重型等温淬火延性铁构件制造技术

本发明专利技术涉及一种重型等温淬火延性铁构件。具体而言，一种用于风力涡轮机的构件包括铸造的等温淬火延性铁，该延性铁包含大约３．０至大约３．８的重量百分数的碳、大约１．９至大约２．８的重量百分数的硅、高达大约０．３的重量百分数的锰、高达大约０．８的重量百分数的铜、高达大约２．０的重量百分数的镍、高达大约０．３的重量百分数的钼、大约０．０３至大约０．０６的重量百分数的镁、小于大约０．０５的重量百分数的铬、小于大约０．０２的重量百分数的钒，以及小于大约０．０１的重量百分数的硫。该构件优选为具有质量大于大约３吨的驱动轴或齿轮箱构件。还提供了一种制造该构件的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于风力涡轮机的轴和齿轮箱构件的等温淬火延性铁。
技术介绍
风力涡轮机具有将动力从转子传递至发电机的主轴。随着风力涡轮机将其输出 从1. 5和2. 5兆瓦(MW)增大至3、4、5以及6MW，风力涡轮机驱动轴的尺寸和所需性能也在 提高。此外，诸如行星齿轮托架、杆柄(handle)的负载齿轮箱构件对于常规延性铁的等级 (铁素体/珠光体等级)而言也太高。锻造钢/硬化钢为选来用于尺寸大于3吨的齿轮箱 构件和驱动轴的材料。该轴通常由钢锻件加工出。轴材料通常为具有临界疲劳性能的经淬 火_回火的高强度低合金钢。实例包括诸如34CrNiMo6钢的镍铬钢。由大型锭块进行处理的重型锻造钢风力构件很复杂，需要许多热加工操作(也称 为锻造)和热处理操作来充分地改进结构，以便响应随后的品质热处理来提供适合的微观 结构，从而获得所期望的机械性能。相对于铸造的ADI对应物(counterpart)的简单直接 制造而言，由于几何形状自由度有限，这些完全的处理路径和大规模加工(广度加工)导致 成本急剧上升。
技术实现思路
本专利技术的实施例包括一种构件，其为铸造的等温淬火延性铁，包含大约3. 0至大 约3. 8的重量百分数的碳、大约1. 9至大约2. 8的重量百分数的硅、高达大约0. 3的重量百 分数的锰、高达大约0. 8的重量百分数的铜、高达大约2. 0的重量百分数的镍、高达大约0. 3 的重量百分数的钼、大约0. 03至大约0. 06的重量百分数的镁、小于大约0. 05的重量百分 数的铬、小于大约0. 02的重量百分数的钒，以及小于大约0. 01的重量百分数的硫。该构件 具有大于大约3吨的质量。本专利技术的另一实施例包括一种制造构件的方法。该方法包括熔化延性铁，该延性 铁包含大约3. 0至大约3. 8的重量百分数的碳、大约1. 9至大约2. 8的重量百分数的硅、高 达大约0. 3的重量百分数的锰、高达大约0. 8的重量百分数的铜、高达大约2. 0的重量百分 数的镍、高达大约0. 3的重量百分数的钼、大约0. 03至大约0. 06的重量百分数的镁、小于 大约0. 05的重量百分数的铬、小于大约0. 02的重量百分数的钒，以及小于大约0. 01的重 量百分数的硫。该构件为铸造的。该构件经奥氏体化和淬火而达到等温淬火温度。该构件 经受等温淬火。本专利技术的实施例包括一种风力涡轮机驱动轴，该驱动轴为铸造的等温淬火延性 铁，其包含大约3. 0至大约3. 8的重量百分数的碳、大约1. 9至大约2. 8的重量百分数的硅、 高达大约0. 3的重量百分数的锰、高达大约0. 8的重量百分数的铜、高达大约2. 0的重量百 分数的镍、高达大约0. 3的重量百分数的钼、大约0. 03至大约0. 06的重量百分数的镁、小 于大约0. 05的重量百分数的铬、小于大约0. 02的重量百分数的钒，以及小于大约0. 01的 重量百分数的硫。该驱动轴具有大于大约3吨的质量。具体实施例方式铸造的等温淬火延性铁(ADI)能够提供用于重型风力涡轮机的轴和齿轮箱构件 的高质量且为网状的构件，该构件大于大约3吨，更为优选的是大于大约6吨。当前，锻造 钢/硬化钢用来制造大型风力涡轮机轴和齿轮箱构件。然而，诸如34CrNiMo6的锻造钢/ 硬化钢为相对昂贵的材料，其需要复杂的工艺来制造构件，尤其是大于大约3吨且具有复 杂几何形状的构件。当尺寸增大到6吨或更大时，制造锻造钢/硬化钢构件的费用甚至更 高，而且世界范围的供应商基础也十分有限。由高强度低合金钢制造重型风力涡轮机齿轮 箱构件所需的典型步骤包括熔化锭块、将锭块初轧为坯块、锻造坯块、锻造零件、正火、奥氏 体化、水淬火、回火，以及大规模/复杂加工。