Konstruktionsteil aus gehärtetem Stahl, besonders für Wälzlager. Dieser Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, dass gewisse innere Spannungen in gehärtetem Stahl sich mit durch gewisse äu ssere Kräfte verursachten Spannungen auf die Weise verbinden, dass die Fähigkeit .des Werkstoffes, den äussern Kräften wider stehen zu können, wächst, während gewisse andere innere Spannungen eine gegenteilige Wirkung haben.
Dies trifft besonders dann ein, wenn die äussern Kräfte einen begrenzten Teil der Fläche konzentriert angreifen, so dass nur gewisse Teile der Masse des Werk stoffes ihren Spannungszustand in höherem Masse ändern.
Untersuchungen des Spannungszustandes bei Körpern aus gehärtetem Stahl mit einer Härte von über etwa 600 Brinell haben er geben, dass die innern Spannungen von zweierlei Art sein können, nämlich einer seits sogenannte Mikrospannungen, die ein ander im Elementdes Materials das Gleich gewicht halten und seine Festigkeit, beson- ders die Härte, bestimmen,
und andernteils sogenannte Makrospannungen, die zum über wiegenden: Teil innerhalb eines grösseren Volumens des Werkstoffes gleichgerichtet sind und durch Kräfte in andern Volumen teilen des Werkstoffes in Gleichgewicht ge halten werden. Die Makrospannungen haben somit den .gleichen Charakter wie die durch äussere Kräfte verursachten Spannungen.
Über die Verteilung und Richtung der Makrospannungen wurden Untersuchungen vorgenommen, wobei -die Körper in gewöhn licher Weise behandelt wurden, und zwar durch Erwärmung über die Umwandlungs- temperatur mit nachträglicher schneller Ab kühlung in einem geeigneten Kühlmedium, beispielsweise<B>01</B> oder Wasser, und in ge wissen Fällen auch mit schliesslich erfolgtem Anlassen.
Als Beispiel mag erwähnt werden, dass Versuche auf Körper vorgenommen wor den sind, die auf<B>830'</B> C erwärmt, und so dann in öl auf eine Temperatur von<B>50'</B> C abgekühlt wurden., worauf sie während einer Stunde einem Anlassen bei etwa<B>150'</B> C aus gesetzt wurden. Diese Ziffern werden nur als ein Beispiel angegeben, .da bei verschiedenen Versuchen verschiedene Temperaturen und Zeiten .zur Verwendung gelangt sind.
Die Versuche wurden sowohl mit Stäben, als auch mit Ringen vorgenommen. Die Versuche haben gezeigt, dassi der fertig gehärtete und der Wärmebehandlung ausgesetzte Körper bedeutenden Zugspannungen in der Richtung parallel mit der Fläche unterliegt und dass in und um die innersten Teile des Werkstof fes entsprechende Druckspannungen herr schen.
Ferner hat es sich ergeben, dass die Spannungen in und in der Nähe ,der Ober fläche in verschiedenen Richtungen. von sehr verschiedener Grösse sind. Somit sind die parallel mit der Oberfläche wirkenden Span nungen gross,, während die senkrecht zur Oberfläche wirkenden klein sind. In der Ober fläche selbst können selbstverständlich keine senkrecht zur Oberfläche gerichteten innern Spannungen herrschen.
In Fig. 1 ist ein Volumenelement E eines Konstruktionsteils. veranschaulicht, bei wel chem Makrozugspannungen Z herrschen, die parallel mit der zu belastenden obern Fläche des Elementes gerichtet sind.
In Fig. 4 wirkt auf das Element E eine äussere Druckbelastung P ein. Es ist an genommen"dass sich das Element in der Mitte der Druckfläche befindet, wo die Beanspru chungen am grössten sind. Den Makrozug- spannungen Z wirken in den Seitenflächen aus der Belastung P resultierende Druck spannungen entgegen, so dass nur kleine re sultierende Zugspannungen ax, ay verblei ben.
