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EP1760162B1 - Verfahren zur Herstellung einer Welle für Kompressoren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Welle für Kompressoren Download PDF

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EP1760162B1
EP1760162B1 EP05019230A EP05019230A EP1760162B1 EP 1760162 B1 EP1760162 B1 EP 1760162B1 EP 05019230 A EP05019230 A EP 05019230A EP 05019230 A EP05019230 A EP 05019230A EP 1760162 B1 EP1760162 B1 EP 1760162B1
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EP
European Patent Office
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steel
hardening
temperature
compressors
heat treatment
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EP05019230A
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English (en)
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EP1760162A1 (de
Inventor
Ralf Bode
Beate Dr. Langenhahn
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/023—Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
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    • F05D2300/171—Steel alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/40—Organic materials
    • F05D2300/41—Leather

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a shaft for compressors.
  • toughness means the property of being able to plastically deform under macroscopic mechanical stress under mechanical stress.
  • Toughness may also be the strength of the resistance that a body opposes to a plastic deformation; H. for the magnitude of the mechanical stress and / or energy that must be applied for deformation.
  • Brittleness can be called an opposite property.
  • a disadvantage of the 9% nickel steel is that it starts to flow comparatively early under mechanical stress.
  • shafts of compressors deform when exposed to different temperatures. This happens especially when the austenite occurs unevenly distributed in the wave.
  • the invention begins, the object of which is to provide a method for producing a shaft for compressors, whereby the cold toughness of a shaft is increased and the process is easy to implement.
  • the object is achieved by the method according to claim 1 Among other things, the advantage lies in the fact that the method offers a comparatively simple possibility of improving a steel in such a way that it has a high degree of cold toughness.
  • the invention is based on the aspect that a standard heat treatment, which provides a first and only hardening process at about 850 ° C with a tempering process at about 630 ° C in an air cooling, does not produce satisfactory properties of the steel.
  • a first hardening takes place at a first temperature and a second hardening at a second temperature under water quenching and with a subsequent tempering temperature in the specified temperature range
  • a steel is surprisingly produced, its cold toughness is comparatively high. This steel is thus used to at least minus 170 ° C as a shaft material for compressors.
  • martensitic steel of the type 3.5% Ni and 1.5% Cr in particular the steel 26NiCrMoV14-5 according to Stahl-Eisen-Werkstoffblatt (SEW) 555 is used.
  • martensitic steel is particularly suitable for this process.
  • martensitic steel is particularly simple and therefore less expensive to produce.
  • the steel 26NiCrMoV14-5 is a steel which can be provided by the heat treatment according to the invention with a comparatively high cold toughness.
  • This steel is used as a shaft material for compressors.
  • the 26NiCrMoV14-5 steel is a standard shaft material for turbines and generators and therefore better available than eg.
  • the steel X8Ni9 for example, must be produced in special melts.
  • 26NiCrMoV14-5 steel is less expensive than X8Ni9 due to its lower content of alloying elements.
  • Another advantage is that the martensitic crystal structure leads to a more favorable behavior under mechanical stress.
  • Another advantage is that a uniform crystal structure peculiarities in the thermal expansion behavior can be avoided.
  • the quenching in the hardening processes in steps a) and b) takes place in the water.
  • the temperature should be at the first hardening process in particular at about 950 ° C. Ideally, the temperature during the second cure should be around 850 ° C.
  • the temperature during the starting process should ideally be around 630 ° C.
  • This special heat treatment makes it possible to provide the 26NiCrMoV14-5 martensitic steel with such high cold toughness that it is used as a shaft material for compressors up to at least minus 170 ° C, not according to the invention. It has been shown that it can not be ruled out that good batches of 26NiCrMoV14-5 steel, even with standard heat treatment, have sufficient cold toughness, ie. H. in the standard heat treatment is first cured at about 850 ° C and quenched under water and then tempered at a temperature of 630 ° C with air cooling. However, to ensure very good levels of cold toughness, as required in cryogenic compressors, the heat treatment of the present invention is required.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle für Kompressoren.
  • Im heutigen Maschinenbau ist es üblich, dass Stahl, beispielsweise in Verdichtern, bei tiefen Temperaturen von weniger als minus 100°C eingesetzt wird. Die meisten Stahlsorten haben eine ferritisch/martensitische Kristallstruktur und werden bei diesen tiefen Temperaturen sehr spröde. Diese Stahlsorten sind demnach für viele Anwendungen bei minus 100°C nicht mehr zu gebrauchen. Abhilfe könnte schaffen, statt Stahlsorten mit ferritisch/martensitischer Kristallstruktur andere, nämlich kaltzähe Stähle einzusetzen. Kaltzähe Stähle sind durch ihre austenitische Struktur charakterisiert und vergleichsweise weich. Darüber hinaus zeigen diese kaltzähen Stähle eine geringe Festigkeit.
