JP6205126B2 - オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品の製造方法 - Google Patents

Description

オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品の製造方法、より詳細には、大型のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品の製造方法、さらにより詳細には、風力タービンのオーステンパ球状黒鉛鋳鉄製主軸の製造方法が開示される。

風力タービンの主軸のような大型シャフトの製造には、様々な合金が検討・使用されている。一例として、風力タービン用途の主軸には一般に鍛鋼合金が用いられている。鍛鋼製の風力タービンシャフトは有用ではあるが、そのサイズ、並びに必要な合金特性を得るのに必要な機械的処理（例えば、鍛造）、熱処理及び機械加工のため、概して高価である。

ダクタイル鉄（ノジュラー鋳鉄）合金も、それらの強度、靭性、鋳造性及び機械加工性の点で、風力タービンの主軸の製造に使用されている。これらのシャフトの典型的な製造方法は、慣用の砂型鋳造を伴う。これらの方法は、一般に、壁部厚さが１５ｃｍ未満の比較的小さなシャフトの製造に用いられてきた。これらの方法は、ダクタイル鉄製風力タービンシャフトの製造には有用であるが、大型化（鋳物重量、直径及びシャフト壁部厚の増大など）を始めとする最近の風力タービン設計の厳しいサービス要件には概して適していない。風力タービン用途に必要とされる主軸の大型化に伴って、強度及び靭性に関する主軸の設計要件は、従来の鋳造ダクタイル鉄合金の能力を超えてしまっており、鋳物重量の増加、直径の増大及びシャフト壁部厚の増大を始めとする寸法の増大したダクタイル鉄風力タービン主軸を製造することのできる方法が大いに望まれている。

米国特許第５１３９５７９号明細書

そこで、ダクタイル鉄物品、特に風力タービンの主軸のような大型ダクタイル鉄物品の改良製造方法があれば非常に望ましい。

１つの態様では、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品の製造方法が開示される。この方法は、ダクタイル鉄合金組成物の溶湯（メルト）を準備することを含む。また、この方法は、その溶湯を鋳型内に注いで鋳造品を形成することも含む。この方法は、さらに、鋳型に冷却剤を循環させることにより鋳造品をオーステンパ温度に冷却することを含み、ここで冷却は、溶湯を凝固させ、ダクタイル鉄物品を形成することを含む。さらにまた、この方法は、鋳造品を加熱して、オースフェライトを含むミクロ組織を含むオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品を形成するのに充分な時間オーステンパ温度を維持することを含む。

これら及びその他の利点及び特徴は、図面と併せた以下の説明からより明らかになろう。

本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

本願で開示するオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品の製造方法の代表的な実施形態のフローチャートである。 本願で開示する風力タービンの代表的な実施形態の概略透視図である。 図２の風力タービンのタービン主軸の代表的な実施形態の概略断面図である。 本願で開示する鋳型及び鋳造品の代表的な実施形態の概略断面図である。 ダクタイル鉄合金組成物の時間−温度−変態（ＴＴＴ等温変態）線図に、本明細書に開示された方法の熱プロフィールを重ねた略図である。

以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明の実施形態について、効果及び特徴と併せて説明する。

図１〜図５を参照して、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８の製造方法１００（図１）の代表的な実施形態が開示される。この方法は、ダクタイル鉄合金組成物の溶湯を準備することを含んでいる（１１０）。この方法はまた、溶湯を鋳型７０に注いで鋳造品７２（図４）を形成することも含んでいる（１２０）。方法はさらに、冷却剤を鋳型７０に通して循環させることにより、鋳造品７２をオーステンパ温度まで冷却することを含み（１３０）、ここで冷却は、溶湯を凝固させ、ダクタイル鉄物品６を形成することを含む。さらにまた、方法は、鋳造品７２を加熱して、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８を形成するのに充分な時間オーステンパ温度を維持することを含む（１４０）。場合により、この方法１００はまた、加熱１４０後鋳型７０に冷却剤を循環させることによりオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８を冷却することを含み得る（１５０）。

