用于增加风力涡轮机的主要钢机械零件的疲劳强度的方法

专利名称：用于增加风力涡轮机的主要钢机械零件的疲劳强度的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于增加风力涡轮机的主要钢机械零件的疲劳强 度和/或用于减小在这样的钢机械零件中形成所谓的"白色腐蚀裂纹
(white etching crack)"或"脆性剥落(brittle flake)"的趋势的方法。
本发明不限于此，具体目的在于将这样的方法应用于完全或几乎 完全由钢制成以及与其它钢机械零件接触的机械零件，其中当两种机 械零件运转时，它们在彼此之上滚动和/或滑动。
背景技术：
这样的钢机械零件可以是例如风力涡轮机的齿轮箱的轴承，例如 这种轴承的轴承环或滚子元件(roller element)等。
已知当机械零件在彼此之上滚动和滑动时，会出现一定的磨损和 疲劳症状。
根据用于例如风力涡轮机以便以旋转方式支撑风力涡轮机外壳内 的转轴或者例如用于行星齿轮单元(planetary gear unit)以支撑与行星 架关联的行星轮的特定球轴承和滚子轴承，已知这种疲劳的具体形式。
己经被加载例如超过2,500小时或者例如超过10，000小时之后，可 在这样的轴承中观察到疲劳现象，其中脆性剥落剥离轴承的滚子元件 或轴承表面。
所述脆性剥落的形成总是伴随有在所述机械零件表面下面的相变 区域(transformed area)和/或较小裂纹的形成。例如在疲劳研究的背景中，这些裂纹和区域通过显微镜能够是可 见的。
其中，从已经受到很长时间的滚动和/或滑动载荷的机械零件取样 品，这之后，用适当的化学产品侵蚀该样品，以便能够清楚地观察到 裂纹和相变区域。
由于所述滚动和/或滑动的结果而出现的疲劳特性在于在脆性剥 落处或者在脆性剥落附近，能在显微镜下观察到在显微镜下颜色为白 色的裂纹、区域、带和/或层。
同样，能在显微镜下观察到的前述特性通常被指示为白色腐蚀裂 纹、白色腐蚀区域、白色腐蚀层、白色腐蚀带等等。
这些相变的白色腐蚀区域和白色腐蚀裂纹可在它们生长的材料夹 杂物周围形成。
根据目前的科技发展水平，由于滚动和/或滑动载荷的结果而出现 的脆性剥落和白色腐蚀裂纹的形成的潜在机制仍然是未知的。
一些人认为脆性剥落的形成由来自润滑油中的氢自由基渗入钢中 引起，但是该理论似乎不恰当。
根据加载过程中应力的出现也不可能解释所述疲劳现象，这是因 为，实际上，在机械零件负荷水平显著低于在实验室中对所述机械零 件进行疲劳测试所观察到的负荷水平下已经出现疲劳现象。
所述疲劳现象当然是不希望的，这是因为其决定机械零件的寿命。已知的机械零件，例如齿轮箱的行星齿轮单元的行星轮轴承
(planet bearing)等，或者受到类似负荷的其他机械零件，由通常根据 一些方法等硬化以便改善其机械性能的类型的钢制成。
根据目前的技术发展水平，许多机械零件由以下类型中的一个的 硬化钢制成所谓的全硬化钢、表面硬化钢、感应硬化钢或激光硬化 钢。
全硬化钢具有按重量计通常在0.9%和1.1%之间的碳含量。
在其生产过程中，全硬化钢受到的热处理包括将钢加热到铁/碳相 图的奥氏体区(825T:至95(rC)，热处理之后使钢在冷水、油或空气 中快速冷却。
使用这样的钢来制造机械零件的优点在于，其具有高硬度和耐磨性。
因此，理由是，作为快速冷却的结果，钢按照细晶马氏体结构结
曰
曰曰o
据此，很大程度上存在的碳一方面由于快速冷却的结果而部分地 包含在铁内，使得金属基体由马氏体结构形成，其中存在较高的内应 变，这有助于金属基体的高硬度。
另一方面，铬以及也可能的其他元素的存在使可利用的碳与铁的 结合改善或稳定，以便形成碳化物，从而为金属基体提供额外的硬度。
作为变化形式，冷却过程中温度的变化可控制成使得获得具有贝 氏体结构而不是马氏体结构的金属基体。这种全硬化钢的另一优点是，其生产相当便宜，这是因为其比例 如表面硬化钢在炉中停留更少的时间，通常少于8小时。