  • Unter Zähigkeit ist bei festen Körpern die Eigenschaft, sich unter mechanischer Beanspruchung makroskopisch messbar plastisch verformen zu können, zu verstehen. Unter Zähigkeit kann auch die Stärke des Widerstandes bezeichnet werden, den ein Körper einer plastischen Formänderung entgegensetzt, d. h. für die Größe der mechanischen Spannung und/oder Energie, die für eine Verformung aufgebracht werden müssen. Sprödigkeit kann als gegensätzliche Eigenschaft bezeichnet werden.
  • Um dennoch im anspruchsvollen Maschinenbau Stähle bei weniger als minus 100°C einsetzen zu können, werden Stähle mit höherer Festigkeit mit einem Gefügeanteil von 10% bis 20% Austenit verwendet. Diese Stähle zeigen darüber hinaus auch noch gute Tieftemperatureigenschaften. Der Anteil von 10% bis 20% Austenit ergibt sich durch eine gezielte Wärmebehandlung und einen Legierungsgehalt von 9% Nickel. Dieser Stahl ist auch unter der Normbezeichnung X8Ni9 bekannt.
  • Allerdings ist ein Nachteil des 9%igen Nickelstahles, dass er unter mechanischer Beanspruchung vergleichsweise früh anfängt zu fließen. Darüber hinaus ist es möglich, dass sich beispielsweise Wellen von Verdichtern verformen, wenn diese unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden. Die geschieht vor allem dann, wenn der Austenit ungleichmäßig verteilt in der Welle auftritt.
  • Aus dem Stahlschlüssel des Jahres 2004 (C.WEGST, M.WEGST, Verlag Stahlschlüssel WEGST GmbH) ist bereits ein martensitischer Werkstoff des Typs 26 NiCrMoV14-5 bekannt. Aus der JP 10 26 58 46 A ist bereits die Produktion von Stahlplatten im kontinuierlichen Gießverfahren bekannt mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung in zwei Härtungsschritten und einem Anlassschritt. Aus der Druckschrift JP 02133518 A ist bereits eine Wärmebehandlung zur Herstellung von hochfesten Stellen mit guten Niedrigtemperatureigenschaften bekannt mit einem nicht-martensitischem Ausgangsprodukt, mit zwei Härtungen bei unterschiedlichen Temperaturen und einem Anlassen nachfolgend.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren zur Herstellung einer welle für Kompressoren anzugeben, wodurch die Kaltzähigkeit eine welle erhöht wird und das Verfahren einfach umzusetzen ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 Der Vorteil ist unter anderem darin zu sehen, dass mit dem Verfahren eine vergleichsweise einfache Möglichkeit angeboten wird, einen Stahl dahingehend zu verbessern, dass dieser eine hohe Kaltzähigkeit besitzt. Die Erfindung geht hierbei von dem Aspekt aus, dass eine Standardwärmebehandlung, die bei ca. 850°C einen ersten und einzigen Härtevorgang mit einem Anlassvorgang bei ca. 630°C bei einer Luftkühlung vorsieht, keine befriedigenden Eigenschaften des Stahles hervorbringt. Durch das erfindungsgemäße Wärmebehandeln, bei dem ein erstes Härten bei einer ersten Temperatur und ein zweites Härten bei einer zweiten Temperatur unter Wasserabschreckung erfolgt und mit einer anschließenden Anlasstemperatur im angegebenen Temperaturbereich wird überraschenderweise ein Stahl erzeugt, dessen Kaltzähigkeit vergleichsweise hoch ist. Dieser Stahl wird dadurch bis mindestens minus 170°C als Wellenmaterial für Kompressoren verwendet.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei dem Verfahren martensitischer Stahl vom Typ 3,5%Ni und 1,5%Cr insbesondere der Stahl 26NiCrMoV14-5 gemäß Stahl-Eisen-Werkstoffblatt (SEW) 555 verwendet.
  • Es hat sich gezeigt, dass gerade ein martensitischer Stahl besonders geeignet ist für dieses Verfahren. Darüber hinaus ist martensitischer Stahl besonders einfach und dadurch kostengünstiger herzustellen.