幾つかの実施形態では、本方法１００を使用すると、有利なことに、オーステンパ熱処理を実施する前の鋳造品の冷却及び再加熱を低減又は排除することが可能になる。加えて、本方法１００を使用する場合、オーステンパ熱処理は、ダクタイル鉄物品の直接浸漬にせよ、鋳型内の物品にせよ、通例オーステンパ熱処理を行うのに使われる塩浴炉の大きさによって制限されることがなくなるので、鋳造品の大きさを増大し得る。従って、本方法１００は、風力タービンシャフト１８のような極めて大きなダクタイル鉄物品８の製造に特に有用であり、このような物品は数トン以上の重さがあり得、厚さが１００ｍｍ以上の断面を含む非常に厚い壁部厚さを有し得る。本方法１００を使用して実現される別の利点は、オーステナイト中の炭素含量を低減することなくＳｉの量を約４．５重量％まで上昇させることができ、その結果オースフェライトマトリックスの固溶体強化も得られる。冷却剤として低圧の蒸気又は水を使用することでより微細なセル組織が得られ、そのため機械的特性が高まる。また、本方法１００では、加熱と冷却の双方に関して迅速な熱伝達が促進されることにより、サイクル時間が短縮され、オーステンパ熱処理の効率が増大する。

図１〜図５を参照して、方法１００は、あらゆる適切なオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８の製造に使用し得るが、約２〜約２０トン以上の重量を有する風力タービン主軸１８、より特定的には約１００〜約２００ｍｍ以上の壁部厚さを有するもののような大型のオーステンパ物品の製造に特に適している。オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８は、鋳造により形成された適当な大きさの鋳造ダクタイル鉄物品６から製造され、オーステンパされて、有利なことに前駆体のダクタイル鋳鉄物品６より高い硬さ、強度及び靱性を有するオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８を提供する。方法１００は、あらゆる適切なダクタイル鉄物品８の製造に使用し得るが、様々な大型の風力タービン部品を製造し、より詳細には、大型のダクタイル鉄風力タービンシャフト１８の製造に特に有用である。風力タービンシャフト１８は風力タービン１０の必須の部品である。風力タービンシャフト１８は必須の風力タービン部品であるが、特に大型の風力タービンシャフト１８に必要とされる延性、強度、靱性及び耐疲労性を得ることができなかったという理由で、一般にダクタイル鋳鉄から製造されてはいなかった。方法１００を使用すると、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８の製造が可能になり、特に大型のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト、並びに風力タービン１０及びその他の用途向けの他の大型のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８の製造が可能になる。

一般に、風力タービン１０は、ハブ１６から半径方向に延在する複数のブレード１４を含むローターブレードアセンブリ１２を含んでいる。ハブ１６は回転可能なオーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８（図２及び３）に装着されており、このシャフトは発電機２５に接続されたギヤボックス２４を含むドライブトレインの一部を形成している。これらオーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８、ドライブトレイン及び発電機２５はすべて、タワー２２に装着されたナセル２０内に収納されている。回転可能なオーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８はハブエンド２６及び対向するギアボックスエンド２８を含んでいる。ハブエンド２６は、このハブエンド２６上に形成され、ハブ１６への連結及び取り付け用に構成された一体型ハブフランジ３０を含んでいる。ギアボックスエンド２８はギヤボックス２４への連結及び取り付け用に構成されている。一般に、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８は、長手方向のシャフト３４に沿って延在するシャフト穴３２を含んでいる。また、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８は、シャフト本体３８の外側部分からハブフランジ３０への移行をなめらかにする遷移カラー３６も含み得る。タービン１０の大きさに応じて、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービン主軸１８は極めて大きくなり得、例えば、本明細書に記載の重量及び壁部厚さ並びに約２ｍ〜約４ｍ以上の長さ、約１ｍ〜約２ｍ以上の主フランジ直径及び約０．４〜約０．８ｍ以上のシャフト穴を有し得る。主軸１８は冷たい気候で作動し、ブレード１４に対する風力の作用によって誘導される約４０００〜約１５０００ｋＮｍの相当量のトルク及び約７０００〜約１５０００ｋＮｍの曲げモーメントに耐えなければならないので、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８はこれらのトルクと曲げモーメントに耐えるのに充分な強度と靱性のバランスを提供するという点で有利である。

