CN101962729A - 重型等温淬火延性铁构件 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

重型等温淬火延性铁构件
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明的实施例中使用的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。为了制造具有均匀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保持在大约815℃至985℃(1500至1800℉)的范围达一定时间期间，该时间期间足以将最厚区段的基体完全转换成奥氏体。与钢不同的是，铸铁中的奥氏体化温度的选择决定了奥氏体的初始碳含量，这是在随后的等温淬火期间限定奥铁体转变的热力驱动力的关键因素。另外，正确选择奥氏体化温度将有助于确保奥氏体相和铁素体相在完全转变的奥铁体制品内的分布。
等温保持正好在从奥氏体化直接淬火至高于马氏体转变的温度之后预先形成。淬火的速率必须足够高，以免形成铁素体/珠光体。取决于最终制品所期望的机械性能，等温保持(也称为等温淬火)的温度是在大约230℃至大约400℃(450℉至750℉)的范围内，而其持续时间必须足够长，以便产生奥铁体的基体，该基体包括利用重量百分数为大约2的碳而获得稳定的针状铁素体和奥氏体。等温淬火的温度选择在限定奥铁体制品的性质和成分及其随附性能中扮演了关键的角色。通常，当等温淬火温度降低时，碳稳定的奥氏体在碳含量方面将增大，而在体积分数方面将减小，这通过铁素体的体积分数增大而予以补偿。在较低的温度下等温淬火的延性铁通常将具有较为精细的基体微观结构，且相比于在较高温度下转变的铁具有改善的强度。然而，这些铁将通常以铁素体可能导致在韧性方面的下降为代价而包含较高水平的碳化物。需要的是，谨慎选择等温淬火温度具有充足的保持时间以便获得ADI构件的所期望的性能。
通常，铸造的ADI零件所提供的构件为网状，且不需要进一步加工；然而，对于一些零件而言，取决于其几何形状而需要加工。在锻造的风力涡轮机轴中形成中心开孔所需的枪钻或深孔钻孔可通过在上文所述的铸造过程中使用型芯(core)而得以消除。
用语″第一″、″第二″等在此并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开，而用语″一″和″一个″在此并不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所涉及的物件。结合数量使用的修饰语″大约″包含声称值且具有上下文所表示的含义，(例如，包括与具体数量的测定结果相关的误差程度)。如本文所用，修饰语″多个(s)″旨在包括用语所修饰的单数和复数，从而包括一个或多个用语(例如，金属(s)包括一种或多种金属)。本文所公开的范围是包含性的，且可独立地合并(例如，″高达大约25w/o，或更具体而言，大约5w/o至大约20w/o″的范围包括″大约5w/o至大约25w/o″的范围内的端点和所有中间值，等)。
尽管本文描述了多种实施例，但从说明书中可以认识到，这里的元件、变形或改进方案的各种组合可由本领域的技术人员作出，且落在本发明的范围内。此外，在不脱离本发明基本范围的情况下，可做出许多修改以使特定的情势或材料适应本发明的教导内容。因此，本发明并非意图限于作为为执行本发明而构思出的最佳模式所公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种构件，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。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件包括大于大约6吨的质量。
3.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件包括重型齿轮箱构件。
4.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述等温淬火延性铁包括针状铁素体和奥氏体。
5.一种制造构件的方法，所述方法包括：
熔化延性铁，所述延性铁包含大约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；
铸造所述构件；
使所述构件奥氏体化；
使所述构件淬火；以及
使所述构件等温淬火。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述淬火包括使所述构件处于温度保持在大约230℃至大约400℃的介质中。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
加工所述构件。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述奥氏体化包括将所述构件保持在大约815℃至大约985℃的范围内的温度达足以将基体转换成奥氏体的时间。
9.一种风力涡轮机驱动轴，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0.06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，其中，所述驱动轴包括大于大约3吨的质量。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机驱动轴，其特征在于，所述等温淬火延性铁包括针状铁素体和奥氏体。
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