馬氏體合金構(gòu)件和形成馬氏體合金構(gòu)件的工藝的制作方法
【專利摘要】一種鎳-鉻減少的合金構(gòu)件，其按重量計(jì)具有大約0.38％至大約0.43％的C、大約0.15％至大約0.30％的Si、大約1.00％至大約1.25％的Mn、大約0.75％至大約0.90％的Ni、大約1.00％至大約1.30％的Cr、大約0.25％至大約0.35％的Mo、大約0.05％至大約0.12％的V、高達(dá)大約0.015％的S、高達(dá)大約0.015％的P、高達(dá)大約015％的Cu，以及余量的鐵和攜帶的雜質(zhì)。構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大于大約10英寸的理想直徑的淬透性。
【專利說明】馬氏體合金構(gòu)件和形成馬氏體合金構(gòu)件的工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及馬氏體合金、包括馬氏體合金的物品，以及形成合金的工藝。更具體地，本發(fā)明涉及一種鎳-鉻減少的馬氏體合金和形成鎳-鉻減少的馬氏體合僉的工藝。

【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力渦輪機(jī)暴露于來自風(fēng)的顯著操作應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)力以及多個(gè)葉片的重量。操作應(yīng)力通常被帶有取決于地理位置的極限的環(huán)境溫度放大。用于風(fēng)力渦輪機(jī)的構(gòu)件的材料必須能夠在整個(gè)溫度范圍內(nèi)承受操作應(yīng)力和應(yīng)變。
[0003]風(fēng)力渦輪機(jī)具有主軸，其將功率從轉(zhuǎn)子傳輸至發(fā)生器。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)將它們的輸出從1.5和2.5兆瓦(MW)增加至3，4，5和6MW時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)傳動(dòng)軸的尺寸和所需性能增加。此外，來自齒輪箱構(gòu)件(諸如行星齒輪運(yùn)載器)的載荷典型地對(duì)于常規(guī)球墨鑄鐵等級(jí)(鐵素體/珠光體等級(jí))而言太高。鑄造/淬火鋼是齒輪箱構(gòu)件和具有大于3噸的尺寸的傳動(dòng)軸的選擇材料。該軸典型地由鋼鍛造機(jī)加工而成。軸的材料通常為具有關(guān)鍵的疲勞特性的、淬火回火的高強(qiáng)度低合金鋼。目前用于這些大型風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)件的常用合金為34CrNiMo6鋼。鎳和鉻提供合金的合乎需要的淬透性。雖然34CrNiMo6鋼提供了期望的淬透性和裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變溫度(FATT)，但在34CrNiMo6鋼中使用的鎳和鉻為昂貴的，從而提高了風(fēng)力渦輪機(jī)和更換軸的價(jià)格。
[0004]用于風(fēng)力渦輪機(jī)構(gòu)件的期望特征是_40°C (-40° F)的FATT。FATT為材料的斷裂面為50%的低能量脆性開裂和50%的高能量韌性纖維時(shí)的溫度。材料的組分以及形成和熱處理材料的工藝兩者影響FATT。FATT為重要的，因?yàn)槠浯泶嘈詳嗔言谄渲蠈⒉话l(fā)生的溫度。FATT越低，材料的韌性越好。
[0005]馬氏體不銹鋼(諸如34CrNiMo6鋼)具有卓越的強(qiáng)度，低的脆韌轉(zhuǎn)變溫度，并且厚區(qū)段中的良好淬透性已經(jīng)長期用作渦輪軸材料。減少合金中的Ni和Cr的量降低了淬透性，這減少形成在材料中的馬氏體的量。減少馬氏體的量具有升高材料的FATT的不合乎需要的結(jié)果。
[0006]馬氏體合金和形成廉價(jià)馬氏體合金的方法將在本領(lǐng)域中為合乎需要的，該廉價(jià)馬氏體合金具有減少量的鎳和鉻，并且不遭受以上缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在本公開的示例性實(shí)施例中，一種馬氏體合金構(gòu)件按重量計(jì)包括:
[0008]大約0.38 %至大約0.43 %的C ;
[0009]大約0.15%至大約 0.30%的 Si ;
[0010]大約1.00%至大約 1.25% 的 Mn ;
[0011]大約0.75% 至大約 0.90% 的 Ni ;
[0012]大約1.00%至大約 1.30%的 Cr ;
[0013]大約0.25% 至大約 0.35% 的 Mo ;
[0014]大約0.05%至大約0.12%的V;
[0015]高達(dá)大約0.015%的S ;
[0016]高達(dá)大約0.015%的P ;
[0017]高達(dá)大約0.15%的Cu ;以及
[0018]余量的鐵和附帶的雜質(zhì)。
[0019]構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大于大約10英寸(25.4cm)的理想直徑的淬透性。
[0020]在本公開的另一個(gè)實(shí)施例中，一種形成鎳-鉻減少的馬氏體合金構(gòu)件的方法包括鍛造鎳-鉻減少的合金構(gòu)件，其按重量計(jì)包括:
[0021 ]大約0.38 %至大約0.43 %的C ;
[0022]大約0.15%至大約 0.30%的 Si ;
[0023]大約1.00%至大約 1.25%的 Mn ;
[0024]大約0.75 % 至大約 0.90 % 的 Ni ;
