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Verwendung eines Stahls" Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung
eines Stahls mit 0,01 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,05 bis 1,0% Silizium, 0,2 bis 2,5%
Mangan, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
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Großbauteile wie schwere Turbinenläufer und Generatorwellen unterliegen
im Betrieb einer außerordentlich starken Beanspruchung. So werden Turbinenläufer
im allgemeinen bei Temperaturen bis 6000C und Drücken bis 250 cb eingesetzt. Dies
stellt hohe Anforderungen an die betreffenden Werkstoffe, die noch dadurch erhöht
werden, daß die Entwicklung zu immer größeren Kraftwerkseinheiten, d.h.
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zu größeren Wellen und Läufern geht.
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Hochbeanspruchte umlaufende Bauteile wie Turbinenläufer und Generatorwellen
unterliegen einer mehrachsigen Beanspruchung; sie werden üblicherweise als Stahlgußstücke
oder Schmiedeteile hergestellt. Dabei muß das Werkstück infolge der hohen Fliehkraftbeanspruchung
aufgrund der heute üblichen hohen Drehzahlen bei ausreichender Zähigkeit eine hohe
Streckgrenze besitzen. Des weiteren gehört zu den Anforderungen an einen Läuferwerkstoff
insbesondere
im Hochdruckteil eine hohe Zeitstandfestigkeit und geringe Zeitstandversprödung
bei Temperaturen bis 6000C, eine niedrige Übergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeit
und eine hohe Sprödbruchsicherheit bzw.
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Anlaßbeständigkeit. Hinzu kommt bei Generatorwellen eine möglichst
hohe magnetische Induktion.
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Großbauteile der vorerwähnten Art für besondere Verwendungszwecke
werden üblicherweise aus - niedriglegierten Nickel-Chrom-Molybdän-Stahllegierungen
hergestellt, die zum Teil auch noch Vanadin enthalten können. Bekannt ist beispielsweise
die Stahllegierung 21-CrMONiV 4 7 mit 0,17 bis 0,25% Kohlenstoff, 0,90 bis 1,20%
Chrom, 0,60 bis 0,80% Molybdän, 0,50 bis 0,80% Nickel, 0,25 bis 0,35% Vanadin, bis
0,40% Silizium, 0,35 bis 0,15% Mangan, bis 0,035ovo Phosphor und bis 0,035% Schwefel,
Rest Eisen.
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Zu den Stahllegierungen mit höherem Kohlenstoff-, Chrom- und Nickelgehalt
gehört die bekannte-vanadinfreie Stahllegierung 34 CrNiMO 6 mit
0,30
bis 0,38% Kohlenstoff, 1,40 bis 1,70% Chrom, 0,15 bis 0,30% Molybdän, 1,40 bis 1,70%
Nickel, bis 0,40% Silizium, 0,40 bis 0,70% Mangan, bis 0,035% Phosphor, bis 0,035%
Schwefel, Rest Eisen.
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Die vorerwähnten Eigenschaften lassen sich mit den bekannte Legierungen
nur durch ein Vergüten erreichen, das üblicherweise aus einem Austenitisierungsglühen
mit anschließendem Öl- und Wasserabschrecken auf Temperaturen unter 6000C oder auch
unter 3000 c sowie einem langzeitigen Halten bei diesen Temperaturen mit anschließender
geregelter Abkühlung sowie einem anschließenden Anlassen besteht. Aus diesem Grunde
müssen herkömmliche Werkstoffe eine geringe Anlaßsprödigkeit und insbesondere eine
gute Durchvergütbarkeit besitzen, um ein möglichst gleichmäßiges Gefüge über den
Querschnitt zu erreichen.
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Der Erfolg einer Vergütungsbehandlung hängt jedoch in erster Linie
vom Durchmesser und der dadurch bedingten unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeit
beim Abschrecken und selbstverständlich auch von der Legierungszusammensetzung ab.
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Allen Werkstoffen ist jedoch der Nachteil gemeinsam, daß ihre Durchvergütbarkeit
bei größeren Durchmessern insbesondere bei Durchmessern über 1200 mm unzureichend
ist und sich demzufolge zwischen Rand und Kern unterschiedliche mechanische Eigenschaften
ergeben. Dies
äußert sich insbesondere in einer der charakteristischste
Eigenschaften, nämlich der Übergangstemperatur der Kerbschlagzähigkeit, die möglichst
niedrig liegen soll, jedoch in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und
dem Wellendurchmesser auch in günstigsten Fällen häufig Unterschiede über 1000C
zwischen Rand und Kern aufweist.