Beider Anbringung von äussern Kräf ten auf einen; begrenzten Teil der Oberfläche eines Körpers, beispielsweise durch Belastung einer gegen den Körper ruhenden Kugel, tritt die gefährlichste Werkstoffbeanspruchung auf, unabhängig davon,
ob sie durch die grösste Schubbeanspruchung gekennzeichnet wird oder durch die grösste Gestaltänderungs- arbeit auf einer in der Mitte der Druckfläche senkrecht zur Oberfläche stehenden Linie, wahrscheinlich in kurzem Abstand von der Oberfläche.
In diesem gefährlichsten Punkt, dessen, Spannungszustand für die Festigkeit .des Werkstoffes bei dein fraglichen Be lastungsfall ausschlaggebend ist, herrschen Druekspannungen in allen drei Richtungen, doch ist die senkrecht zur Oberfläche gerich tete Druckspannung wesentlich grösser, als diejenige in den übrigen Richtungen (in .der Regel ungefähr dreimal so ,gross). Es ist auch dieser Unterschied in ;
der Grösse .der Spannungen, der eine Gefahr für ein Über schreitender Festigkeitsgrenzen darstellt.
Wenn nun der Werkstoff in unbelastetem Zustand Makrospannungen hat, die den Charakter von Zugspannungen haben und in der Nähe der Oberfläche parallel zu ihr lie gen, wird die gefährliche Werkstoffbean spruchung in hohem Masse erhöht,
da der nach der Belastung vorhandene Unterschied zwischen den Spannungen in normaler und tangentialer Richtung dann stark erhöht wird. Lediglich senkrecht zur Oberfläche ge- richtete Makrozugspannungen wirken vermin- d-ernd auf gefährliche Werkstoffbeanspru chungen. ein.
Diese theoretische Betrach tungsweise erklärt somit die entdeckte Er scheinung, dass es gerade bei konzentrierter Belastung vorteilhaft für die Festigkeit des 'ssrerkstoffes ist, dass Zugspannungen an. der Oberfläche fehlen und noch vorteilhafter, dass bereits vor Anbringung der äussern Be lastung parallel zur Oberfläche Druckspan nungen herrschen.
Fig. 2 veranschaulicht ein Volumenele ment eines Konstruktionsteils, bei welchem in unbelastetem Zustand überhaupt keine Makrospannungen vorhanden sind. Wenn auf ein solches Element eine Druckbelastung P einwirkt (Fig. 5), ist es von allen Seiten Druckspannungen ausgesetzt, die in Fig. 5 mit ax, 6y und oz bezeichnet sind.
Nach Fig. :6 wirken auf ein Element eines Konstruktionsteils in unbelastetem Zustand Makrodruckspannungen D ein, die parallel zu der zur Aufnahme von Druckbelastungen bestimmten Fläche sind. Fig. 6 zeigt ein Element, bei .dem ausser ilMakrodruckspannun,- gen D eine Druckbelastung P einwirkt, wo durch auf die Seitenflächen grössere resul tierende Druckspannungen ax, ssy entstehen.
Wenn nun die für -die Festigkeit des Konstruktionsteils gefährlichen Schubspan nungen gleich dem halben Unterschied der Hauptspannungen sind, ist es einleuchtend, dass die Schubspannungen kleiner werden, wenn die Hauptspannungen denselben; Cha rakter haben, d. h. wenn sie Druckspannun- gen sind, als wenn die Hauptspannungen verschiedener Art sind, beispielsweise die eine eine Druckspannung und die andere eine Zugspannung.
Dies trifft unter der Voraus setzung zu, dass die in F'ig. 1 und 3, gezeig ten Makrozugspannungen bezw. Makrodruek- spannungen von derselben Grössenordnung sind und dass auch -die Belastung P nach Fig. 4 und die Belastung P nach Fig. 6 von gleicher Grössenordnung ist. Durch Ausfüh ren eines Konstruktionsteils in solcher Weise, dass bei dessen Teil, der einer äussern Druck belastung ausgesetzt zu werden bestimmt ist,
entweder Spannungslosigkeit oder in unbe- lastetem Zustande Makrodruckspannungen' parallel mit der Oberfläche herrschen, erhält man einen gegen äussere Druckbelastungen widerstandsfähigeren Konstruktionsteil als im Falle, in .dem, wie in Fig. 1 gezeigt, Makrozugspannungen; parallel mit der zur Aufnahme von Belastung bestimmten Fläche herrschen.