然而，这种全硬化钢具有相当高的脆性，并且，如已经提到的， 由于零件在彼此之上滚动和/或滑动的反复加载，脆性剥落将如上所述 剥离。
表面硬化钢具有较低的总碳含量，通常按重量计在0.1%和0.3%之
间，其中，这种钢受到被称为表面硬化的特殊热处理。
在这样的表面硬化过程中，通过将钢加热并使其暴露到碳和/或富 氮环境中而使钢渗碳或碳化。
因此，被加热的钢的外层吸收碳和/或氮，其中渗透深度随暴露时 间长度的增加而增加。
渗碳或碳化之后，也通过冷却钢来使钢硬化。
表面硬化钢的优点在于，工件的外层，由于其较高的碳和/或氮含 量以及由于恰当的硬化，将具有硬的和耐磨的马氏体结构，而具有较 低碳含量的工件心部将具有较高的韧性，并且较易于加工。
表面硬化可能花费若干小时(10至150小时)，这是有利的，因为 其是高价过程。
获得具有硬化外层和更韧性心部的工件的可选方式取决于感应硬 化或激光硬化。
在感应硬化的情况下，借助于线圈使高频感应电流感应到待硬化 工件的外表面，其结果是，这些外层被加热。在激光硬化的情况下，借助于激光使外表面得到加热。
然后，例如在充满水、油等的罐中，通过以恰当的方式使工件快 速冷却使工件淬火。
结果，感应硬化钢和激光硬化钢也是有利的，这是因为由于适当 的硬化，外层具有硬的和耐磨的马氏体结构，而工件心部具有较高的 韧性，并且更易于加工。
另外，这两种技术是有利的，这是因为它们可非常快速地进行， 这暗示它们是相当廉价的过程。
如上所述，在根据已知方法由上述类型的钢中的一个制成的机械 零件中出现疲劳现象，其中，在某些情况下，由于机械零件在彼此之 上滚动和/或滑动的负荷而形成脆性剥落。

发明内容
同样，本发明的目的在于改善上述和其他缺陷中的一个或若干个。
具体来说，本发明的目的是一种实际的和经济有利的方法，利用 该方法，能减小风力涡轮机的钢机械零件例如轴承形成脆性剥落的趋 势和/或能增加这样的机械零件的通常的疲劳强度。
为此，本发明涉及一种用于增加风力涡轮机的主要钢机械零件的 疲劳强度和/或用于减小在这样的钢机械零件中形成所谓的白色腐蚀裂 纹或脆性剥落的趋势的方法，其中，所述方法包括使机械零件至少部
分地由具有按重量计在0.4%和0.8%之间碳含量的硬化钢制成。
为此，根据本发明，在一定观察的基础上可以得出结论，具有按重量计在0.4%和0.8%之间碳含量的硬化钢在滚动和/或滑动负荷下令人
惊奇地显示没有或很少有形成白色腐蚀裂纹、白色腐蚀区域等的趋势， 并且因此，这样的钢也显示更抵制脆性剥落的形成，或者，总之，具 有较好的疲劳强度。
自然地，根据本发明的这种方法的优点是，由具有按重量计在0.4% 和0.8%之间碳含量的硬化钢制成的风力涡轮机的机械零件具有较长的寿命。
根据本发明的优选方法，由硬化钢制成的风力涡轮机的机械零件 的上述元件借助于全硬化来硬化，并且优选地，所述元件甚至是被完 全地全硬化。
然而，根据本发明的可选方法，还能在例如超过其外表面的特定 硬化深度上通过借助于感应硬化或激光硬化来硬化由具有按重量计在 0.4%和0.8%之间碳含量的硬化钢制成的风力涡轮机的机械零件的上述 元件来获得改善的疲劳强度。
根据本发明的这种方法的优点是，由于恰当地选择碳含量而获得 了较高的疲劳强度，然而尽管如此，该技术仍是相当便宜的，这是因 为全硬化、感应硬化或激光硬化比例如应用表面硬化的生产过程便宜 许多倍。
根据本发明甚至更优选的方法，当冷却风力涡轮机的机械零件的 上述元件的钢以便使其硬化时，温度随时间的变化被控制成使得获得 具有很少或没有碳化物形成的主要马氏体金属基体，例如含有至少50% 的马氏体的金属基体，但优选甚至为含有具有或没有一点残余奥氏体 的80%的马氏体的金属基体。
根据本实施方式的这种钢的优点是，其非常硬且非常耐磨。能通过当硬化钢时非常快速地冷却其来获得大量存在的马氏体。
在这种情况下，人们必须特别关心待冷却钢的心部的部分也足够 快速地冷却，使得心部没有得到机会结晶成珠光体。
当由于足够快速地冷却而在心部也形成马氏体时，人们说成是完 全地全硬化钢。