由高强度低合金钢制造齿轮箱构件的过程与 常规铸造过程相比，需要许多步骤和较大能量要求。当构件尺寸增大时，用于由高强度低合 金钢制造构件的这些制造步骤提高了成本。本专利技术的实施例中使用的等温淬火延性铁(ADI)的主要化学成分包括大约3. 0至 大约3. 8的重量百分数(w/o)的碳、大约1. 9至大约2. 8的重量百分数的硅、高达大约0. 3 的重量百分数的锰、高达大约0. 8的重量百分数的铜、高达大约2. 0的重量百分数的镍、高 达大约0. 3w/o的钼、小于大约0. 05的重量百分数的铬、小于大约0. 02的重量百分数的钒、 大约0. 03至大约0. 06的重量百分数的镁，以及小于大约0. 01的重量百分数的硫。主要化 学物质用于标明最重要的元素。由于铁中有较低浓度的一定"偶存"元素，故并未标明所 有元素。用语“延性铁”意思是指铁组成了"偶存"元素之外的其余成分。ADI由于其较低 的密度而使重量减轻、由于其较高减振能力而提供了降噪特性、提供了类似于或更好于铸 造钢/锻造刚的机械性能，以及铸造过程提供了较为便宜的制造和将对构件的加工保持为 最低限度。ADI要求称为等温淬火的特殊等温热处理，这提供了高强度和韧性的优异组合。 由该热处理之后的最终加工所引起的应变提高了疲劳性能。ADI的有些性能并非与锻造钢/硬化钢一样好。ADI拥有比锻造钢/硬化钢低15% 至20%的刚度，以及较低的抗冲击能力。然而，通过使零件略微较大和/或正确的设计改 动，该种缺点可得到减轻。在将ADI与锻造钢/硬化钢相比较及比较标明的化学物质范围 时，有可能获得性能相当而成本降低的重型风力涡轮机轴和齿轮箱构件。本专利技术的实施例中使用的ADI的优选主要化学成分包括大约3. 0至大约3. 8的重 量百分数(w/o)的碳、大约1. 9至大约2. 8的重量百分数的硅、高达大约0. 3的重量百分数 的锰、高达大约0. 8的重量百分数的铜、高达大约2的重量百分数的镍、高达大约0. 3的重 量百分数的钼、大约0. 03至大约0. 06的重量百分数的镁、小于大约0. 05的重量百分数的 铬、小于大约0. 02的重量百分数的钒，以及小于大约0.01的重量百分数的硫。如上文所述， 铁为除开一定偶存元素之外的其余成分。包括但不限于铬和钒的碳化物形成元素应当保持在尽可能低的水平，以免在微观 结构中形成大量碳化物。铬和钒应当分别低于0. 05的重量百分数和0. 02的重量百分数。ADI的基体微观结构包括具有延性的高碳稳定奥氏体的精细规模散布的针状铁素 体(所谓的奥铁体)。奥铁体基体引起在ADI构件中可得到的独特性能。ADI中的奥氏体在热处理期间通过碳而实现热稳定，且即使在接近绝对零度的温 度下也不会转变成脆性的马氏体。稳定的富碳奥氏体在受到较高法向力时，可能会经受应变引起的转变。这种转变给予了 ADI其显著的耐磨性，超过了纯粹的"加工硬化"。除了在 流动应力和硬度方面的显著增大之外，奥氏体至马氏体的这种应变引起的转变还产生了体 积方面的局部增大，且在"转变"区域中产生了较高的压应力。这些压应力抑制裂纹的形 成和增长，且其在热处理之后加工或经受诸如喷丸硬化、磨削或滚压的表面处理时，在ADI 疲劳性能方面产生了显著改善。奥氏体化是将延性铁铸件保持在临界温度以上达足够的时间期间以确保基体完 全转变成奥氏体的过程。奥氏体化的时间和温度两者均取决于铸态材料的微观结构和成 分。为了制造具有均勻碳分布的单相基体微观结构(奥氏体)，奥氏体化包括将铸件温度 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种构件，包括：　　铸造的等温淬火延性铁，其包含大约３．０至大约３．８的重量百分数的碳、大约１．９至大约２．８的重量百分数的硅、高达大约０．３的重量百分数的锰、高达大约０．８的重量百分数的铜、高达大约２．０的重量百分数的镍、高达大约０．３的重量百分数的钼、大约０．０３至大约０．０５的重量百分数的镁、小于大约０．０５的重量百分数的铬、小于大约０．０２的重量百分数的钒，以及小于大约０．０１的重量百分数的硫，其中，所述构件包括大于大约３吨的质量。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：J朴，GK布斯，JR帕罗利尼，S萨蒂安，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]