Bei einer kreisförmigen Druckfläche, die beispielsweise entsteht, wenn eine Kugel gegen eine Ebene drückt, wird mit den in Fig. 5 verwendeten Bezeichnungen 6y <I>=</I> ax = 0,8<B>a, -</B> Hieraus folgt, dass- wenn die Makrodruck spannungen nach Fig. 3, also in unbelastetem Zustande, etwa 20,% der Belastung P aus machen, die :Schubspannungen nach der Be lastung ungefähr gleich 0 werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Konstruktionsteil aus gehärtetem Stahl, besonders für Wälzlager, welcher kon zentrierten äussern Beanspruchungen ausge- setzt wird, und besteht ,darin, dass in dem Teil des Werkstoffes, der dazu bestimmt ist durch äussere Kräfte beansprucht zu werden und der eine Härte von mindestens 600 Brinell hat,
in unbelastetem Zustand prak tisch genommen keine M.akrozugspannungen in parallelen Richtungen zur Oberfläche die ses Teils des Werkstoffes herrschen.
Bei der Prüfung einer grösseren; Anzahl Wälzlager ist bisher die -beider gleichen; Be lastung erreichte Lebensdauer bei verschiede nen Exemplaren des gleichen Lagers sehr ungleich . ausgefallen. Diese sogenannte Streuung wird durch .die Kurve 1 der Fig. 7 der beigefügten Zeichnung veranschaulicht. Die Anzahl der geprüften Lager ist auf der waagrechten N-Achse angegeben.
Die senk rechte L-Achse veranschaulicht die Lebens dauer .der betreffenden Lager. Die Streuungs kurve 1, die bei einer .genügend grossen An zahl Lager bisher grundsätzlich den glei chen Verlauf gehabt hat, unabhängig von der Konstruktion und Grösse der Lager und verhältnismässig unabhängig von allen bis her bekannten Beschaffenheiten des Lager werkstoffes, zeigt einen sehr grossen:
Unter schied zwischen der längsten und kürzesten Lebensdauer und gibt ausserdem. unter an derem an, dass die Lebensdauer der meisten Lager unter der mittleren Lebensdauer liegt. Die Streuung beträgt gewöhnlich ,30 bis 100 oder noch mehr.
Bei einer Prüfung von gugellagern, deren, Ringe als Konstruktionsteile nach der vor- liegenden, Erfindung ausgebildet waren und praktisch genommen keine Makrospannungen aufwiesen., ergab sich eine - Streuung nach Kurve 2.
Diese zeigt nicht nur eine wesent lich grössere Gleichwertigkeit bei den ver- schiedenen Lagerexemplaren (Streuung 2 bis 3), sondern auch wesentlich verlängerte Lebensdauerwerte. Die nach Kurve 1 mit einzelnen:
Lagern erreichbaren, verhältnis mässig hohen Werte dürften auf das Verhält nis zurückzuführen sein. dass die Makrozug spannungen in diesen Lagern zufälligerweise besonders klein ausgefallen sind, oder aber lokalisiert bezw. so .gerichtet waren, dass. sie nur in geringem Masse zu der Bildung der den Ermüdungseffekt bestimmenden Mate rialbeanspruchung beigetragen haben.
Dass die neue Streuungskurve 2 nicht vollkommen waagrecht verläuft, isst ganz natürlich, da der Werkstoff selbstverständlich Ungleich mässigkeiten aufweist, die in keinem Zusam-. menhang mit den Makrospannungen stehen.
Bai einer Prüfung von Wälzlagern, deren Ringe als Konstruktionsteile nach der Erfin dung ausgebildet waren und Makrodruck spannungen in der Oberschicht aufwiesen, ergab sich eine Streuung nach der Kurve 3. Die Lebensdauerwerte liegen hier noch höher als bei spannungslosem Werkstoff. Im Ver gleich mit den besten bekannten Lagermar- ken betrug die Lebensdauer ungefähr das Zehnfache, bezw. die Tragfähigkeit war mehr als verdoppelt worden.