図３に概略的に示されているように、代表的な実施形態では、本明細書に記載した方法１００により製造されるオーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８は、オースフェライトマトリックス４２と、このオースフェライトマトリックス４２内に分散した複数の黒鉛ノジュール４４を含むオーステンパされたミクロ組織４０を有するとして記載し得る。オースフェライトマトリックス４２は炭素で安定化されたオーステナイトマトリックス４６とアシキュラーフェライト４８を含んでいる。本方法１００に従ってオーステンパリングによってオースフェライトを形成すると、ダクタイル鉄風力タービンシャフト１８を含むダクタイル鉄物品８の硬さ、衝撃強さ、引張強さ及び低サイクル疲労強度が大幅に増大する。

ダクタイル鉄溶湯の準備１１０はいかなる適切な方法で行ってもよい。例えば、ダクタイル鉄合金組成物はキューポラといわれる特殊なタイプの溶鉱炉で溶融し得るが、様々な電気誘導炉で溶融してもよい。溶融が完了した後、溶融ダクタイル鉄合金組成物は、一般に保持炉又は取り鍋に注ぎ入れる。溶融ダクタイル鉄合金組成物は、銑鉄を、多くの場合実質的な量のくず鉄及びくず鋼と共に再溶融し、様々な工程を経て望ましくない汚染物質を除去することによって形成し得る。炭素とケイ素の含量は、用途に応じて、所望のレベルに調節し得る。その後、鋳造により最終的な形態を製造する前に、他の合金元素を溶湯に添加し得る。本願で開示する方法１００に従って、多種多様なダクタイル鉄合金組成物及びダクタイル鉄物品６、例えば風力タービンシャフト１８を得ることができる。ダクタイル鉄合金組成物はダクタイル鉄として典型的な合金構成成分、例えば炭素、ケイ素及びマンガン並びに場合により銅、ニッケル及び／又はモリブデンを含有し得、残部は鉄及びクロム、リン、イオウなどの不可避不純物である。一実施形態では、ダクタイル鉄合金組成物は、合金の重量を基準にして、約３．０〜約４．５重量％のケイ素、約２．０〜約３．０重量％のニッケル、約０．２重量％以下のマンガン、約０．０３重量％以下のクロム、約０．０１重量％以下のバナジウムを含み、残部は鉄及び不可避不純物である。より特定的には、このダクタイル鉄合金組成物は、約０．００１〜約０．２重量％のマンガン、約０．００１〜約０．０３重量％のクロム、及び約０．００１〜約０．０１重量％のバナジウムを含み得る。また、合金は、場合により、約０．３重量％以下のモリブデン及び約０．８重量％以下の銅も含み得る。当技術分野で公知のように、炭素に関するレベルは黒鉛の形成及び鋳造性の点で必要なレベルである。一般に、ケイ素の役割は、凝固中準安定の炭化鉄の代わりに黒鉛の形成を促進することである。炭素含量は、主としてケイ素の存在の結果凝固中に球状黒鉛として分離する。球状黒鉛は、ダクタイル鉄合金が有することが知られている高い強度と靱性のような望ましい特性を付与する。モリブデンは、オースフェライト焼き入れ性（hardenability）を増大させ、かつオーステンパ球状黒鉛鋳鉄内のパーライトの形成を遅延させるために含ませることができる。マンガンは、合金内に存在しないのが好ましいが通常不純物として不可避的に存在するイオウを捕捉するために含ませることができる。風力タービン主軸１８のような比較的に厚い断面を有する鋳造品の場合、リンはモリブデンの効果を相殺するので有害であると考えられる。従って、リンのレベルは可能な限り低いレベル、例えば０．１重量％未満に保つのが好ましい。また、風力タービンシャフト１８のような大きい断面の鋳造品において、比較的高いレベルの銅、ニッケル及びモリブデンは、オースフェライト焼き入れ性の点から、例えば上記範囲の上端付近である必要があることがある。一般に、好ましい合金添加物及びそれらの相対的な量は、合金の偏析レベル及びコストを下げつつ所与の断面の大きさに充分な焼き入れ性が得られるようにバランスをとることができる。

