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Die nachfolgende Erfindung bezieht sich auf einen Kappenring und ein Herstellverfahren für einen solchen Kappenring.
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Kappenringe werden als Teil für elektrische Maschinen, insbesondere Turbogeneratoren als Teil eines Dampf- bzw. Gasturbosatzes, benötigt. In Generatoren verlaufen die Wicklungen im Rotor in Längsnuten und treten an den jeweiligen Enden aus den Nuten aus und bilden dort den so genannten Wicklungskopf. Damit sich die am Wicklungskopf vorliegenden Wicklungen unter den starken Zentrifugalkräften, die beim Betrieb des Generators auftreten, nicht ungewollt lösen und Schaden anrichten, werden diese mit den Kappenringen abgedeckt. Der Kappenring hält also die Wicklungen im Bereich des Wicklungskopfes zurück und sorgt so für einen störungsfreien Betrieb des Generators. Der Kappenring kann dabei auf die Rotorwelle aufgeschrumpft sein, wobei alternativ oder zusätzlich Einrichtungen als Verdreh- und/oder Verschiebesicherung zum Einsatz kommen können.
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Kappenringe sind eines der höchstbeanspruchten und sicherheitskritischsten Teile eines Generators, deren Ausfall zu teuren Schadensfällen und auch Personenschäden führen kann. Deswegen werden an das Herstellverfahren und den Werkstoff für Kappenringe hohe Anforderungen gestellt. Der Werkstoff soll dabei eine ausreichend hohe Streckgrenze, hochwarmfeste Eigenschaften und einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen.
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Dem Fachmann sind Funktion und Aussehen von Kappenringen gut bekannt.
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Aus dem Stand der Technik, etwa aus der Patentanmeldung
DE 1 227 491 A1 , sind Kappenringe bekannt, die aus einem austenitischen unmagnetisierbaren Stahl, etwa einem Stahl mit einer Zusammensetzung von etwa 0,3 bis 0,4% Kohlenstoff, 18% Mangan und 1 bis 3% Kupfer, bestehen. Dort wird beschrieben, dass Kappenringe zur Erhöhung ihrer Festigkeit einer Kaltverformung unterzogen werden, wodurch sich die Versetzungsdichte erhöht, was dem Stahl eine höhere Härte, Festigkeit, vor Allem auch Warmfestigkeit, gibt. Durch das Kaltverformen entstehen aber Spannungsrisse, die im Betrieb zu Spannungsrisskorrosion führen können. Es wird deshalb dort vorgeschlagen, den Kappenring zumindest im Bereich seiner Stirnflächen mit einem Verfahren zum Einbringen von Druckeigenspannungen (z. B. Kugelstrahlen, Rollen) zu behandeln, um so einer Rissausbreitung im Betrieb vorzubeugen. Die Höhe der Druckeigenspannungen soll dabei so gewählt werden, dass diese unter der Betriebsbeanspruchung noch teilweise erhalten bleiben.
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Ferner sind Kappenringe aus einem hochstickstoffhaltigen austenitischen Manganstahl, nämlich dem X5CrMnN18-18, bekannt, wobei dieser Werkstoff einen Mangangehalt von etwa 18 Gew.-%, einen Chromgehalt von etwa 18 Gew.-%, einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,8 Gew.-%, einen Nickelgehalt von lediglich 0,4 Gew.-% und der Stickstoffgehalt etwa 0,5 Gew.-% beträgt, aufweist. Dieser Werkstoff wird in der
WO 2006 027 091 A1 offenbart. Für die Herstellung von Kappenringen wird dieser Stahl massiver Kaltumformung unterzogen, wodurch die Streckgrenze stark zunimmt. Das Kaltumformen ist jedoch ein sehr aufwändiger und energieintensiver Vorgang und es werden viele Spannungsrisse im Material erzeugt. Anschließend wird der Kappenring-Rohling dort abgeschreckt und für eine bestimmte Zeitdauer lösungsgeglüht und dann bei einer Temperatur im Bereich von 500–750°C ausgelagert, wodurch die Streckgrenze wieder sinkt, aber die Zähigkeit zunimmt. Nach dem Auslagern hat der Stahl eine Festigkeit von maximal 750 MPa.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Herstellverfahren für einen Kappenring für elektrische Maschinen bereitzustellen, das in Bezug auf die Festigkeit verbesserte Kappenringe bereitstellt, dabei aber günstig und einfach auszuführen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Herstellverfahren für einen Kappenring für elektrische Maschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, einen verbesserten Kappenring für elektrische Maschinen bereitzustellen, der eine in Bezug auf die aus dem Stand der Technik bekannten Kappenringe verbesserte Spannungsrisskorrosions-Beständigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kappenring für elektrische Maschinen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
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Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Herstellverfahrens für einen Kappenring für elektrische Maschinen aus einem austenitischen Nickel-Chrom-Titan-Stahl mit einer Zusammensetzung, die 0 bis 0,07 Gew.-% C, 0 bis 1,0 Gew.-% Si, 0 bis 2,0 Gew.-% Mn, 0 bis 0,02 Gew.-% P, 0 bis 0,008 Gew.-% S, 15,0 bis 16,0 Gew.-% Cr, 1,20 bis 1,50 Gew.-% Mo, 26,0 bis 27,0 Gew.-% Ni, 0 bis 0,35 Gew.-% Al, 0,003 bis 0,010 Gew.-% B, 2,10 bis 2,30 Gew.-% Ti, 0,10 bis 0,50 Gew.-% V, und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält.