[0025]大約1.00%至大約 1.30%的 Cr ;
[0026]大約0.25 % 至大約 0.35 % 的 Mo ;
[0027]大約0.05%至大約0.12%的V ;
[0028]高達(dá)大約0.015%的S ;
[0029]高達(dá)大約0.015%的P ;
[0030]高達(dá)大約0.15%的Cu ；以及
[0031]余量的鐵和附帶的雜質(zhì)。
[0032]在鍛造之后，鎳-鉻減少的馬氏體合金構(gòu)件被奧氏體化，淬火以及回火?；鼗鸬腻懺旌辖鹁哂袑?duì)應(yīng)于大于大約10英寸(25.4cm)的理想直徑的淬透性。
[0033]一種馬氏體合金構(gòu)件，按重量計(jì)包括:大約0.38%至大約0.43%的C ;大約0.15%至大約0.30%的Si ;大約1.00%至大約1.25%的Mn ;大約0.75%至大約0.90%的Ni ;大約1.00%至大約1.30%的Cr ;大約0.25%至大約0.35%的Mo ;大約0.05%至大約0.12%的V;高達(dá)大約0.015%的S ;高達(dá)大約0.015%的P ;高達(dá)大約0.15%的Cu;以及余量的鐵和附帶的雜質(zhì)；其中，構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大于大約10英寸的理想直徑的淬透性。
[0034]優(yōu)選地，構(gòu)件包括大約1.05至大約1.25%的Mn。
[0035]優(yōu)選地，構(gòu)件包括大約1.15%的Mn。
[0036]優(yōu)選地，構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于從大約10英寸至大約18英寸的理想直徑的淬透性。
[0037]優(yōu)選地，構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于從大約11英寸至大約12英寸的理想直徑的淬透性。
[0038]優(yōu)選地，構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大約11.4英寸的理想直徑的淬透性。
[0039]優(yōu)選地，構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于從大約13英寸至大約14英寸的理想直徑的淬透性。
[0040]優(yōu)選地，構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大約13.3英寸的理想直徑的淬透性。
[0041]優(yōu)選地，馬氏體合金構(gòu)件還包括低于_40°C的構(gòu)件的表面處的裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變溫度。
[0042]優(yōu)選地，馬氏體合金構(gòu)件還包括低于30°C的構(gòu)件的最大厚度處的裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變溫度。
[0043]優(yōu)選地，馬氏體合金構(gòu)件具有小于大約62 μ m的平均顆粒尺寸。
[0044]優(yōu)選地，馬氏體合金構(gòu)件具有大于大約650MPa的構(gòu)件的表面處的屈服強(qiáng)度。
[0045]優(yōu)選地，馬氏體合金構(gòu)件具有大約800MPa至大約100MPa之間的構(gòu)件的表面處的抗拉強(qiáng)度。
[0046]優(yōu)選地，構(gòu)件具有大于20英寸的厚度。
[0047]優(yōu)選地，構(gòu)件為風(fēng)力渦輪機(jī)軸。
[0048]優(yōu)選地，風(fēng)力渦輪機(jī)軸具有至少一個(gè)實(shí)心節(jié)段。
[0049]優(yōu)選地，風(fēng)力渦輪機(jī)軸具有至少一個(gè)中空節(jié)段。
[0050]一種形成馬氏體合金構(gòu)件的工藝，工藝包括:鍛造合金，合金按重量計(jì)包括:大約0.38%至大約0.43%的C ;大約0.15%至大約0.30%的Si ;大約1.00%至大約1.25%的Mn ;大約0.75%至大約0.90%的Ni ;大約1.00%至大約1.30%的Cr ;大約0.25%至大約
0.35%的Mo ;大約0.05%至大約0.12%的V ;高達(dá)大約0.015%的S ;高達(dá)大約0.015%的P ;高達(dá)大約0.15%的Cu ;以及余量的鐵和附帶的雜質(zhì)；對(duì)鍛造的合金進(jìn)行奧氏體化；對(duì)奧氏體化的合金進(jìn)行淬火；以及對(duì)淬火的合金進(jìn)行回火；其中，構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大于大約10英寸的理想直徑的淬透性。
[0051]優(yōu)選地,構(gòu)件具有大于20英寸的厚度。
[0052]優(yōu)選地，構(gòu)件是風(fēng)力渦輪機(jī)軸。
[0053]從結(jié)合附圖進(jìn)行的優(yōu)選實(shí)施例的以下更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將為顯而易見的，該附圖經(jīng)由實(shí)例示出本發(fā)明的原理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0054]圖1為包括多個(gè)節(jié)段的軸的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