ダクタイル鉄合金組成物４０の溶湯を準備した（１１０）後、方法１００は、その溶湯を鋳型に注入して鋳造品７２を形成する（１２０）ことも含んでいる。望ましい微細化された結晶粒子ミクロ組織、高い黒鉛ノジュール総数並びに結晶粒界への合金構成成分の最小のミクロ偏析及びその結果の多孔度を得るために、ダクタイル鉄合金４０の溶湯は、より速い凝固速度のプロセスを用いて鋳造することができる。このプロセスは、本明細書で使用する場合、高い黒鉛ノジュール総数を得るのに充分な速度でダクタイル鉄合金の溶湯を凝固させることができるプロセスをいう。一例として、適切な急速凝固プロセスでは、１平方ミリメートル当たり１００超毎平方ミリメートル、より好ましくは１平方ミリメートル当たり約１５０〜約３００の黒鉛ノジュール総数が得られる。また、かかる冷却速度は、鋳造品全体で微細化された結晶粒子サイズを達成すると共に、鋳造品のセル間領域又は結晶粒界への合金構成成分のミクロ偏析を低減することもできる。ミクロ偏析の許容できるレベルは、１平方ミリメートル当たり１００を超えるノジュール総数及びマルテンサイト、パーライト、及びセル間の炭化物を本質的に含まないマトリックス、言い換えると、マトリックス内のマルテンサイト、パーライト及びセル間の炭化物含量が５体積％未満であるマトリックスを達成することで示される。他方、共晶セル境界での過度のミクロ偏析は、オーステンパ温度までの冷却速度が不充分な場合低いノジュール総数及び高いパーライト分率により、又は等温オーステンパ中炭素が富化されたオーステナイトの不充分な安定化に起因するマトリックス内の低いノジュール総数及び過度のマルテンサイト含量（５体積％超）及び低いオースフェライト含量（８５体積％未満）によって示され得る。

鋳造１２０は、ダクタイル鉄を鋳造するためのあらゆる適切な鋳造方法を用いて行い得、より特定的には本明細書に記載した任意の適切な鋳型７０で鋳造し得る。１つの代表的な実施形態では、物品は図４に示されているように砂型鋳造する（この場合、鋳物砂７３を一時的なパターン（図示せず）の周りで押し固め、このパターンは一般に熱分解のような加熱により除去されて、鋳型キャビティー７４の形状と大きさを画定する）か、又は、耐火材で形成された永久的又はシェル鋳型（図示せず）で鋳造する（この鋳型は一般にシェルの支持体を提供するために押し固めた鋳物砂で取り囲まれている）ことができ、ダクタイル鉄物品６が提供される。本明細書に記載するように鋳造品７２に近い鋳型７０に熱伝達媒体を流すことによって冷却１３０及び加熱１４０を実施し得る限り、いかなる適切な形の鋳造１２０も利用し得る。