(Unter Lebensdauer bezw. Tragfähigkeit ist hier die Lebensdauer bezw. Tragfähigkeit verstanden, die von 90 sämtlicher Lager überschritten wird und die auf den verschiedenen Kurven durch einen Punkt markiert worden ist.) Das Feststellen -des Vorhandenseins von Makrospannungen und ihr Charakter von Druck- oder Zugspannungen kann auf ver schiedene Weise erfolgen,
beispielsweise durch Röntgenuntersuchung von Kristall gitterverformungen oder durch Messen der Abmessungs- oder Formänderungen von Kör pern nach dem Entfernen einer örtlichen Werkstoffpartie.
Die Erzeugung der gewünschten Eigen schaften beim Werkstoff kann auf die Weise geschehen, dass die innern Spannungen im Werkstoff, durch zweckmässige Massregeln verstärkt, selbst in so grossem Masse Ände rungen im Werkstoff herbeiführen, dass die Makrozugspannungen an der Oberfläche zum Verschwinden gebracht werden, ohne dass gleichzeitig die Mikrospannungen in nicht wünschenswertem Masse vermindert werden.
Dies ist möglich, wenn der Werkstoff von der Härtetemperatur so weit abgekühlt wird, dass starke .innere Spannungen entstehen, worauf diese,Spannungen während einer gP- wissen Zeit wirken müssen, ehe eine Tempe- ratursteigerung vorgenommen wird. Die Zeit, unter welcher die Spannungen wirken müs sen, ist stark von der Temperatur abhängig, auf welcher die Körper gehalten werden.
Wird der Körper nach dem Härten auf etwa dem Gefrierpunkt abgekühlt, ist eine sehr lange Zeit für die Wirkung der innern Span nungen erforderlich und ein darauffolgendes Anlassen auf eine verhältnismässig hohe Temperatur. Wird dagegen der Körper auf wesentlich niedrigere Temperaturen abge kühlt, eventuell nachdem er erst auf Zim mertemperatur ,gebracht worden ist und wäh rend längerer oder kürzerer Zeit auf .dieser Temperatur gehalten wurde, wird die erfor derliche Wirkungszeit abgekürzt.
Geht man auf<B>-50'</B> C oder noch weiter herunter, wir ken die Spannungen so gut wie augenblick lich und der gewünschte Spannungszustand wird nach einer Temperatursteigerung auf eine Gradzahl erhalten, bei welcher die Mi krospannungen hoch bleiben.
Bei Körpern mit hohe und rasche Tem- peraturunterschiede aushaltender Form und Analyse kann man direkt von der Härtetem peratur, z. B. + 8:50 C auf beispielsweise <B>-100'</B> C heruntergehen. In der Regel ist es jedoch notwendig, die Abkühlung stufen weise vorzunehmen und den Körper während einer gewissen Zeit auf eine oder mehrere dazwischenliegende Temperaturen zu halten. Es hat sieh auch erwiesen, :dass eine derartige Verfahrensweise wesentliche wirtschaftliche Vorteile bietet.
Eine genügende Aktivität der innern Spannungen kann auch durch ihr Zusammen setzen mit durch äussere Kräfte verursachten Spannungen, z. B. einen allseitigen Druck. oder durch eine Erschütterung oder dergl. verursacht werden. Eine besonders kräftige Wirkung ist durch eine geeignete Kombina tion einer Temperatursenkung und der An bringung von äussern Kräften erzielbar.
Ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen aus, einem Werkstoff mit etwa 1 % C, 1 % Cr und 1 % Mn besteht darin, von der Härtetemperatur, etwa <B>850'</B> C, eine gewöhliche schnelle Abküh- lung auf ungefähr Zimmertemperatur herbei zuführen und darauf den Körper in einer zweckmässigen Flüssigkeit, z. B. Alkohol, auf etwa<B>-30'</B> C abzukühlen.