提供具有多個(gè)預(yù)定特性的示例性鎳-鉻減少的合金構(gòu)件，和形成具有多個(gè)預(yù)定特性的鎳-鉻減少的合金構(gòu)件的工藝。與不利用本文公開的一個(gè)或更多個(gè)特征的方法和產(chǎn)品相t匕，本公開的實(shí)施例減少鎳百分比，減少鉻百分比，增加碳百分比，增加錳百分比，降低材料成本，維持或增加馬氏體百分比，維持或降低裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變溫度(FATT)，或它們的組合。
[0055]在一個(gè)實(shí)施例中，本公開包括用于由馬氏體合金生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)的主軸的工藝，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明也非常適合于由馬氏體合金組分生產(chǎn)各種各樣的構(gòu)件。其它非限制性的實(shí)例包括汽車構(gòu)件，諸如渦輪軸、輪軸，以及用于能源、汽車、鐵路、建筑、采礦和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的各種其它構(gòu)件。此類構(gòu)件在本領(lǐng)域中是公知的，并且因此不需要進(jìn)一步描述。
[0056] 參照?qǐng)D1，軸100表示為具有管狀形狀，其中，凸緣形成在一個(gè)端部處，但可認(rèn)識(shí)到，圖1僅是示意性表示，并且軸100的不同構(gòu)造也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。雖然圖1中示出的軸100包括多個(gè)節(jié)段，但是軸100還可由整體件形成。軸100可為實(shí)心或中空的，或?qū)嵭暮椭锌諛?gòu)件的組合。軸100具有關(guān)于軸100的旋轉(zhuǎn)的縱向軸線的軸對(duì)稱幾何形狀。對(duì)于在風(fēng)力渦輪機(jī)10中使用，主軸100將具有超過20英寸(大約50cm)的外徑，并且更典型地超過24英寸(大約60cm)，其中典型范圍為大約25至60英寸(大約63至大約152cm)，但是更小或更大直徑也是可預(yù)見的。軸100的其它方面(包括風(fēng)力渦輪機(jī)中的其安裝和風(fēng)力渦輪機(jī)的操作)另外在本領(lǐng)域中為已知的，并且因此將不在此處詳細(xì)討論。
[0057]根據(jù)本公開的馬氏體合金包括表1中所示的組分:
[0058]表1

【權(quán)利要求】
1.一種馬氏體合金構(gòu)件，按重量計(jì)包括: 大約0.38 %至大約0.43 %的C ; 大約0.15%至大約0.30%的Si ； 大約1.00%至大約1.25%的Mn; 大約0.75 %至大約0.90 %的Ni ; 大約1.00%至大約1.30%的Cr ； 大約0.25 %至大約0.35 %的Mo ; 大約0.05%至大約0.12%的V ; 高達(dá)大約0.015%的S ; 高達(dá)大約0.015%的P ; 高達(dá)大約0.15%的Cu ;以及 余量的鐵和附帶的雜質(zhì)； 其中，所述構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大于大約10英寸的理想直徑的淬透性。
2.如權(quán)利要求1所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件包括大約1.05至大約1.25% 的 Mn。
3.如權(quán)利要求1所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件包括大約1.15%的Mn。
4.如權(quán)利要求1所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于從大約10英寸至大約18英寸的理想直徑的淬透性。
5.如權(quán)利要求2所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于從大約11英寸至大約12英寸的理想直徑的淬透性。
6.如權(quán)利要求3所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大約11.4英寸的理想直徑的淬透性。
7.如權(quán)利要求2所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于從大約13英寸至大約14英寸的理想直徑的淬透性。
8.如權(quán)利要求5所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，所述構(gòu)件具有對(duì)應(yīng)于大約13.3英寸的理想直徑的淬透性。
9.如權(quán)利要求1所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，還包括低于_40°C的所述構(gòu)件的表面處的裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變溫度。
10.如權(quán)利要求1所述的馬氏體合金構(gòu)件，其特征在于，還包括低于30°C的所述構(gòu)件的最大厚度處的裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變溫度。
【文檔編號(hào)】C22C38/46GK104178699SQ201410245624
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】J·里奇, T·F·馬卡, J·R·伍德 申請(qǐng)人:通用電氣公司