[发明专利]由奥氏体回火的延性铁合金生产大型部件的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及从延性铁合金生产部件。更具体地，本发明涉及能够生产由延性铁合金铸造的相对大型的部件的方法，其中该部件展示出期望的强度和韧性的组合，例如，适合用于风力涡轮机的主轴。

背景技术

图1示意性地呈现了风力涡轮机10，其通常包括转子叶片组件12，转子叶片组件12包括从轮毂16径向延伸的多个叶片14。轮毂16典型地安装在图2中示意性地呈现的主轴18上，其形成连接到发电机上的传动系的一部分。主轴18、传动系以及发电机都容纳在安装在塔架22上的机舱20内。取决于涡轮机10的尺寸，主轴18可能非常大，且主凸缘直径为大约135厘米或更大。因为主轴18必须在寒冷气候中运行且承受由叶片14上的风的作用导致的大量弯曲和扭矩，轴18受益于具有强度和韧性的平衡。

已经考虑并使用了各种合金来生产由主轴18所代表类型的大型轴。作为示例，在风力涡轮机应用中常使用锻钢用于主轴。由于它们的强度、韧性和可机械加工性，延性铁(球墨铸铁)合金也被用于生产风力涡轮机主轴。用于这些轴的典型的生产方法包括常规的砂型铸造。然而，这些主轴典型地具有小于十五厘米的截面厚度，并且不面临更新的风力涡轮机设计的苛刻服务要求。由于风力涡轮机应用需要更大的主轴，它们对于强度和韧性的设计要求已经超出了常规延性铁合金的能力。

奥氏体回火是在铁合金上执行以增加强度和韧性的热处理工艺。合金被加热至奥氏体状态，且然后以足够快的速度被冷却至奥氏体回火温度以避免形成珠光体。例如，奥氏体化步骤可能需要将铸件加热至大约1500°F到大约1800°F(大约815℃到大约980℃)的温度，且然后将铸件保持在该温度足以完全使奥氏体浸透碳的时间，以产生奥氏体的单相基质微结构(面心立方(FCC)相，或伽马(γ)铁)，其具有由奥氏体化温度的选择决定的恒定碳含量。之后，铸件经历直接淬火到奥氏体回火温度。在中间温度下执行奥氏体回火，典型地大约450°F到大约750°F(大约230℃到大约400℃)，最经常地在改性盐浴中进行，并保持在奥氏体回火温度下足够的时间，以产生期望的结构性转变并生成用大约百分之二的碳稳定的铁素体和奥氏体的基质。奥氏体回火温度高于马氏体起始温度并因而避免了形成马氏体。

由奥氏体回火产生的微结构取决于合金的特定成分。在包括延性铁合金的铸铁中，微结构包含奥氏铁素体，它是由可延展、高碳稳定的奥氏体基质中的细针状铁素体构成的两相显微结构成分。显而易见的是，奥氏铁素体是在用于各种应用中的奥氏体回火的延性铁(ADI)中可获得的期望特性的原因。例如，美国专利No.4,484,953，4,880,477，5,028,281和5,139,579公开了奥氏体回火的延性铁合金以及用于它们的使用的应用，包括用于内燃机的凸轮轴。

然而，对于成功地对延性铁合金进行奥氏体回火存在某些先决条件。在铸造操作之后但在奥氏体回火之前，对于共晶团边界(其为铸造的残留区域)应该有最少的化学显微偏析，且应该存在足够的石墨球数(例如，大于100个球每mm²)。一旦凝固完成，不能满足这些标准使得难以或者不可能获得完全为奥氏铁素体的基质，且结果是铸件的一些区域在固态奥氏体回火热处理期间形成不期望的相。类似于钢的热处理，镍、钼、锰和铜的合金添加常与延性铁一起采用以调整转变反应速率，从而允许奥氏体回火处理期间的彻底硬化。然而，诸如钼和锰的元素在固化期间对晶界强烈偏析，尤其在固化时间长且化学分隔高的厚截面中。一旦固化完成，延性铁中的石墨结构基本上凝结，并且在固态的冷却期间不发生尺寸、形状和石墨分布上的大的变化。

不幸的是，随着延性铁铸件的日益增长的截面厚度，延性铁中固化性能的主要方面决定了化学偏析程度的增加和石墨球数的减少。结果是奥氏体回火热处理期间不完全的微结构转变和不足的奥氏体碳富集，从而导致在残留区域中在冷却到室温时形成包括马氏体的极其易碎的相。此外，由于从奥氏体化温度到奥氏体回火温度的不充分冷却，在大的截面中形成珠光体。诸如淬火介质、铁化学特性以及球数等因素决定所需的重要冷却速率。因此，具有大于大约2.5英寸(大约6.4cm)截面厚度的延性铁铸件的彻底硬化通过奥氏体回火是难以达成的，且奥氏体回火的延性铁铸件限于具有相对薄的截面的部件，诸如前述现有技术的凸轮轴，而具有对于风力涡轮机的主轴所需尺寸的较大延性铁铸件的奥氏体回火在产生主要为奥氏铁素体且基本没有易碎相和珠光体的基质方面并不成功。如本文所用，“主要为奥氏铁素体”意味着基质中奥氏铁素体的含量按体积超过85％，而“基本没有”意味着含量按体积少于5％。

发明内容