様々な実施形態では、方法１００は、一般に、適切な冷却剤を鋳型７０に通して循環させることによって、ミクロ組織が安定なオーステナイトを含む初析晶フェライト（Ａ₃）の上限温度を超える温度からオーステンパ温度（Ｔ_A）まで、鋳造品７２を冷却する（１３０）ことを含んでいる。冷却剤は、一般に図５のＴＴＴ曲線に示されているようにフェライト又はパーライトの形成を回避するのに充分な急速冷却又は焼き入れ速度がダクタイル鉄物品６内に得られるように選択される。任意の適切な冷却剤、特に、流れ（Ｆ）として循環させたとき、鋳型７０及び鋳造品７２から熱を除去するための高い熱容量を有する様々な冷却用流体を使用し得る。冷却用流体は、鋳型７０に入る冷却用流体流（Ｆ）がオーステンパ温度より低い温度を有していて、鋳型７０及び鋳造品７２から熱を除去し、フェライト及び／又はパーライトの形成を回避するのに充分な急速冷却速度が得られると共に鋳造品７２の温度をオーステンパ温度（Ｔ_A）まで低下させるように選択される。適切な流体冷却剤としては、低圧蒸気、液体の水、溶融塩若しくは溶融金属、又はこれらの組合せがある。当技術分野で公知のように、オーステンパ温度（Ｔ_A）は、鋳造品７２内のマルテンサイトの形成を回避するためにダクタイル鉄合金のマルテンサイト開始温度（Ｍ_S）より高い。鋳型７０内での鋳造品７２の冷却１３０は、充分な溶融冷却剤と、ダクタイル鉄物品を受け入れるのに十分な大きさを有し、オーステンパ温度への冷却及びその後のオーステンパ熱処理の間物品を保持する浴とを必要とする溶融塩浴中に物品を焼き入れすることによって、ダクタイル鉄物品の慣用の冷却とは対照的である。このプロセスは、例えば風力タービンローターのような極めて大型のダクタイル鉄物品にはかって使用されていない。この理由は、かかる大きなダクタイル鉄鋳造品又は鋳造品及びその鋳型を収容するのに充分な大きさの塩浴を有する設備が世界中で殆どないという事実に起因し得、冷却及びその後の熱処理サイクルにスループットの制約のため、このプロセスは、極めて大型のダクタイル鉄物品については不経済であり、一般に有用ではないとされていた。上記プロセスの代案としての他の従来の選択肢は、ダクタイル鋳鉄物品を室温まで冷却し、その後続いてオーステナイト化温度まで再加熱した後オーステンパ熱処理することを含む。このプロセスも、例えば風力タービンローターのような極めて大きなダクタイル鉄物品には使用されていない。この理由も同様に、再加熱のためにかかる大きなダクタイル鉄鋳造品を収容するのに充分な大きさの塩浴又は炉を有する設備が世界中で殆どないという事実に帰因し得る。この事実と、かかる大きな熱質量を有する物品にはその後の再加熱サイクルに伴うスループットの制約があるという事実のため、このプロセスは、非常に大きなダクタイル鉄物品、特に風力タービンシャフトに対して不経済であり、一般に有用ではないと考えられている。このように、本方法１００では、有利なことに、上記直接及び鋳型内オーステンパ法で使用される塩浴炉の大きさに関連する制限が除かれる。さらに、この方法１００では、有利なことに、上記冷却／再加熱法に関連してオーステナイト化及びオーステンパ熱処理を行う前に鋳造品を冷却し再加熱する必要性が低下又は排除されることにより、慣用のダクタイル鉄鋳造法と比較してサイクル時間が短くなり、鋳造プロセスの効率が増大する。加えて、上記したように、有利なことに、ダクタイル鉄合金組成物のＳｉレベルを約４．５重量％まで上昇させて、オーステナイトの炭素含量を低下させることなく黒鉛ノジュールの形成をさらに促進することができ、このためアシキュラーフェライトの固溶体強化をもたらすことによりオースフェライトマトリックスの固溶体強化も得られる。さらに、記載した高い熱容量の冷却剤を使用してより微細なセル組織を得ることができ、これはまた機械的性質、特に強度及び靱性を高める傾向もある。