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Das Verfahren umfasst die Schritte:
- a) Bereitstellen und Erhitzen eines schmiedbaren Kappenring-Rohlings aus dem austenitischen Nickel-Chrom-Titan-Stahl,
- b) Walzen des erhitzten Kappenring-Rohlings unter beginnendem erkalten Lassen bis zum unteren Umformtemperaturbereich,
- c) Abschrecken des Kappenring-Rohlings unmittelbar aus dieser Temperatur,
- d) Langzeitauslagern des Kappenring-Rohlings,
- e) Abkühlen des Kappenring-Rohlings,
- f) Spanend Endbearbeiten des Kappenring-Rohlings,
danach Erhalten des Kappenrings.
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In dem Herstellverfahren wird erfindungsgemäß kein Lösungsglühen ausgeführt.
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Bei dem beschriebenen Herstellverfahren wird im Gegensatz zu bekannten Herstellverfahren für Kappenringe aus austenitischem Stahl der Kappenring-Rohling direkt nach dem Walzen oder Ringwalzen abgeschreckt, wohingegen der Kappenring-Rohling bei bekannten Herstellverfahren direkt oder nach Erkalten lösungsgeglüht wird. Dies trägt dazu bei, dass ein mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren hergestellter Kappenring über eine höhere Streckgrenze, respektive 0,2%-Dehngrenze, verfügt, was vorteilhaft ist, da ein durch das beschriebene Herstellverfahren hergestellter Kappenring bei gleicher mechanischer Belastbarkeit dünnwandiger ausgeführt werden kann, wodurch bei einer elektrischen Maschine bei gleicher Baugröße höhere Leistungsdichten möglich sind. Ferner wird der Kappenring-Rohling bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht kalt umgeformt, sondern warm-in-kalt umgeformt, wodurch die nötigen Umformkräfte signifikant gesenkt werden können, was auch zu einer Energieeinsparung beiträgt. Darüber hinaus wird ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Kappenring, entgegen bekannten Herstellverfahren für Kappenringe, nicht lösungsgeglüht, da dies aufgrund der warm-in-kalt durchgeführten Umformung nicht notwendig ist. Dadurch kann eine noch weitergehende Energieeinsparung erzielt werden, was die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kappenringe sehr kostengünstig herstellbar macht.
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Der vergleichsweise hohe Nickelgehalt des Nickel-Chrom-Titan-Stahls dient dazu, das Austenitgebiet aufzuweiten, d. h., Nickel fungiert hier als Austenitbildner.
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Der beschriebene Nickel-Chrom-Titan-Stahl weist aufgrund seines vergleichsweise hohen Nickelgehalts eine dem bekannten Manganausteniten (X5CrMnN18-18) überlegene Spannungsrisskorrosions-Beständigkeit, eine höhere Festigkeit und Streckgrenze und eine aufgrund des zulegierten Titans eine verbesserte Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit sehr guten Ergebnissen mit Kappenring-Rohlingen aus Nickel-Chrom-Titan-Stahl mit einer Zusammensetzung, die
0 bis 0,05 Gew.-% C,
0,10 bis 0,25 Gew.-% Si,
1,0 bis 1,5 Gew.-% Mn,
0,01 bis 0,02 Gew.-% P,
0 bis 0,003 Gew.-% S,
15,0 bis 15,5 Gew.-% Cr,
1,20 bis 1,30 Gew.-% Mo,
26,0 bis 26,5 Gew.-% Ni,
0,10 bis 0,25 Gew.-% Al,
0,003 bis 0,005 Gew.-% B,
2,2 bis 2,30 Gew.-% Ti,
0,20 bis 0,30 Gew.-% V,
und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält, durchgeführt werden.