Darauf wird der Körper unmittelbar auf ein anderes, ähn liches Bad überführt, das auf 78 C abge kühlt ist, worin er verbleibt, bis er die Tem peratur des Bades angenommen hat. Hier auf wird der Teil wieder in das erste Bad gelegt, von welchem es Wärme entnimmt, weshalb dieses erste Bad kein besonderes Kühlmittel erfordert. Ein geeignetes Kühl mittel für das zweite Bad ist Kohlensäure schnee.
Nach dem Kühlen auf niedrige Tem peratur werden die Teile bei einer Tempera tur und während einer Zeit angelassen, die ihnen eine Härte von etwa 660 bis 670 Brinell gibt, wenn man einen praktisch ge nommen von Makrospannungen vollständig freien Werkstoff wünscht. In der Regel wird die Anlasstemperatur zwischen -I- <B>150</B> und -f- 250, C liegen.
Ein wirksameres Verfahren besteht darin, nach dem Härten ein stufenweises Abkühlen auf -2.5, -50, -75 und<B>-100'</B> C vor zunehmen. Zwecks Erzeugung der niedrig sten Temperatur in dieser Reihe wird am besten ein abgebrochenes Linde-Verfahren verwendet. Man kommt dann bei ,der glei chen Anlasstemperatur wie im vorgenannten Fall auf eine grössere Härte und höhere Tragfähigkeit.
Eine besonders günstige Verfahrens- weise besteht darin, den Körper zwischen dem Härten und Abkühlen längere Zeit auf Zimmertemperatur zu halten. Ferner ist es vorteilhaft, auf die gleiche Weise zwischen dem Abkühlen und dem Anlassen zu ver fahren.
Die Verstärkung der innern Spannungen durch die Anbringung äusserer Kräfte kann bei gleichzeitiger, vorhergehender oder nach- heriger Abkühlung erfolgen. Hierbei kann man -den Teil beispielsweise elektromagneti- schen Schwingungen aussetzen, so dass der Teil in starke Erschütterungen gerät.
Eine solche Erschütterung lässt sich am einfach sten unterhalten, wenn man dafür sorgt, dass die Frequenz der elektromagnetischen Schwingungen mit der Frequenz der mecha nischen Eigenschwingungen des Teils über einstimmt. Die hierfür notwendige Anord nung besteht beispielsweise aus einem ge wöhnlichen Tonfrequenzgenerator, in wel chem der zu behandelnde Teil die Stimm g a, bel bild et.
Selbstverständlich kann,das Behandlungs verfahren auf sehr verschiedene Weise-durch- geführt werden. Die Änderungen .im Span nungszustand und in der .Struktur im Ver lauf verschiedener Verfahrensarten ist selbst verständlich im einzelnen viel zu kompliziert.
um genau festgestellt werden zu können. Eine Feststellung der für jeden. einzelnen Fall geeignetsten Verfahrensart ist jedoch nach mit gewöhnlichen Fachkenntnissen aus geführten Erforschungen der Ergebnisse von verschiedenen Verfahrensarten möglich.
Durch die beschriebenen Verfahren erhält man einen Konstruktionsteil aus gehärtetem Stahl, welcher konzentrierten äussern Bean spruchungen ausgesetzt werden kann, wobei in dem Teil .des Werkstoffes, der .dazu be stimmt ist, durch äussere Kräfte, beansprucht zu werden und der eine Härte von mindestens 600 Brinell hat, in unbelastetem Zustand praktisch genommen,
keine Makrozugspan- nungen in parallelen Richtungen zur Ober fläche dieses Teils des Werkstoffes herr schen. Ein solcher Konstruktionsteil ist be sonders für Teile von Wälzlagern geeignet. Er ist jedoch auch für eine grosse Anzahl an derer Teile anwendbar, .die ähnlichen Bela stungen ausgesetzt sind, beispielsweise Stütz zapfen für Schleusentore, Brückenstützen., Matrizen, Schlagwerkzeugen und dergl.