根据本发明的另一方法，当冷却风力涡轮机的机械零件的上述硬 化元件的钢以便硬化钢时，温度随时间的变化被控制成使得获得具有 很少或没有碳化物形成的主要贝氏体金属基体，例如含有至少50%的贝 氏体的金属基体，但更好的是含有80%的贝氏体的金属基体。
这样的贝氏体结构通过在淬火过程中以比必要的略微慢来冷却待 硬化的机械零件而获得，以便获得具有马氏体结构的金属基体。
具体来说，利用一种根据本发明的上述方法，优选地以表面的一
部分测量将碳化物的形成限制到少于2°/。的碳化物。
根据本发明的另一优选方法，用以下元素中的一个或其组合来对
待硬化的钢进行合金化Cr、 Mn、 Si、 Mo、 V。
通过以恰当的方式组合这些以及可能的其他元素，例如当存在的 元素限制碳化物等形成时，可获得具有改进质量的合金钢。
当将该方法应用于风力涡轮机的轴承，具体是应用于所关心轴承 的轴承环和/或滚子元件中的一个或若干个，或者齿轮箱的零件，例如 风力涡轮机齿轮箱的轴承时，本发明证明是尤其有用的。


为了更好地解释本发明的特性，参考附图l仅通过举例而没有以任 何方式限制来描述根据本发明的以下优选方法，其中
该图l表示风力涡轮机齿轮箱的锥形滚子轴承，通过截面所见，该 轴承根据本发明方法制成。
具体实施例方式
主要由钢制成的机械零件在彼此之上滚动和/或滑动、并且可能出 现在引言中讨论的疲劳现象的许多应用领域是已知的。
本发明还关心的典型应用领域是齿轮箱领域以及轴承领域，更具 体的说，是风力涡轮机的齿轮箱和轴承领域。
如己知的，风力涡轮机配备有齿轮箱，输入轴连接到齿轮箱或者 由风力涡轮机的转轴形成，而输出轴连接到发电机等。
齿轮箱通 常包括一个或若干个具有平行轴的齿轮传动装置(gear wheel transmission)和/或行星齿轮单元，借助于该齿轮传动装置和/或 行星齿轮单元，在齿轮箱的输出轴处，风力涡轮机的转子叶片的慢速 旋转变换成快速旋转。
在这样应用中，风力涡轮机外壳内或齿轮箱外壳内的转轴借助于 一对轴承而以轴承方式安装，或者在更完整的风力涡轮机设计中，借 助于仅一个主轴承安装。
此外，在这样的应用中，旋转部件如齿轮单元和/或齿轮传动装置 的齿轮、轴和行星架借助于一个或若干个轴承而被以轴承方式安装在 例如旋转行星架上或者被以轴承方式安装在例如齿轮箱的外壳内。
图l表示了这样的轴承的例子，通过截面所见，其中，在这种情况下，轴承是具有外轴承环2和内轴承环3的锥形滚子轴承1，在外轴承环
2和内轴承环3之间设置有锥形滚子4。
例如内轴承环3由此能够按固定方式连接到风力涡轮机的旋转的 转轴，而外轴承环2能够连接到齿轮箱的固定外壳或风力涡轮机的外 壳，但是相反方式同样也是可以的。
在轴承l用作行星轮轴承的另一种情况下，内轴承环3能以固定方 式连接到行星架上的行星轴(planet shaft)，而外轴承环2连接到行星 轮，该行星轮由于组合的齿与中心安装的太阳齿轮和行星齿轮啮合的 结果而受到展开运动(unrolling movement)。
清楚的是，在外轴承环2和内轴承环3相对于彼此的相对运动过程 中，锥形滚子4在座圈5上滚动和/或从轴承环2和3滑落。
根据目前的技术发展水平，这些事实都是已知的。
对于本发明重要的是，在这样的应用中，但同样也在其他应用中， 观察到在已经操作一段时间例如通常约10，000小时之后，在机械零件， 这种情况下是轴承环2和3以及锥形滚子4的滚动和/或滑动过程中出现 一定的疲劳现象，到目前为止，科学家还不能够解释这些。
据观察，在上述机械零件2-4中的一个或若干个的表面上，脆性剥 落可能幵始碎裂。
此外，如在引言中解释的，伴随这样的疲劳现象，还观察到腐蚀 之后在显微镜下颜色为白色的裂纹("白色腐蚀裂纹")和/或相变区 域("白色腐蚀区域")，这意味着，这些区域可能不再受到腐蚀剂 的影响。在低负荷下可能已经出现这种特殊的疲劳形式。
根据本发明，通过使轴承零件2-4中的一个或若干个完全地或部分 地由相对于上述滚动和/或滑动负荷具有较高疲劳强度的钢制成，来解 决该问题。
根据本发明，能够通过使用具有按重量计在0.4%和0.8%之间碳含