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Die vorerwähnten Schwierigkeiten sind umso größer, äe niedriger der
Kohlenstoffgehalt ist. Einer Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes steht jedoch die Tatsache
entgegen, daß höhere Kohlenstoffgehalte unabhängig vom å jeweiligen Gefüge zu einer
Erhöhung der Übergangstemperatur führen. Speziell bei Legierungen für Generatorwellen
kommt noch hinzu, daß diese eine hohe magnetische Induktion besitzen müssen, die
åedoch eine Funktion der chemischen Zusammensetzung, des Gefüges und der Festigkeit
ist. Dabei bewirken sämtliche Legierungsbestandteile mit Ausnahme des Kobalts eine
Erniedrigung der magnetischen Sättigung und Permeabilität, wobei die Beeinträchtigung
durch den Kohlenstoff etwa zehnmal so groß ist wie bei den anderen Legierungsbestandteilen.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Stahllegierungen besteht darin,
daß der Kohlenstoff und die Legierungsmittel beim Erstarren nach dem Blockgießen
zu einer erheblichen Seigerung, d.h. zu einer ungleichmäßigen chemischen Zusammensetzung
und einem inhomogenen Gefüge über die Blocklänge und den Blockquerschnitt führen.
Eine Kristallseigerung läßt sich zwar durch
ein nachfolgendes Ausgleichs-
bzw. Diffusionsglühen beseitigen; dies gilt jedoch nicht für die Blockseigerung,
so daß sich Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung und im Gefüge zwischen
Blockfuß und Blockkopf einerseits sowie zwischen Randzone und Blockkern andererseits
später nicht mehr beseitigen lassen.
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Dies führt zu einem erheblichen Kopf- und Fußverlust sowie dazu, daß
sich die durch das Gießen und die Blockerstarrung verursachten Unterschiede auch
im Schmiedestück bzw. Fertigteil wiederfinden. Derartige Unterschiede ergeben naturgemäß
auch unterschiedliche technologische Eigenschaften, so daß aus den herkömmlichen
Legierungen hergestellte Läufer und Wellen insbesondere über den Querschnitt unterschiedliche
Eigenschaften besitzen.
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Hinzu kommen die beim üblichen Blockguß unvermeidbaren nichtmetallischen
Einschlüsse und Lunker, die sich unfalls nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften
auswirken. Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Herstellung von Läufern und Wellen
als Einzelschmiedestllcke besteht in dem außerordentlichen Materialverlust durch
die mangelnde Verwertbarkeit des Blockkopfes und des Blockfußes aufgrund der negativen
Seigerung des Kohlenstoffs.
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Die vorerwähnten Schwierigkeiten haben dazu geführt, daß sich Werkstückdurchmesser
über etwa 1900 mm Kammhöhe bzw. Durchmesser und Blockgewichte über 300 t nicht mehr
beherrschen lassen. Im Hinblick auf größere Einheiten sind daher andere Überlegungen
angestellt worden; so ist beispielsweise schon in der deutschen
Patentschrift
859 171 ein Turbinenläufer beschrieben, der aus mehreren axial nebeneinanderliegenden
Platten beherrschbarer Größe besteht. Auf einem ähnlichen Prinzip beruht ein in
der deutschen Offenlegungsschrift 2 235 961 beschriebener Turbinenläufer aus axial
nebeneinanderliegenden und miteinander verschweißten Ringen. Solche mehrteiligen
Läufer bzw. Wellen lassen sich zwar aus verhältnismäßig homogenen Einzelteilen herstellen,
bringen jedoch neue Schwierigkeiten mit sich, die insbesondere aus der Notwendigkeit,
die einzelnen Teile durch Schweißen, Verspannen oder auch Aufschrumpfen miteinander
zu verbind; resultieren. Zusammengesetzte Läufer und Wellen haben sich daher auch
bei großen Einheiten bislang nicht durchsetzen können.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff vorzuschlagen,
der sich zum Herstellen ton Großbauteilen wie einteiligenTurbinenläufern und Generatorwellen
jeglichen Gewichts und beliebiger Abmessungen ohne eine Warmverformung oder Vergütung
eignet und ein Werkstück mit gleichmäßiger Zusammensetzung und homogenen Gefüge
in axialer und radialer Richtung ergibt. Die Erfindung beste demnach in dem Vorschlag,
die eingangs erwähnte Legierung als Werkstoff für Großbauteile wie einteilige Turbinenläufer
und Generatorwellen zu verwenden. Die einheitliche chemische Zusammensetzung und
das homogene Gefüge sind bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung durch
den geringen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,10% gewährleistet. Das Werkstück sollte
dabei
aus kleinsten Schmelzmengen aufgebaut werden, um auch von
dieser Seite her der Gefahr von Seigerungen und Lunkern entgegenzuwirken. Das Schmelzen
und Erstarren erfolgt dabei vorzugsweise unter einem Abdeckpulver.