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Der enger spezifizierte Titangehalt kann hierbei dazu beitragen, dass mehr Ausscheidungen gebildet werden, die zur Erreichung der hohen Festigkeit beitragen.
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Ferner kann der Kappenring-Rohling in Schritt a) auf eine Temperatur in einem Bereich von 900°C bis 1150°C, bevorzugt von 950°C bis 1100°C, erhitzt werden, wodurch dieser schmiedbar wird. Der genaue Temperaturbereich ist von der eingesetzten Stahlsorte abhängig und liegt bei Verwendung des X5NiCrTi2615 im Bereich von 950°C bis 1.100°C.
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Des Weiteren kann bzw. wird üblicher Weise das Abschrecken des Kappenring-Rohlings im Schritt c) in Wasser erfolgen, wodurch eine hinreichend hohe Abkühlrate erreichbar ist. Die Abkühlrate sollte jedoch nicht zu klein gewählt werden. Durch das erfindungsgemäße Umformen entstehen Spannungen im Material, die die Entstehung von Ausscheidungen auf günstige Weise anstoßen.
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Ferner kann das Langzeitauslagern in Schritt d) bei einer Temperatur in einem Bereich von 700°C bis 740°C, wobei 710°C bis 730°C vorteilhaft sind, durchgeführt werden. Die Zeitdauer kann dabei im Bereich von 10 h bis 30 h, vorteilhaft 24 h bis 28 h, vorteilhafter 25 h bis 27 h, liegen, wobei das Langzeitauslagern erfindungsgemäß an der Luft erfolgt. Natürlich kann grundsätzlich auch länger als 30 Stunden ausgelagert werden. Ferner kann das Auslagern wiederholt erfolgen, was sich festigkeitserhöhend auswirkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit Kappenring-Rohlingen mit einer Wandstärke von 30 mm bis 60 mm, auch im Bereich 50 mm bis 60 mm, sogar im Bereich von 50 mm bis 55 mm durchgeführt werden.
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Für Kappenring-Rohlinge in diesem Wandstärken-Bereich konnte nachgewiesen werden, dass die vorbestimmten Temperaturgradienten, vor allem die vorbestimmte Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken erreicht werden können. Natürlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Kappenringe mit einer noch größeren Wandstärke hergestellt werden, wobei allerdings die notwendigen Umformkräfte und Spanndurchmesser zu beachten sind. Letztlich werden der Durchmesser und die Wandstärke jedoch stärker durch die zur Verfügung stehende Fertigungstechnik begrenzt als durch erreichbare Temperaturgradienten. Das erfindungsgemäße Herstellverfahren ist grundsätzlich für verschiedene Arten von Kappenringen anwendbar.
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Darüber hinaus wird ein Kappenring für elektrische Maschinen offenbart, der durch das erfindungsgemäße Herstellverfahren hergestellt wird.
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Ein Kappenring, der durch das erfindungsgemäße Herstellverfahren mit dem beschriebenen Werkstoff hergestellt wurde, kann durch die höhere Festigkeit des beschriebenen ausscheidungsgehärteten austenitischen Stahls kompakter, d. h. mit geringeren Wandstärken, gebaut werden, was den Bau von kompakteren und gleichzeitig leistungsfähigeren elektrischen Maschinen mit einer geringeren Gesamtmasse ermöglicht. Zudem weist der erfindungsgemäße Kappenring eine verbesserte Spannungsrisskorrosions-Beständigkeit gegenüber einem Kappenring auf, der dem in der
DE 1 227 491 A1 offenbarten entspricht. Kappenringe mit dieser Zusammensetzung, die auch mit X5NiCrTi2615 bezeichnet wird, wurden erfolgreich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den beschriebenen Verfahrensparametern hergestellt. Dieser Stahl hat gegenüber anderen ausscheidungsgehärteten austenitischen Stählen mit einem geringeren Nickelgehalt den Vorteil, dass ein daraus herzustellender Kappenring zur Erreichung der notwendigen Festigkeitswerte nicht kalt aufgeweitet werden muss.
