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Hydraulische Maschine, insbesondere Wasserturbine, Pumpe, Schiffspropeller u. dgl.
Bei hydraulischen Maschinen, Schiffspropellern u. dgl. kommt es häufig vor, dass besonders die dem Tropfenschlag ausgesetzten Teile sowie die auf der Saugseite der Strömung ausgesetzten Teile starken Anfressungen unterworfen sind, durch die unter Umständen schon nach kurzer Zeit der Betrieb in Frage gestellt werden kann. Früher erklärte man sich die Zerstörungen von auf der Saugseite der Strömung ausgesetzten Teilen dadurch, dass an den betreffenden Stellen zufolge des dort herrschenden Unterdruckes die in der Flüssigkeit gelösten Gase frei und dann korrodierend wirken würden. Später hat man jedoch erkannt, dass diese Hypothese nicht zutrifft. Es gelang nachzuweisen, dass sich infolge des Unterdruckes Dampfblasen (Hohlräume) bilden können, welche plötzlich in sich zusammenfallen, sobald sie in Gebiete geringeren Unterdruckes gelangen.
Beim Zusammenfallen dieser Dampfblasen entstehen, wie auch beim Tropfenschlag, ausserordentlich hohe örtliche schlagartige Beanspruchungen, die eine Ermüdung des Materials und als Folge davon dessen Zerstörung durch Anfressungen verursachen können.
Zur Vermeidung bzw. zur Verringerung solcher Anpressungen muss deshalb ein Material verwendet werden, das eine möglichst hohe Ermüdungsfestigkeit aufweist.. Um dieser Forderung gerecht zu werden, wählte man seit kurzer Zeit in Fällen, wo die Gefahr gross ist, dass Anfressungen durch Sehlagermüdungsbeanspruchung entstehen, rostfreien, u. zw. vorwiegend martensitischen Stahlguss. Man ging dabei von der Überlegung aus, dass bei unlegiertem Material die Ermüdungsfestigkeit durch die Benetzung bis zu 60% ihres Wertes in Luft herabgesetzt wird, während bei den rostfreien Stählen ein Einfluss der Benetzung kaum wahrnehmbar und die an sich gute Ermüdungsfestigkeit in Luft infolgedessen auch bei Benetzung noch sehr hoch liegt.
Eingehende Versuche der Erfindern haben nun gezeigt, dass bei der Beanspruchung auf Schlagermüdung durch Kavitation und Tropfenschlag gar keine oder auf alle Fälle keine wesentliche Herabsetzung der Ermüdungsfestigkeit durch die Benetzung eintritt, möglicherweise deshalb, weil bei der Schlagermüdung nur ganz kurzzeitige Beanspruchungen vorkommen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass gewöhnliches (unlegiertes oder niedrig legiertes) Material und nichtrostendes Material von gleicher Ermüdungsfestigkeit in Luft in bezug auf Verschleiss durch Schlagermüdungsbeanspruchung praktisch gleich gut ist, woraus geschlossen werden muss, dass lediglich die Ermüdungsfestigkeit in Luft des Materials eine Rolle spielt.
An Stelle des teuren nichtrostenden Stahles kann somit für der Schlagermüdungsbeanspruchung ausgesetzte Teile mit gleichem Erfolg gewöhnlicher (unlegierter oder niedrig legierter) und zwecks Erzielung der erforderlichen Festigkeit entsprechend thermisch behandelter Stahl verwendet werden.
Aus diesen Versuchen ergab sich somit, dass für hohen Widerstand gegen Abnutzung durch Schlagermüdungsbeanspruchung ein Material mit möglichst hoher Ermüdungsfestigkeit in Luft am geeignetsten ist. Nun kann man aber bei Stahlteilen aus Gründen der leichten Bearbeitbarkeit mit der Zugfestigkeit (welche ungefähr doppelt so hoch ist wie die Ermüdungsfestigkeit in Luft) kaum über 100 kgjmm2 gehen, da sonst die Bearbeitung zu kostspielig wird, und ein Vergüten der Teile nach dem Bearbeiten kommt wegen den dabei unvermeidlichen Deformationen und Spannungen nicht in Frage. Ferner muss man auch von der Verwendung von Material zu hoher Zugfestigkeit, also hartem Material, deshalb absehen, weil dasselbe die erforderliche Zähigkeit nicht besitzt.
