Componentes de hierro dúctil templado pesados.

Un eje de accionamiento de turbina eólica que comprende:

hierro dúctil templado de molde que contiene del 3,

0 al 3,8 por ciento en peso de carbono, del 1,9 al 2,8 por ciento enpeso de silicio, hasta el 0,3 por ciento en peso de manganeso, hasta el 0,8 por ciento en peso de cobre, hasta el 2,0 porciento en peso de níquel, hasta el 0,3 por ciento en peso de molibdeno, del 0,03 al 0,06 por 5 ciento en peso demagnesio, menos del 0,05 por ciento en peso de cromo, menos del 0,02 por ciento en peso de vanadio y menos del0,01 por ciento de azufre, hierro hasta el equilibrio e impurezas accidentales en el que el eje de accionamientocomprende una masa de más de aproximadamente 3 toneladas.

Componentes de hierro dúctil templado pesados Antecedentes de la invención La invención se refiere a ejes de accionamiento en turbinas eólicas fabricadas de hierro dúctil templado.

Las turbinas eólicas tienen un eje principal que transmite energía desde un rotor hasta un generador. Según las turbinas eólicas incrementan sus rendimientos desde 1, 5 y 2, 5 megawatios (MW) hasta 3, 4, 5, y 6 MW, se incrementan el tamaño y las propiedades requeridas del eje de accionamiento de turbina eólica. Además, los componentes de la caja de cambios de cargas, tales como transportadores de engranajes planetarios, son demasiado grandes para calidades de hierro dúctil convencionales (calidades ferrítica/perlítica) . El acero forjado/endurecido es el material de elección para componentes de cajas de cambios y ejes de accionamiento que tengan tamaños mayores de 3 toneladas. Este eje está típicamente fabricado de un acero forjado. El material del eje usualmente es acero de aleación pobre de alta resistencia apagado-templado con propiedades de fatiga críticas. Los ejemplos incluyen aceros de níquel-cromo tales como acero 34CrNiMo6.

El procesamiento de componentes eólicos de acero forjado pesado de lingotes grandes es complejo, requiriendo numerosas operaciones de trabajo en caliente (también conocido como forjado) y operaciones de tratamiento de calor para refinar suficientemente la estructura proporcionando una microestructura que responde al tratamiento térmico de calidad subsiguiente para desarrollar las propiedades mecánicas deseadas. Tales vías de procesamiento exhaustivo y la mecanización extensiva atribuida a la libertad limitada de geometría tienen un precio elevado relacionado con la producción sencilla de homólogos de piezas de ADI de molde. En 'Austempered ductile-iron castings-advantages, production, properties and specifications', por Cast Metals Development Ltd., Materials & Design, vol. 13, N.º: 5, 1992, las piezas de ADI incluyen cigüeñales y piezas de automoción.

Resumen de la invención Las realizaciones de la invención incluyen un componente de eje de accionamiento como se da en la reivindicación 1.

Otra realización de la invención incluye un procedimiento como se da en la reivindicación 4.

Las realizaciones de la invención se dan en las reivindicaciones dependientes.

Descripción detallada El hierro dúctil templado (ADI) que se moldea es capaz de proporcionar componentes de masa alta y de forma de red, mayores de aproximadamente 3 toneladas, preferentemente mayores de aproximadamente 6 toneladas, para ejes de turbinas eólicas pesadas. Actualmente, el acero forjado/endurecido se usa para fabricar ejes de turbina eólica grandes y componentes de caja de cambios grandes. Sin embargo, el acero forjado/endurecido, por ejemplo 34CrNiMo6, es un material relativamente caro que requiere un proceso complejo para producir un componente, especialmente un componente de más de aproximadamente 3 toneladas con geometrías complejas. Si el tamaño se incrementa a 6 toneladas o más el gasto de producir un componente de acero forjado/endurecido es incluso mayor y la base mundial de proveedores es muy limitada. Las típicas etapas requeridas para producir componentes de caja de cambios de turbina eólica pesada a partir de aceros de aleación pobre y de alta resistencia incluyen fusión de lingotes, desbastado del lingote para formar el tocho, forjado del tocho, forjado de pieza, normalización, austenización, inactivación con agua, revenido y mecanización extensa/complicada. El procedimiento para producir componentes de caja de cambios a partir de acero de aleación baja y de alta resistencia requiere numerosas etapas y un requerimiento de energía grande cuando se compara con un procedimiento de moldeo convencional. Estas etapas de elaboración para producir componentes a partir de acero de aleación baja y de alta resistencia se incrementan en coste a medida que aumenta el tamaño del componente.

La composición química primaria de hierro dúctil templado (ADI) se da en la reivindicación 1. No todos los elementos se identifican ya que hay ciertos elementos "trampa" a concentraciones bajas en el hierro. El término hierro dúctil quiere decir que el hierro forma el resto de la composición salvo para elementos "trampa". El ADI proporciona reducción de peso atribuida a su densidad más baja, reducción de ruidos atribuida a su capacidad amortiguadora más alta, propiedades mecánicas similares o mejores que aquellas de acero de molde/forjado y los procedimientos de moldeo proporcionan elaboración menos costosa y mantienen la mecanización del componente a un mínimo. El ADI requiere un tratamiento de calor isotérmico especial, referido a templado, que proporciona combinaciones excelentes de alta resistencia y tenacidad. La tensión inducida por la maquinación final después de este tratamiento potencia las propiedades de fatiga.

Ciertas propiedades del ADI no son tan buenas como las del acero forjado/endurecido. El ADI posee el 15-20 por ciento menos de rigidez que el acero forjado/endurecido y resistencia al impacto más baja. Sin embargo, esta deficiencia se mitiga fabricando las piezas ligeramente más grandes y/o por modificaciones de diseño apropiadas. Comparando ADI con acero forjado/endurecido y el intervalo de química identificado, es posible obtener ejes de turbinas eólicas pesadas y componentes de cajas de cambios a costes reducidos con propiedades comparables.