鋳造１２０に使用する鋳型７０は、風力タービン主軸１８のようなダクタイル鉄物品６の鋳造品７２の形状を定める鋳型キャビティー７４を有している。鋳型７０は、また、冷却１３０若しくは冷却１５０の場合に冷却用流体を、又は加熱１４０の場合に加熱用流体を、それぞれ受容するように構成された少なくとも１つの流体導管７６を鋳型キャビティー７４の近くに含んでいる。一実施形態では、少なくとも１つの流体導管７６は、鋳型７０で鋳型キャビティー７４の近くに配置され、鋳造品７２及び鋳型７０から熱を除去し又は加熱するためにそれぞれ鋳造品７２及び鋳型７０と熱的に連通するように構成されている複数の導管を含む。一実施形態では、鋳型は、図４に示されているように、複数の流体導管７６を含んでいる。これらには、シャフト方向に延在する流体導管７８が含まれ得る。図４に示されているような一実施形態では、これらのシャフト方向に延在する流体導管７８は鋳造品７２の周りで円周方向に配置されていてもよく、すなわち、鋳造品７２の周囲に間隔を空けて配置される。同様に図４に示されているように、別の実施形態では、流体導管７６はまた、鋳造品７２のシャフト３４に沿ってシャフト方向に間隔を空けて配置された複数の別々の円周方向に延在するリング８０も含み得る。さらにもう１つ別の実施形態では、同様に図４に示されているように、流体導管７６は、鋳型キャビティー７４の周りに配置されたコイル８２からなるシャフト方向及び円周方向に延在するリングも含み得る。流体導管は、（冷却１３０又は冷却１５０の場合）鋳型７０及び鋳造品７２から、又は（加熱１４０の場合）鋳型７０及び鋳造品７２中に、熱を伝導するように設定された任意の適切な材料から形成し得る。一実施形態では、流体導管７６としては、様々なグレードのステンレス鋼、銅合金などのような様々なグレードの鋼から形成されたものを始めとする様々な金属製チューブ又はパイプを挙げることができる。有利には、場合に応じて１種以上の冷却剤から熱を除去したり加熱用流体流（Ｆ）に熱を加えたりし得る集中型熱交換装置８６又は複数の装置に、又はそこから、各々の鋳型で必要とされる冷却剤若しくは複数の冷却剤、又は加熱用流体若しくは複数の流体を送るための１以上の流体回路８４に１以上の鋳型７０を接続し得る。これにより、多くの鋳型７０と鋳造品７２を１以上の集中型熱源、又は様々な分配された熱源でその温度に調節することが可能になり、慣用のオーステンパ熱処理プロセスでは典型的である熱処理のための個別の炉が必要でなくなる。これは、非常に大きなダクタイル鉄物品を熱処理するのに必要とされる炉の大きさ並びにそのような炉を建設し維持し、運転するのに伴うコストの故に特に有利であり、方法１００を使用すると回避され得る。

冷却（１３０）後、本方法１００は、鋳造品を加熱して、本明細書に記載したようにオースフェライトを含むミクロ組織を含むオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８を形成するのに充分な時間オーステンパ温度（Ｔ_A）を維持することも含んでいる（１４０）。オーステンパは約２３０℃〜約４００℃の温度範囲で行い得、オーステンパ温度は約１〜約４時間の間保ち得るが、これより高い又は低い温度及びより長い又は短い持続時間も可能である。加熱１４０は、追加の加熱をしないと自然に起こるであろう鋳型７０と鋳造品７２からの熱損失の故にオーステンパ温度を維持するのに必要である。オーステンパ温度で、鋳造品は、元の面心立方結晶格子オーステナイトが高炭素安定化オーステナイトマトリックス中にアシキュラーフェライトを含むオースフェライトに変換されるオースフェライト変態を受ける。一般に、高いオーステンパ温度はより大きい疲労強度と延性を促進する傾向があるが、低いオーステンパ温度はより大きい強度と耐摩耗性を促進する傾向がある。従って、オーステンパ温度は、その特定の要件に応じてダクタイル鉄風力タービンシャフト１８の幾つかの特性を促進するように選択することができる。

様々な実施形態では、方法１００及び加熱１４０は、一般に、適切な加熱用流体の流れ（Ｆ）を鋳型７０に通して循環させることによって鋳造品７２を加熱して、オーステンパ温度（Ｔ_A）を達成するか又は維持することを含む。いかなる適切な加熱用流体を使用してもよい。加熱用流体は、一般に図５のＴＴＴ曲線に示されているようにオーステンパ温度を維持するのに充分な加熱速度がダクタイル鉄物品６内に得られるように選択する。鋳型７０と鋳造品７２に熱を加えるための高い熱容量を有する加熱用流体を含めてあらゆる適切な熱伝達媒体を使用し得る。加熱用流体は、鋳型７０内に入る加熱用流体流がオーステンパ温度以上の温度を有していて、鋳型７０と鋳造品７２に熱を加え、オースフェライトへの変態を維持するのに充分な急速な加熱速度が得られると共にオーステンパ温度（Ｔ_A）を維持するように選択される。適切な加熱用流体には高圧蒸気、溶融塩若しくは溶融金属、又はこれらの組合せがある。当技術分野で公知のように、オーステンパ温度は、図５に示されているように鋳造品内のマルテンサイトの形成を回避するためにダクタイル鉄合金のマルテンサイト開始温度より高い。

