according to the invention, the cast steels high strength and low thermal expansion according to the present Invention, whose average thermal expansion coefficient in the temperature range of 20 ° C up to 500 ° C lower than those of martensitic heat-resistant cast steels and their high-temperature strength and oxidation resistance at 500 ° C are satisfactory.

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 ringför miger Komponenten zur Verwendung als Schaufelringe und Verschlussringrückhaltevorrichtungen von Gasturbinen sehr geeignet.As described above are the alloy cast steels according to the invention, as they have a low thermal expansion up to 500 ° C show and excellent strength in the temperature range of Magnitude of 500 ° C have, for forming ringför Miger Components for use as blade rings and lock ring restraints of gas turbines very suitable.

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.In The alloy cast steels according to the invention can be low Thermal expansion properties achieved by incorporating suitable amounts of Ni and Co, the high-temperature strength at temperatures of the order of magnitude of 500 ° C be reinforced by incorporating suitable amounts of C and Cr and above In addition, a reduction in the strength by the addition of suitable Quantities of elements such as S, Mg and Al are suppressed. Consequently, the Alloys of the present invention have desired properties that a excellent high temperature strength at 500 ° C and low thermal expansion in the temperature range of 20 ° C up to 500 ° C comprise, combine and they are therefore to form annular components for use as bucket rings and lock ring restraints of gas turbines very well suited.

Claims

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.Cast steel of high strength and low thermal expansion, the - on the basis of mass percent - 0.1 to 0.8% C, 0.1 to 1.0% Si, 0.1 to 1.0% Mn, 0.01 to 0.1% S, more than 40 and up to 50% Ni, not more than 4% (including 0 %) Co, more than 1.5% and up to 4% Cr, 0.01 to 0.1% Al and 0.001 to 0.1% Mg, optionally ≤ 0.01 % P, ≤ 0.02 % Ca, ≤ 1.0 Mo, ≤ 1.0 % W and% 1.0% Cu, with the remainder iron and incidental impurities are.

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.Cast steel of high strength and low thermal expansion according to claim 1, wherein the through average thermal expansion coefficient in a temperature range of 20 ° C to 500 ° C is not more than 10.5 × 10 ^-6 / ° C.

Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1, wobei dessen 0,2-%-Dehngrenze bei 500 °C nicht weniger als 120 MPa beträgt.Cast steel of high strength and low thermal expansion according to claim 1, wherein its 0.2% proof stress at 500 ° C is not less than 120 MPa is.

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.High strength and low thermal expansion cast steel according to claim 1, wherein its oxidation weight gain after heating at 500 ° C for 100 hours is not more than 10 g / m ² .

Ringförmige Komponente zur Verwendung als Schaufelring einer Gasturbine, wobei die Komponente aus einem Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1 gebildet ist.annular Component for use as a blade ring of a gas turbine, wherein the component consists of a cast steel high strength and lower thermal expansion according to claim 1 is formed.

Ringförmige Komponente zur Verwendung als Verschlusssringrückhaltevorrichtung einer Gasturbine, wobei die Komponente aus einem Gussstahl hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung gemäß Anspruch 1 gebildet ist.annular Component for use as a gasket ring closure retainer, wherein the component consists of a cast steel high strength and lower thermal expansion according to claim 1 is formed.