  • Besonders der Stahl 26NiCrMoV14-5 ist ein Stahl, der durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung mit einer vergleichsweisen hohen Kaltzähigkeit versehen werden kann. Dieser Stahl als Wellenmaterial für Kompressoren verwendet. Darüber hinaus ist der Stahl 26NiCrMoV14-5 ein sozusagen Standardwellenmaterial für Turbinen und Generatoren und deshalb besser verfügbar als z. B. der Stahl mit der Bezeichnung X8Ni9. Der Stahl X8Ni9 muss beispielsweise in Sonderschmelzen erzeugt werden. Des Weiteren ist der Stahl 26NiCrMoV14-5 durch seinen niedrigeren Gehalt an Legierungselementen preisgünstiger als X8Ni9.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass die martensitische Kristallstruktur zu einem günstigeren Verhalten bei mechanischer Beanspruchung führt.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass durch eine einheitliche Kristallstruktur Besonderheiten beim thermischen Ausdehnungsverhalten vermieden werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt die Abschreckung bei den Härtevorgängen in den Schritten a) und b) im Wasser.
  • Dadurch ist eine Möglichkeit angegeben, den Härtevorgang besonders preisgünstig zu gestalten. Ein weiterer Aspekt hierbei ist, dass das Abschrecken mit Wasser zu guten Resultaten führt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Anlassvorgang unter Luftabkühlung durchgeführt.
  • Auch hier ist der besondere Vorteil darin zu sehen, dass durch die Luftabkühlung ein einfaches Verfahren angeboten wird, mit dem sehr gute Resultate erzielt werden. Der durch dieses Verfahren erzeugte Stahl zeigt eine sehr hohe Kaltzähigkeit.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend näher beschrieben.
  • Anstelle eines 9%igen Nickel-Stahls wird der Stahl 26NiCrMoV14-5 verwendet. Es wird ein Verfahren zur Erhöhung der Kaltzähigkeit von Stählen angewandt, wobei eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, die sich durch folgende Schritte auszeichnet:
    1. 1) Härten bei einer Temperatur zwischen 920°C und 960°C,
    2. 2) Durchführen einer zweiten Härtung bei einer Temperatur zwischen 820°C und 860°C und
    3. 3) Anlassen bei einer Temperatur zwischen 620°C und 660°C.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Temperatur bei dem ersten Härtevorgang insbesondere bei ca. 950°C sein sollte. Idealerweise sollte die Temperatur bei der zweiten Härtung bei einem Wert von ca. 850°C liegen.
  • Es hat sich ebenso gezeigt, dass die Temperatur während des Anlassvorganges idealerweise bei ca. 630°C sein sollte.
  • Durch diese besondere Wärmebehandlung ist es möglich, den martensitischen Stahl 26NiCrMoV14-5 mit einer so hohen Kaltzähigkeit zu versehen, dass er bis mindestens minus 170°C als Wellenmaterial für Kompressoren verwendet wird nicht erfirdungsgemäß. Es hat sich gezeigt, dass es nicht auszushließen ist, dass gute Chargen des Stahls 26NiCrMoV14-5 auch mit der Standardwärmebehandlung ausreichende Kaltzähigkeit aufweisen, d. h. bei der Standardwärmebehandlung wird zunächst bei ca. 850°C gehärtet und unter Wasser abgeschreckt und anschließend bei einer Temperatur von 630°C angelassen unter Luftabkühlung. Aber um sehr gute Werte hinsichtlich der Kaltzähigkeit sicherzustellen, wie sie in Tieftemperaturkompressoren benötigt werden, ist jedoch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung erforderlich.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Welle für Kompressoren aus einem Wellenmaterial,
    bei dem an einem martensitischen Stahl eine
    Wärmebehandlung durchgeführt wird,
    die ein Härten und ein Anlassen umfasst,
    die gekennzeichnet ist durch folgende Schritte:
    a) Härten bei einer Temperatur zwischen 920°C und 960°C,
    b) Durchführen einer zweiten Härtung bei einer Temperatur zwischen 820°C und 860°C,
    c) danach Anlassen bei einer Temperatur zwischen 620°C und 660°C.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem der Stahl 26NiCrMoV14-5 verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem die Abschreckungen bei den Härtevorgängen in den Schritten a) und b) in Wasser erfolgen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem der Anlassvorgang unter Luftabkühlung erfolgt.
EP05019230A 2005-09-05 2005-09-05 Verfahren zur Herstellung einer Welle für Kompressoren Ceased EP1760162B1 (de)

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