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La composición química primaria preferida de ADI para usar en realizaciones de la presente invención se da en la reivindicación 1.

Los elementos que forman carburo incluyendo pero no limitados a cromo y vanadio, se mantendrán a un nivel tan bajo como sea posible para evitar la formación de carburos masivos en la microestructura. El cromo y el vanadio estarían por debajo del 0, 05 por ciento en peso y del 0, 02 por ciento en peso respectivamente.

La microestructura de matriz de ADI incluye una dispersión a pequeña escala de ferrita acicular con austenita estabilizada alta en carbonos dúctil, denominada ausferrita. La matriz de ausferrita es responsable de propiedades únicas alcanzables en componentes de ADI.

La austenita en ADI está estabilizada térmicamente con carbono durante el tratamiento con calor y no se transformará en martensita frágil incluso a temperaturas que se aproximan al cero absoluto. La austenita enriquecida con carbono, estable puede sufrir una transformación inducida por tensión cuando se expone a fuerzas normales, altas. Esta transformación, que proporciona al ADI su destacable resistencia al desgaste, es más que un mero "endurecimiento mecánico". Además de un incremento significativo en estrés de flujo y dureza, esta transformación inducida por tensión de la austenita a martensita también proporciona un incremento localizado de volumen y crea tensiones de compresión alta en las áreas "transformadas". Estas tensiones de compresión inhiben la formación de grietas y el crecimiento y producen mejoras significativas en las propiedades de fatiga del ADI cuando se manufacturan después del tratamiento de calor o se someten a tratamientos de superficie tales como granallado, molienda o laminación.

El templado es el procedimiento de mantenimiento del moldeo de hierro dúctil por encima de la temperatura crítica durante un periodo de tiempo suficiente para asegurar que la matriz esté totalmente transformada a austenita. Tanto el tiempo de templado como la temperatura dependen de la microestructura y de la composición del material según se moldea. Con el fin de producir una microestructura de matriz de fase individual (austenita) con una distribución de carbono uniforme, la austenitización incluye mantener el moldeo a temperaturas en el intervalo de aproximadamente 815-985 ºC (1500-1800 ºF) durante un periodo de tiempo que es suficiente para convertir totalmente la matriz de la sección más gruesa a austenita. Al contrario que en aceros, la selección de temperatura de austenitización en hierros de molde determina el contenido de carbono inicial de la austenita, un factor crucial al definir la fuerza principal termodinámica para transformación de ausferrita durante el templado subsiguiente. Adicionalmente, la selección apropiada de la temperatura de austenitización ayudará a asegurar la distribución de las fases de austenita y ferrita dentro del producto de ausferrita totalmente transformado.

Se lleva a cabo un mantenimiento isotérmico correcto después de austenitizar a una temperatura por encima de la transformación martensítica. La velocidad de desactivación ha de ser suficiente para evitar la formación de ferrita/perlita. Dependiendo de las propiedades mecánicas deseadas de los productos finales, la temperatura del mantenimiento... [Seguir leyendo]

1. Un eje de accionamiento de turbina eólica que comprende:

hierro dúctil templado de molde que contiene del 3, 0 al 3, 8 por ciento en peso de carbono, del 1, 9 al 2, 8 por ciento en peso de silicio, hasta el 0, 3 por ciento en peso de manganeso, hasta el 0, 8 por ciento en peso de cobre, hasta el 2, 0 por ciento en peso de níquel, hasta el 0, 3 por ciento en peso de molibdeno, del 0, 03 al 0, 06 por ciento en peso de magnesio, menos del 0, 05 por ciento en peso de cromo, menos del 0, 02 por ciento en peso de vanadio y menos del 0, 01 por ciento de azufre, hierro hasta el equilibrio e impurezas accidentales en el que el eje de accionamiento comprende una masa de más de aproximadamente 3 toneladas.

2. El eje de accionamiento de turbina eólica de la reivindicación 1, en el que el eje de accionamiento comprende una masa de más de aproximadamente 6 toneladas.

3. El eje de accionamiento de turbina eólica de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en el que el hierro dúctil templado comprende ferrita acicular y austenita.

4. Un procedimiento de fabricación de un eje de accionamiento de turbina eólica, comprendiendo el procedimiento: Fundir el hierro dúctil que contiene del 3, 0 al 3, 8 por ciento en peso de carbono, del 1, 9 al 2, 8 por ciento en peso de silicio, hasta el 0, 3 por ciento en peso de manganeso, hasta el 0, 8 por ciento en peso de cobre, hasta el 2, 0 por ciento en peso de níquel, hasta el 0, 3 por ciento en peso de molibdeno, del 0, 03 al 0, 06 por ciento en peso de magnesio,

menos del 0, 05 por ciento en peso de cromo, menos del 0, 02 por ciento en peso de vanadio y menos del 0, 01 por ciento de azufre, hierro hasta el equilibrio e impurezas accidentales; moldear el componente; austenitizar el componente; desactivar el componente; y templar el componente; en el que el componente comprende una masa de más de aproximadamente 3 toneladas.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que la desactivación comprende sumergir el componente en un medio mantenido a una temperatura desde 230 hasta 400 ºC.

6. El procedimiento de la reivindicación 4 o de la reivindicación 5, que comprende adicionalmente: mecanizar el componente.

7. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que el componente comprende una masa de más de aproximadamente 6 toneladas.

8. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, en el que la austenización comprende mantener el componente a una temperatura en el intervalo de 815 ºC a 985 ºC durante un tiempo suficiente para convertir una matriz en austenita.