焼き入れ法と焼き入れ速度の重要性も留意しなければならない。鋳造品をオーステナイト化温度からオーステンパ温度まで冷却するのに使用する装置は、オーステンパプロセスの動力学を促進し、断面の厚さ全体に渡る完全な変態を促進することにより脆性相を形成する傾向を制限するように最適化することができる。特に、本明細書に記載した冷却剤と加熱用流体を用いる鋳型７０を使用すると、好ましくは、鋳造品７２及び鋳型７０への及びそれらから、また熱伝達媒体へのより効率的な熱伝達が促進され、そのためオースフェライト変態を達成するために必要な冷却１３０と加熱１４０が促進される。これによって、従来のプロセスで達成可能なものより速い反応動力学が促進され得、従来のプロセスで熱処理された同様なダクタイル鉄物品６と比較して、所与の壁部厚さをより迅速に変換することが可能になり得、又は所与の壁部をより深い深さまで変換することが可能になり得る。かかる改変及び代案はまた、１以上の好ましい特性（微細化された結晶粒子ミクロ組織、高い黒鉛ノジュール総数、及び最小のミクロ偏析）が不完全に満たされるという鋳造プロセスの欠点を補うことも可能にし得る。いずれにしても、鋳造品７２は、冷却１２０中、パーライトの形成を回避するのに十分に速く、例えば、少なくとも５．５℃／分の速度で焼き入れされる。冷却１２０中にそうする必要がある焼き入れ速度は、部分的に、合金組成に依存し、特に例えばどの程度のニッケル、モリブデン、銅、等が合金中に存在するかに依存する。

加熱１４０及びオーステンパ浸漬の後、方法１００は、場合により、冷却剤流（Ｆ）を鋳型に通してさらに循環させることによってオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８を冷却する（１５０）ことも含み得る。使用する冷却剤は上で冷却１３０のために使用したのと同じ冷却剤の１つでよい。冷却剤は冷却１３０に使用したのと同じ冷却剤であっても、又は異なる冷却剤であってもよい。鋳造品７２は室温まで放冷して、本明細書に記載したように、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄風力タービンシャフト１８のようなオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８を得ることができる。得られるオーステンパされた鋳造品７２は、全体的に硬化されており、完全ではなくとも実質的にオースフェライトであり、完全ではなくとも実質的にマルテンサイトとパーライトを含まないマトリックスから構成されるミクロ組織を有することを特徴としており、鋳造品、特に、通例より高い構造要件が必要なシャフト本体３８、遷移カラー３６又はハブフランジ３０のような、高い作動応力を有するダクタイル鉄風力タービンシャフト１８の部分に対して所望の硬さ、衝撃強さ、引張強さ、疲労強度及び靱性を含む機械的性質を提供する。冷却１５０は、鋳造品７２がまだ鋳型内にあるうちに迅速に、かつ制御された冷却速度で行い得、制御された条件下で鋳造品７２を室温まで冷却するための焼き入れ設備及び装置のような追加の設備又は装置を必要としないので、この冷却１５０は有利である。また、冷却１５０は、特化された設備又は装置を必要としないが大きなオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８を室温まで冷却するのに必要とされる時間のためにスループットが低下する鋳造品７２の空気冷却と比べても改良である。

方法１００に従って製造される風力タービンシャフト１８を始めとするダクタイル鉄物品８は、低合金綱と競合することができる強度−靱性の組合せを示すことが可能である一方で、重量低減及びコスト節減の可能性と共により良好な耐摩耗性並びにより良好な制振及び消音効果のような潜在的な利点を提供する。風力タービンシャフト１８を始めとするオーステンパーされ全体的に硬化されたダクタイル鉄物品８の機械加工性は調質鋼に匹敵し得る。しかし、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品８はまた、焼き入れ及び焼き戻し操作によって製造された同様な大きさと設計のシャフトと比較して少ない歪みも示すようである。結果として、オーステンパの間に起こる寸法の変化を精確に予測することができ、必要な最終的な機械加工作業の量を制限することができる。