量的钢来获得较高的疲劳强度或形成所谓的白色腐蚀裂纹或脆性剥落 的减小的趋势，其中钢受到硬化形式的热处理。
具有按重量计在0.4%和0.8%之间较平均的碳含量的这种硬化钢在 机械零件例如风力涡轮机的轴承中的使用与最常见的方法相反，在该 最常见的方法中，选择用于硬化元件的钢总是为具有较高碳含量(通 常在0.9%和1.1%<3之间)的钢，这是因为在马氏体结构或贝氏体结构中 更多的碳夹杂物导致更大的硬度和耐磨性。
于是，我们知道完全地全硬化的轴承中，钢具有按重量计在0.9% 和1.1%之间的上述范围内的碳含量。
已知的可选解决方式是使用表面硬化的机械零件，如在引言中解 释的，该机械零件带有具有较低碳含量(按<3重量计0.1%至0.3%)以及 较高韧性的心部，而机械零件的外表面被渗碳或碳化，从而导致在所 述外层也有较高的碳含量，并且，其中这些外层具有较高的硬度和耐 磨性。
根据本发明，通过使用具有按重量计在0.4%和0.8%之间的平均碳 含量的钢，以及通过正如具有较高碳含量的常规的全硬化钢、激光硬 化钢或感应硬化钢那样全硬化这种钢，获得了如根据目前技术发展水 平所期望的钢，就硬度和耐磨性来说，这种钢具有较低的机械质量， 但关于零件在彼此之上滚动和/或滑动的负荷，具有更好的疲劳强度。但是，总的来说，本发明证明，由根据本发明的钢制成的机械零 件的寿命，具体是风力涡轮机的机械零件，例如风力涡轮机的齿轮箱 的寿命由此而增加，这是因为根据本发明发现，所述寿命首先受到太 低的疲劳强度的限制。
与通常所假定的相反，现在发现，使机械零件的寿命限制到某一 最大值的不是机械零件的硬度和耐磨性。
因此，根据本发明，使用具有按重量计超过0.9%的碳含量的用于 待硬化的风力涡轮机的轴承或其他机械零件的元件的全硬化钢或者具 有带有同样高的碳含量的渗碳或碳化外层的表面硬化钢是不必要的。
相反，根据本发明，更好的是使用具有按重量计在0.4%和0.8°/。之 间平均碳百分比的硬化钢，产生略微低的硬度，但是更好的疲劳强度， 并且因此，总的来看，具有较好质量的材料来用于持久应用。
根据本发明的优选方法，由具有平均碳含量的硬化钢制成的轴承l 的上述元件由借助于全硬化来硬化，更好的是被完全地全硬化，这是 因为对比一些其他技术，这是简单且廉价的技术。
根据符合本发明的可选方法，具有按重量计在0.4%和0.8%之间平 均碳含量的轴承l的特定钢元件例如在其外表面也借助于感应硬化或 激光硬化来硬化，例如直到特定硬化深度。
用于改善疲劳强度的这种方法也是令人感兴趣的，这是因为感应 硬化和激光硬化能够快速进行，并且也是相对廉价的技术。
根据本发明，当冷却钢以便使其硬化时，温度随时间的变化优选 地被控制成使得获得具有优选为仅很少或没有碳化物形成的主要马氏体金属基体，甚至以表面的一部分测量优选地碳化物含量低于2%。
可选择地，冷却能被控制成使得获得具有优选为仅很少或没有碳 化物形成的主要贝氏体金属基体，甚至以表面的一部分测量优选地低 于2%的碳化物。
根据依照本发明的方法的钢金属基体优选地含有至少80%的和更
好的是90%的马氏体或可选地贝氏体。
为了进一步改进硬化钢的质量，不排除根据依照本发明的另一优
选方法，用例如Cr、 Mn、 Si、 Mo、 V等元素或其组合来对钢进行合金 化。
这样，例如能降低临界冷却速度，其中仍然获得了完全的全硬化， 使得也能限制钢中的热应力，并且例如，还能避免由全硬化引起的裂 纹的形成。
根据本发明的特定方法，因为以常见的全硬化过程或者借助于感 应硬化或激光硬化并且例如优选地不借助于表面硬化，钢得到硬化， 所以可获得巨大节约，这是因为在常见的全硬化、激光硬化或感应硬 化的情况下比在表面硬化的情况下，钢在炉内停留更短的时间。
清楚的是，根据本发明的方法能应用于用已知的钢类型出现上述 疲劳现象的许多类型的机器零件或风力涡轮机的机械零件，例如制造 风力涡轮机的轴承或风力涡轮机的齿轮箱零件等，或者大型起重装置 如起重机的零件等，或者旋转零件例如转子和交流发电机以及许多其 他可能的对象。