Es liegt im Wesen der Schlagermüdung, dass lediglich die Oberfläche der Körper der hohen Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt ist. Es muss also genügen, wenn die Oberfläche der Körper eine hohe Ermüdungsfestigkeit besitzt, was durch Oberflächenhärtung erreicht werden kann.
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Gestützt auf die erwähnten Versuchsergebnisse und die vorstehenden Erwägungen ist eine hydraulische Maschine, insbesondere Wasserturbine, Pumpe, Schiffspropeller u. dgl., gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ihre einer Anfressung durch Schlagermüdungsbeanspruchung infolge Kavitation oder Tropfenschlag ausgesetzten, mindestens teilweise aus gut bearbeitbarem, zähem, unlegiertem oder legiertem Stahl bestehenden Teile an der Oberfläche gehärtet sind. Ein solcher Teil besitzt zufolge seines zähen Kernes als Ganzes eine genügende Festigkeit und gleichzeitig eine hohe Oberflächenhärte.
Die Oberflächenhärtung kann durch Einsetzen oder Nitrieren vorgenommen werden. Zweckmässig sind als zähe legierte Stähle solche verwendet, die durch langsame Abkühlung nach Aufkohlung im Einsatz, also ohne nachträgliches Abschrecken, oberflächlich härtbar sind. Hiedurch werden die durch das Abschrecken bedingten Nachteile vermieden. Die langsame Abkühlung des Stahles kann im Ofen oder an der Luft erfolgen.
Es wurde die überraschende Tatsache festgestellt, dass sich durch die Oberflächenhärtung von Körpern aus gut bearbeitbarem, zähem, unlegiertem oder legiertem Stahl eine nicht erwartete ausserordentliche Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Schlagermüdungsbean- spruchung erreichen lässt und dass ferner der sonst bei Stahlstücken hoher Ermüdungsfestigkeit schädliche Einfluss von Kerben anscheinend bei Körpern nach der Erfindung keine Rolle spielt. Es kann schon nach kurzer Zeit eine Aufrauhung der Körper erfolgen, ohne dass jedoch später Anfressungen entstehen.
Zweckmässig werden die Körper vor der Oberflächenhärtung fertig bearbeitet. Es können auch nur die der Schlagermüdungsbeanspruchung ausgesetzten Stellen der Körper an der Oberfläche gehärtet, die übrigen Stellen dagegen weich gelassen werden.
Wie ausserordentlich günstig sich Körper verhalten, die aus zähem Stahl bestehen, der an der Oberfläche gehärtet ist, zeigen nachfolgende von der Erfindern durchgeführte Versuche :
EMI2.1
<tb>
<tb> Materialverlust
<tb> Material <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> inProzenten <SEP> des
<tb> Schläge <SEP> Probestückgewichtes
<tb> gewöhnlicher <SEP> Stahl <SEP> .................................................. <SEP> 3#5 <SEP> # <SEP> 106 <SEP> 7#27
<tb> rostfreier <SEP> Stahl <SEP> ..................................................... <SEP> 3#5 <SEP> # <SEP> 106 <SEP> 1#82
<tb> im <SEP> Einsatz <SEP> gehärteter <SEP> 6 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 0.
<SEP> 18
<tb> durch <SEP> Nitrieren <SEP> gehärteter <SEP> Stahl <SEP> 10 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 0'09
<tb> 8% <SEP> iger <SEP> Nickelstahlguss, <SEP> zementiert <SEP> und <SEP> langsam <SEP> im <SEP> Ofen <SEP> erkaltet... <SEP> " <SEP> 9'7 <SEP> X <SEP> 106 <SEP> 0'003
<tb>
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Hydraulische Maschine, insbesondere Wasserturbine, Pumpe, Schiffspropeller u. dgl., dadurch gekennzeichnet, dass ihre einer Anfressung durch Schlagermüdungsbeanspruchung infolge Kavitation oder Tropfenschlag ausgesetzten, mindestens teilweise aus gut bearbeitbarem, zähem, unlegiertem oder legiertem Stahl bestehenden Teile an der Oberfläche gehärtet sind.