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Außer den erwähnten Bestandteilen kann der vorgeschlagene Stahl bei
zweckentsprechender Verfahrensweise als Legierungsbestandteile noch jeweilsPsf0%Nickel
und/oder Chrom, bis 2,0% Molybdän, bis 1,0% Vanadin, bis 0,20% Tantal und/oder Niob,
bis 1,5% Kupfer und jeweils bis 0,50% Titan, Aluminium, Seltene Erden und Zirkonium
einzeln oder nebeneinander enthalten, um bestimmte Werkstoffeigenschaften, insbesondere
die Streckgrenze und Zähigkeit auf vorgegebene Werte einzustellen.
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Im Rahmen von Versuchen wurden mehrere Werkstücke durch elektrisches
Unterpulver-Abschmelzen eines Drahtes hergestellt; dabei ergab sich die aus der
nachfolgenden Tabelle I ersichtliche Analyse.
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Tabelle I Stahl C Si Mn Cr Ni Mo V (%) (%) (%) (%) (%) (%) 1 0.07
0.15 1.25 - - - -2 0.08 0.40 1.45 - - 0.45 -3 0.08 0.30 1.10 0.75 - 0.45 -4 0.07
0.30 1.50 0.15 1.50 0.50 -5 0.09 0.30 0.75 1.20 1.05 0.37 0.10 6 0.09 0.65 0.95
0.35 0.10 0.45 0.25 7 0.09 0.30 1.55 0.85 2.30 0.55 0.10 Die Untersuchung cvon kern-
und Randproben des nicht wärmebebandelten Werkstoffs ergab einen fehlerfreine Werkstoff
mit gleichmäßigem ferritisch-perlitischem Gefüge und den aus der nachfolgenden Tabelle
II ersichtlichen technologischen Eigenschaften.
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Tabelle II Stahl Streckgrenze Zugfestig- Dehnung Kerbschlagkeit zähigkeit
(N/mm²) (N/mm²) (%) (J/cm²) 1 406,0 530,0 30,0 222 2 501.0 620.0 25.2 160 3 495.0
610.0 24.0 150 4 575.0 680.0 24.0 145 5 625.0 700.0 20.5 110 6 740.0 800.0 20.4
84 7 970.0 1110.0 15.0 65
Die vorstehenden Daten zeigen, daß es
bei dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl möglich ist, bei Kohlenstoffgehalten
von maximal 0,10% und hoher Kerbschlagzähikeit von mindestens 65 J/cm² die Strckgrenze
zwischen 250 und 1000 N/mm² durch entsprechende Auswahl der Zusätze an Chrom, Nickel,
Molybdän und Vanadin einzustellen. Von entscheidender Bedeutung ist dabei,daß die
Schwankung der Streckgrenze über den Werkstückquerschnitt und die Werkstücklänge
vernachlässigbar klein ist. Der Werkstoff ist mithin selbst bei großen Werkstückdurchmessern
über 1900 mm und bei Stückgewichten über 300 t isotrop. Der niedrige Kohlenstoffgehalt
gewährleistet dabei eine hohe magnetische Induktion und niedrige Übergangszeit,
ohne daß es - wie bei den bekannten Legierungen - zu unterschiedlichen technologischen
Eigenschaften in radialer oder axialer Richtung kommt.