[0001] Die Erfindung betrifft ein Gusseisen mit Kobalt gemäß Anspruch 1 und ein Bauteil
gemäß Anspruch 30.
[0002] Die bekannten und im Einsatz befindlichen Gusseisenlegierungen (so genannte GJS Sphärogusslegierungen)
verwenden hauptsächlich Silizium und Molybdän zur Steigerung der Kriechfestigkeit,
Zunderbeständigkeit und Zeitstandfestigkeit. Dabei führen diese Elemente mit der Zeit
aber zu einem deutlichen Abfall der Zähigkeit.
[0003] Molybdän zeigt darüber hinaus eine sehr große Seigerungsneigung.
[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Legierung und ein Bauteil anzugeben, die
die oben genannten Nachteile überwinden und bessere mechanische Festigkeiten über
die Einsatzdauer aufweisen.
[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1 und ein Bauteil gemäß
Anspruch 30.
[0006] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig
miteinander in vorteilhafter Art und Weise miteinander verknüpft werden.
[0007] Die Erfindung besteht darin, dass Kobalt das Molybdän teilweise oder ganz ersetzen
kann. Somit können die Anwendungsgrenzen, die die bisherige GJS-Legierung aufweisen,
überwunden werden. Die erfindungsgemäße Legierung weist hohe Dehnungen für den Anwendungsbereich
in dem Temperaturbereich von 450°C - 550°C auf und hat folgende Zusammensetzung (in
wt%):
- Silizium
- 2,0% - 4,5%
- Kobalt
- 0,5% - 5%
- Kohlenstoff
- 2,0% - 4,5%, insbesondere 2,5% - 4%,
- Molybdän
- ≤ 1,5%, insbesondere ≤ 1,0%,
- Mangan
- ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,25%,
- Nickel
- ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,3%, Rest Eisen.
[0008] Vorteilhafterweise gilt, dass der Anteil von Silizium, Kobalt und Molybdän ≤ 7,5wt%
ist.
[0009] Vorzugsweise liegt der Anteil von Kobalt in der Legierung zwischen 0,5wt% bis 1,5wt%
Kobalt.
[0010] Vorteilhafte mechanische Werte werden für die Legierung jeweils erreicht, wenn der
Kobalt-Gehalt bei 0,5wt%, bei 1,0wt% Kobalt, bei 1,5wt% Kobalt sowie 2,0wt% Kobalt
liegt.
[0011] Die Legierung kann weitere Elemente aufweisen. Vorzugsweise besteht die Legierung
jedoch aus Eisen, Silizium, Kobalt und Kohlenstoff.
Besondere Vorteile werden auch erzielt, wenn die Legierung aus Eisen, Silizium, Kobalt,
Kohlenstoff und Mangan besteht. Weitere Vorteile ergeben sich mit einer Legierung,
die aus Eisen, Silizium, Kobalt, Kohlenstoff sowie optionalen Beimengungen aus Molybdän,
Mangan und/oder Nickel besteht.
[0012] Gegebenenfalls sind in der Legierung Verunreinigungen von maximal
- Phosphor
- 0,007wt%
- Schwefel
- 0,008wt%
- Magnesium
- 0,049wt% vorhanden.
[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand folgender Figuren näher erläutert.
[0014] Es zeigen:
- Figur 1
- ein Schliffbild,
- Figur 2
- mechanische Kennwerte,
- Figur 3
- eine Dampfturbine,
- Figur 4
- eine Gasturbine.
[0015] Figur 1 zeigt ein fast optimales ferritisches Gefüge (angeätzt) mit Kugelgraphit
aus einer Legierung mit etwa 2wt% Kobalt:
- Kohlenstoff
- 3,67wt%
- Silizium
- 2,41wt%
- Mangan
- 0,029wt%
- Kobalt
- 1,94wt%
- Eisen
- Rest.
[0016] Figur 2 zeigt den Einfluss von Kobalt auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung,
die in der folgenden Tabelle (Angaben in wt%) aufgezeigt sind.