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Ferner kann der Kappenring vorteilhaft aus einem ausscheidungsgehärteten Nickel-Chrom-Titan-Stahl bestehen, der eine Zusammensetzung hat, die
0 bis 0,05 Gew.-% C,
0,10 bis 0,25 Gew.-% Si,
1,0 bis 1,5 Gew.-% Mn,
0,01 bis 0,02 Gew.-% P,
0 bis 0,003 Gew.-% S,
15,0 bis 15,5 Gew.-% Cr,
1,20 bis 1,30 Gew.-% Mo,
26,0 bis 26,5 Gew.-% Ni,
0,10 bis 0,25 Gew.-% Al,
0,003 bis 0,005 Gew.-% B,
2,2 bis 2,30 Gew.-% Ti,
0,20 bis 0,30 Gew.-% V,
und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält.
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Der enger spezifizierte Titangehalt kann hierbei dazu beitragen, dass mehr Ausscheidungen gebildet werden, die zur Erreichung der hohen Festigkeit beitragen.
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Bei den erfindungsgemäß hergestellten Kappenringen beträgt die 0,2%-Dehngrenze 835 N/mm2 oder darüber hinaus und die Zugfestigkeit hat einen Wert von 960 N/mm2 oder darüber hinaus.
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Eine höhere 0,2%-Dehngrenze als die angegebene ist wünschenswert, wobei das Streckgrenzenverhältnis nicht zu hoch liegen soll, damit der Kappenring bei einem Defekt nicht spontan versagt, sondern die elektrische Maschine im Notfall noch (unter plastischer Verformung des Kappenrings) notabgeschaltet werden kann.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Verfahrens bzw. des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es zeigen:
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1a eine perspektivische Seitenansicht auf einen Kappenring,
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1b eine Draufsicht auf einen Kappenring.
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Der in 1a und 1b gezeigte Kappenring 1 hat eine Wandstärke von 50 mm, wie sich aus den angezeigten Innen- und Außendurchmessern Di und Da ergibt. Er ist aus einem Rohling aus dem austenitischem Nickel-Chrom-Titan-Stahl mit der Zusammensetzung gefertigt, die 0 bis 0,05 Gew.-% C, 0,10 bis 0,25 Gew.-% Si, 1,0 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,01 bis 0,02 Gew.-% P, 0 bis 0,003 Gew.-% S, 15,0 bis 15,5 Gew.-% Cr, 1,20 bis 1,30 Gew.-% Mo, 26,0 bis 26,5 Gew.-% Ni, 0,10 bis 0,25 Gew.-% Al, 0,003 bis 0,005 Gew.-% B, 2,2 bis 2,30 Gew.-% Ti, 0,20 bis 0,30 Gew.-% V und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Fe enthält. Der Rohling wurde zunächst auf eine Temperatur von 1.150°C erhitzt und dann von heiß nach kalt bis zur unteren Umformtemperatur gewalzt; anschließend erfolgte Abschrecken in Wasser. Danach wurde der abgeschreckte Kappenring-Rohling 27 h lang bei 720°C langzeitausgelagert. Nach dem erfolgten Abkühlen des Kappenring-Rohlings, respektive des Kappenrings 1, wurde dieser durch spanendes Endbearbeiten auf Endmaß gebracht.
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Für Kappenring-Rohlinge in diesem Wandstärken-Bereich konnte nachgewiesen werden, dass die vorbestimmten Temperaturgradienten, vor allem die vorbestimmte Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken in Wasser, erreicht werden können, und, dass die nötigen Umformkräfte aufgrund der Umformung warm-in-kalt problemlos erzeugt werden können.
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Überraschend konnte so vorteilhaft ein beispielhafter Kappenring-Rohling 1 erhalten werden, dessen Material eine 0,2%-Dehngrenze von 880 N/mm2 und eine Zugfestigkeit von 1.095 N/mm2, sowie eine Härte von 330 HB aufwies. Damit wurde ein Kappenring 1 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschaffen, der eine im Vergleich zu Kappenringen bekannter Fertigungsweise und gleichen Abmaßen verbesserte Spannungsrisskorrosions-Beständigkeit und verbesserte Festigkeitswerte sowie Härte zeigte. Die Dichte des Werkstoffs für den Kappenring betrug dabei 7,95 g/cm3.