本明細書において、単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、標記の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。さらに、別途規定しない限り、本願で開示する組成範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％、特に約１０〜約１５重量％」は、これらの範囲の上下限とこれらの範囲内のすべての中間値（例えば「約５重量％〜約２５重量％、約５重量％〜約１５重量％」など）を含む）。合金組成物の成分の記載に関して用いる「約」は、記載された成分すべてに適用され、範囲の上下限に適用される。本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、別途定義しない限り、本発明の属する技術分野の技術者によって通常理解されている意味をもつ。本明細書を通して、「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に関して記載された特定の構成要素（特徴、構造及び／又は特性など）が、本明細書に記載された少なくとも一実施形態に含まれていることを意味し、他の実施形態には存在していても、存在していなくてもよい。

本明細書に記載された合金組成物に関して用いる「含む」は、その合金組成物が、明示された成分「から基本的になる」（つまり、明示された成分を含んでいて、開示した基本的及び新規な特徴に悪影響を与える他の成分を含んでいない）実施形態、並びに明示された成分「からなる」（つまり、不可避不純物以外は、明示された成分しか含んでいない）実施形態を意味し、包含する。

限られた数の実施形態に関連して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がこれらの実施形態に限定されるものでないことは当業者には自明であろう。本明細書には記載されていないが、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更、代替、置換又は均等な構成を導入することによって本発明を修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載した実施形態の一部しか含んでいなくてもよい。したがって、本発明は、以上の記載によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって限定される。

Claims (14)

1. オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品の製造方法であって、
   ダクタイル鉄合金組成物の溶湯を準備する工程と、
   鋳型キャビティーを有する鋳型内に溶湯を注いで鋳造品を形成する工程と、
   鋳型内の鋳型キャビティーの近傍に配置された１以上の流体導管を通して冷却剤を鋳型に通して循環させることにより鋳造品をオーステンパ温度に冷却する工程であって、冷却によって溶湯を凝固させ、ダクタイル鉄物品を形成することを含む、工程と、
   鋳造品を加熱して、オースフェライトを含むミクロ組織を含むオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品を形成するのに充分な時間オーステンパ温度を維持する工程と
   を含んでおり、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品が風力タービンシャフトからなる、方法。
2. さらに、加熱後に流体導管を通して鋳型を通る冷却剤の循環によりオーステンパ球状黒鉛鋳鉄物品を冷却することを含む、請求項１記載の方法。
3. ミクロ組織が固溶体強化されたオースフェライトを含む、請求項２記載の方法。
4. ダクタイル鉄合金組成物が、合金の重量を基準にして３．０〜４．５重量％のケイ素、２．０〜３．０重量％のニッケル、０．２重量％以下のマンガン、０．０３重量％以下のクロム、０．０１重量％以下のバナジウムを含み、残部が鉄及び不可避不純物である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. ダクタイル鉄合金組成物が０．００１〜０．２重量％のマンガン、０．００１〜０．０３重量％のクロム、及び０．００１〜０．０１重量％のバナジウムを含む、請求項４記載の方法。
6. ダクタイル鉄合金組成物が、冷却されたままのミクロ組織が固溶体強化されたオースフェライトを含むように選択される、請求項４又は請求項５記載の方法。
7. 冷却剤を循環させることが、流体導管を用いて鋳型に通して冷却用流体を循環させることを含み、冷却用流体がダクタイル鉄物品から熱を除去するように構成される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 冷却用流体がオーステンパ温度より低い温度を有する、請求項７記載の方法。
9. 冷却用流体が低圧蒸気、液体の水、溶融塩若しくは溶融金属、又はこれらの組合せからなる、請求項７又は請求項８記載の方法。
10. 加熱することが、流体導管を用いて鋳型に通して加熱用流体を循環させることを含み、加熱用流体がダクタイル鉄物品に熱を提供するように設定されている、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
11. 加熱用流体が高圧蒸気、溶融塩若しくは金属、又はこれらの組合せからなる、請求項１０記載の方法。
12. 加熱用流体がオーステンパ温度以上の温度を有する、請求項１０又は請求項１１記載の方法。
13. 鋳型が長手方向のシャフトを有しており、導管がシャフト方向に延在する導管を含む、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項記載の方法。
14. 導管が円周方向に延在する導管を含む、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の方法。