Abstract
However, while low pressure carburizing (LPC) is now well established for smaller components and conventional conditions (up to 980 °C), a number of difficulties are expected when considering high temperature LPC of large components. First, conventional carburizing steels will undergo extensive grain growth during an exposure to 1050 °C for 20 hours; while there are solutions to avoid the problem for shorter durations, there are no materials adapted to such heat-treatment durations. Second, the long exposure at high temperature means that the possibility of significant creep deformation should be considered. And third, the hardenability of the material commonly used for wind turbine gears (18CrNiMo7-6) may not be sufficient when switching from oil to gas quenching. The present work attempts to address these issues. On the basis of theoretical alloy design, numerical modeling and experimental work, two purposely designed steel compositions were industrially cast. They were used to manufacture large wind turbine gears and extensively tested. Experimental results are compared to those obtained with a standard 18CrNiMo7-6. Based on a full analysis of the possible production routes, a cost benefit of 20 % is estimated by switching from the actual to the newly developed manufacturing route.
Kurzfassung
Während sich das Niederdruckaufkohlen (LPC) für kleinere Bauteile und konventionelle Bedingungen (bis 980 °C) inzwischen gut etabliert hat, ergeben sich beim Hochtemperatur-Niederdruckaufkohlen großer Bauteile und Komponenten eine Reihe von Schwierigkeiten. Erstens erfahren herkömmliche Einsatzstähle bei einer Belastung von 1050 °C fur 20 h ein starkes Kornwachstum; doch während es Lösungen gibt, um dieses Problem bei kürzeren Laufzeiten zu vermeiden, gibt es keine Materialien, die für Wärmebehandlungen über solche langen Zeiträume geeignet sind. Zweitens ist angesichts der langen Dauer auf hohen Temperaturen auch die Möglichkeit einer erheblichen Kriechverformung zu berücksichtigen. Drittens ist die Härtbarkeit des üblicherweise für Getriebezahnräder von Windkraftanlagen verwendeten Materials (18CrNiMo7-6) bei einem Wechsel vom Öl- zum Gasabschrecken möglicherweise nicht ausreichend hoch. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit eben diesen Themen. Auf Grundlage theoretischer Legierungskonzepte, rechnergestützter Modellierung und experimenteller Arbeiten wurden zwei speziell entwickelte Stahlzusammensetzungen industriell gegossen. Sie wurden zur Herstellung großer Getriebezahnräder von Windkraftanlagen verwendet und ausführlich getestet. Die Ergebnisse der Versuche werden mit den Ergebnissen der Standardlegierung 18CrNiMo7-6 verglichen. Basierend auf einer umfassenden Analyse der möglichen Produktionswege lässt sich ein Kostenvorteil von 20 % alleine durch den Wechsel vom aktuellen zum neu entwickelten Herstellungsprozess abschätzen.
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