本发明还具体涉及风力涡轮机的轴承的处理，其中应用根据本发 明的用于增加疲劳强度和/或用于降低形成白色腐蚀裂纹或脆性剥落的趋势的这种方法，具体是轴承的轴承环和/或滚子元件中的至少一个或 若干个至少部分地由具有按重量计在0.4%和0.8%之间碳含量的硬化钢
制成的轴承。
本发明决不限于根据本发明的用于增加风力涡轮机的主要钢机械 零件的疲劳强度的方法，其通过举例描述且在附图中表示；相反，这 样的方法可包括各种其他步骤，或者其可应用于其他工具或机械零件， 而仍保持在本发明的范围内。
权利要求
1.用于增加风力涡轮机的主要钢机械零件(1)的疲劳强度和/或用于减小在这样的钢机械零件(1)中形成所谓的“白色腐蚀裂纹”或“脆性剥落”的趋势的方法，其特征在于，所述方法在于至少部分地由具有按重量计在0.4％和0.8％之间碳含量的硬化钢制成所述机械零件。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法应用于风力 涡轮机的齿轮箱的零件。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由硬化钢制成的 所述机械零件(1)的上述元件借助于全硬化来硬化。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，由硬化钢制成的所述 机械零件(1)的上述元件被完全地全硬化。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，由硬化钢制成的所述 机械零件(1)的上述元件借助于感应硬化来硬化。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，由硬化钢制成的所述 机械零件(1)的上述元件借助于激光硬化来硬化。
7. 如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，当冷却钢 以便使其硬化时，温度随时间的变化被控制成使得获得具有很少或没 有碳化物形成的主要马氏体金属基体。
8. 如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，当冷却钢 以便使其硬化时，温度随时间的变化被控制成使得获得具有很少或没 有碳化物形成的主要贝氏体金属基体。
9. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，使用的硬化钢分 别具有按重量计超过80%的马氏体含量、贝氏体含量。
10. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，以表面的一部 分测量，将碳化物的形成限制到少于2%的碳化物。
11. 如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，用以下 元素中的一个或其组合使所述硬化钢成为合金Cr、 Mn、 Si、 Mo、 V。
12. 如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述方 法应用于轴承，具体应用于相关轴承(1)的轴承环(2、 3)禾B/或滚子 元件(4)中的一个或若干个。
全文摘要
本发明涉及用于增加风力涡轮机的主要钢机械零件的疲劳强度的方法。具体地，用于增加风力涡轮机的机械零件的疲劳强度和/或用于减小在这样的轴承中形成所谓的“白色腐蚀裂纹”或“脆性剥落”的趋势的方法，其特征在于，所述方法在于使与轴承有关的轴承环和/或滚子元件中的一个或若干个至少部分地由具有按重量计在0.4％和0.8％之间碳含量的硬化钢制成。
文档编号C21D1/10GK101586539SQ20091014110
公开日2009年11月25日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者沃德·布勒德思, 约翰·路克斯, 格尔特森 詹·万 申请人:汉森传动系统国际公司