Kobalt |
0 |
0,54 |
1,04 |
1,94 |
Kohlenstoff |
3,63 |
3,61 |
3,68 |
3,67 |
Silizium |
2,45 |
2,44 |
2,47 |
2,41 |
Mangan |
0,067 |
0,036 |
0,03 |
0,029 |
Phosphor |
0,007 |
0,006 |
0,007 |
0,007 |
Schwefel |
0,009 |
0,006 |
0,008 |
0,008 |
Magnesium |
0,044 |
0,04 |
0,05 |
0,049 |
[0017] Die Bruchdehnung R
p02 steigt von 271N/mm
2 auf 284N/mm
2 Die Zugfestigkeit Rm steigt von 403N/mm
2 auf 412N/mm
2. Die Bruchdehnung A5 steigt von 15,5% auf 21,9%. Ebenso steigt die Brucheinschnürung
Z von 13,8% auf 29,5%. Schon geringe Anteile von Kobalt (0,5wt% bis 1,0wt% oder 1,0wt%
bis 1,5wt%) verbessern die mechanischen Kennwerte.
[0018] In Figur 3 ist eine Dampfturbine 300, 303 mit einer sich entlang einer Rotationsachse
306 erstreckenden Turbinenwelle 309 dargestellt.
[0019] Die Dampfturbine weist eine Hochdruck-Teilturbine 300 und eine Mitteldruck-Teilturbine
303 mit jeweils einem Innengehäuse 312 und einem dieses umschließenden Außengehäuses
315 auf. Die Hochdruck-Teilturbine 300 ist beispielsweise in Topfbauart ausgeführt.
Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist beispielsweise zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls
möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausgeführt ist.
[0020] Entlang der Rotationsachse 306 ist zwischen der Hochdruck-Teilturbine 300 und der
Mitteldruck-Teilturbine 303 ein Lager 318 angeordnet, wobei die Turbinenwelle 309
in dem Lager 318 einen Lagerbereich 321 aufweist. Die Turbinenwelle 309 ist auf einem
weiteren Lager 324 neben der Hochdruck-Teilturbine 300 aufgelagert. Im Bereich dieses
Lagers 324 weist die Hochdruck-Teilturbine 300 eine Wellendichtung 345 auf. Die Turbinenwelle
309 ist gegenüber dem Außengehäuse 315 der Mitteldruck-Teilturbine 303 durch zwei
weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich
348 und einem Dampfaustrittsbereich 351 weist die Turbinenwelle 309 in der Hochdruck-Teilturbine
300 die Hochdruck-Laufbeschaufelung 357 auf. Diese Hochdruck-Laufbeschaufelung 357
stellt mit den zugehörigen, nicht näher dargestellten Laufschaufeln einen ersten Beschaufelungsbereich
360 dar.
[0021] Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 333 auf.
Dem Dampfeinströmbereich 333 zugeordnet weist die Turbinenwelle 309 eine radialsymmetrische
Wellenabschirmung 363, eine Abdeckplatte, einerseits zur Teilung des Dampfstromes
in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie zur Verhinderung eines
direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 309 auf. Die Turbinenwelle
309 weist in der Mitteldruck-Teilturbine 303 einen zweiten Beschaufelungsbereich 366
mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354 auf. Der durch den zweiten Beschaufelungsbereich
366 strömende heiße Dampf strömt aus der Mitteldruck-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen
369 zu einer strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.
[0022] Die Turbinenwelle 309 ist beispielsweise aus zwei Teilturbinenwellen 309a und 309b
zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 318 fest miteinander verbunden sind. Jede
Teilturbinenwelle 309a, 309b weist eine als zentrale Bohrung 372a entlang der Rotationsachse
306 ausgebildete Kühlleitung 372 auf. Die Kühlleitung 372 ist mit dem Dampfaustrittsbereich
351 über eine eine radiale Bohrung 375a aufweisende Zuströmleitung 375 verbunden.
In der Mitteldruck-Teilturbine 303 ist die Kühlmittelleitung 372 mit einem nicht näher
dargestellten Hohlraum unterhalb der Wellenabschirmung verbunden. Die Zustromleitungen
375 sind als radiale Bohrung 375a ausgeführt, wodurch "kalter" Dampf aus der Hochdruck-Teilturbine
300 in die zentrale Bohrung 372a einströmen kann. Über die insbesondere auch als radial
gerichtete Bohrung 375a ausgebildete Abströmleitung 372 gelangt der Dampf durch den
Lagerbereich 321 hindurch in die Mitteldruck-Teilturbine 303 und dort an die Manteloberfläche
330 der Turbinenwelle 309 im Dampfeinströmbereich 333. Der durch die Kühlleitung strömende
Dampf hat eine deutlich niedrigere Temperatur als der in den Dampfeinströmbereich
333 einströmende zwischenüberhitzte Dampf, so dass eine wirksame Kühlung der ersten
Laufschaufelreihen 342 der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie der Manteloberfläche
330 im Bereich dieser Laufschaufelreihen 342 gewährleistet ist.
[0023] Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
[0024] Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten
Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
[0025] Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105,
eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit
mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse
109.
[0026] Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal
111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112
die Turbine 108.
[0027] Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung
eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe
115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
[0028] Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt,
wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe
133 am Rotor 103 angebracht sind.
[0029] An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
[0030] Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse
104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters
105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit
einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums
113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang
des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An
den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass
die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
[0031] Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes
der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln
120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112
werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten
thermisch belastet.
[0032] Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels
gekühlt werden.
[0033] Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie
sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
[0034] Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und
Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte
Superlegierungen verwendet.
[0036] Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist
zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement
und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein
Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der
EP 0 486 489 B1,
EP 0 786 017 B1,
EP 0 412 397 B1 oder
EP 1 306 454 A1, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
[0037] Auf der MCrA1X kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise
aus ZrO
2, Y
2O
3-ZrO
2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder
Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
[0038] Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD)
werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
[0039] Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten
Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem
Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
1. Legierung enthaltend (in wt%):
Silizium 2,0% - 4,5%
Kobalt 0,5% - 5%
Kohlenstoff 2,0% - 4,5%, insbesondere 2,5% - 4%,
Molybdän ≤ 1,5%, insbesondere ≤ 1,0%,
Mangan ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,25%,
Nickel ≤ 0,5%, insbesondere ≤ 0,3%, Rest Eisen.
2. Legierung nach Anspruch 1,
bei der der Anteil von Silizium, Kobalt und Molybdän kleiner 7,5wt% beträgt.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 0,5wt% bis 2,0wt% Kobalt.
4. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 0,5wt% bis 1,5wt% Kobalt.
5. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 0,5wt% bis 1,0wt% Kobalt.
6. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 1,0wt% bis 2,0wt% Kobalt.
7. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 1,0wt% bis 1,5wt% Kobalt.
8. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 1,5wt% bis 2,0wt% Kobalt.
9. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 0,5wt% Kobalt.
10. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 1wt% Kobalt.
11. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 1,5wt% Kobalt.
12. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
enthaltend 2,0wt% Kobalt.
13. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die Molybdän enthält.
14. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 12,
die kein Molybdän enthält.
15. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die Mangan enthält.
16. Legierung nach Anspruch 15,
die einen Mangan-Gehalt ≤ 0,07wt% aufweist.
17. Legierung nach Anspruch 15,
die einen Mangangehalt ≤ 0,03wt% aufweist.
18. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 14,
die kein Mangan enthält.
19. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die Nickel enthält.
20. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 18,
die kein Nickel enthält.
21. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die 2,0wt% - 3,0wt% Silizium enthält.
22. Legierung nach Anspruch 21,
die 2,5wt% Silizium enthält.
23. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die 3,5wt% bis 4,0wt% Kohlenstoff,
insbesondere 3,7wt% Kohlenstoff enthält.
24. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die maximal 0,007wt% Phosphor enthält.
25. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die maximal 0,008wt% Schwefel (S) enthält.
26. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
die maximal 0,05wt% Magnesium enthält.
27. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bestehend aus
Eisen, Silizium, Kobalt und Kohlenstoff.
28. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 26,
bestehend aus
Eisen, Silizium, Kobalt Kohlenstoff und Mangan.
29. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 26,
bestehend aus
Eisen, Silizium, Kobalt Kohlenstoff und optional Mangan, Molybdän und/oder Nickel.
30. Bauteil,
bestehend aus einer Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 29.
31. Bauteil nach Anspruch 30,
das ein Gehäuseteil ist.
32. Bauteil nach Anspruch 30 oder 31,
das ein Bauteil einer Dampfturbine (300, 303) oder einer Gasturbine (100) ist.
33. Bauteil nach Anspruch 30, 31 oder 32,
das ein Substrat aufweist, das eisen- oder stahlbasiert ist.