DE2519875C2

DE2519875C2 - Welle mit einem Schweißüberzug aus rostfreiem Stahl

Info

Publication number: DE2519875C2
Application number: DE2519875A
Authority: DE
Inventors: Haruo Akane; Akira Andoh; Daijiro Osaka Matsukura; Shigeru Takahashi; Shozo Ujiie
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1975-05-03
Filing date: 1975-05-03
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE2519875A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Welle aus insbesondere geschmiedetem Kohlenstoffstahl mit einem auf mindestens einem Teil der Umfangsfläche durch Auftragsschweißen erzeugten Schweißüberzug aus rostfreiem Stahl. bo

Wellen dieser Art, wie beispielsweise die in F i g. 1 dargestellte Schiffpropellerwelle 1 oder eine Welle für Schiffsruder oder Schleusentore wurden bisher im Hinblick auf die Festigkeitsanforderungen aus vorzugsweise geschmiedetem Kohlenstoffstahl hergestellt und zum Schutz gegen Korrosion mit auf die Lagerbereiche aufgeschrumpften Bronzegußhülsen 2 versehen. Dabei sind die von den Bronzegußhülsen 2 getragenen Lagerelemente 3 über Halterungsteile 4 und ein zylindrisches Bauteil 5 an den tragenden Teilen 6 des Schiffes befestigt Auf die Welle 1 ist ferner eine Gummibeschichtung 7 und auf den konischen Abschnitt la eine Propellernabe aufgeschoben, die durch eine auf den Gewindeabschnitt 9 aufgeschraubte Mutter 10 gehalten wird. Da sich derartige Bronzegußhülsen nach aufgetretenem Verschleiß nur schwer reparieren lassen, muß meist ein Auswechseln erfolgen, was bei Schiffspropellerwellen zu verlängerten Dockliegezeiten und geringem Fahrteinsatz führt

Bei der aus der NL-OS 66 06 812 bekannten Welle der eingangs genannten Art soll der Schweißüberzug mit einem getauchten Lichtbogen aufgebracht werden und aus nicht näher bezeichnetem rostfreiem austenitischem Stahl bestehen. Auf diese Weise wird jedoch noch keine hinreichende Beständigkeit des Überzugs erzielt

Aus der DD-PS 10 968 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Kurbelwellen bekannt, bei welchem eine an den Übergängen von den Kurbelwangen zu den Kurbelzapfen bzw. den zylindrischen Wellenteilen beim Drehen stehengelassene oder aufgeschweißte Zugabe kalt eingehämmert oder eingewalzt wird. Hierbei wird jedoch nur der Grundwerkstoff der Kurbelwelle bearbeitet In einem Aufsatz (Klepzig Fachberichte 1973, Seiten 204-208) wird die Anwendung des Oberflächen-Feinwalzens zur Endbearbeitung zylindrischer Werkstücke beschrieben. Aus einer Veröffentlichung (Metall, 1962, Seiten 539-546) ist es ferner bekannt, vor dem Aufbringen einer metallgespritzten Schutzschicht den Haftgrund durch Strahlen mit Quarz, Stahlkies oder Korund vorzubehandeln. In einer anderen Arbeit (»Schweißen und Schneiden«, 1968, Seite 631) wird erwähnt, daß das für Auftragsschweißungen auf Walzwerkswalzen verwendete Schweißgut hohe Verschleißfestigkeit besitzen soll, bei der Walzarbeit nicht rißanfällig sein darf und Poren und Risse während des Schweißens vermieden werden sollen. Bei den vergenannten Verfahren wird jedoch weder rostfreier Stahl verwendet noch eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit angestrebt.

In der Zeitschrift »Technische Rundschau« Nr. 46 (4.11.6ο), Seiten 9 und 11 wird schließlich ausgeführt, daß man durch Erzeugen von Druckvorspannungen in Werkstücken eine größere Wechselfestigkeit und eine bessere Korrosionsbeständigkeit erreichen kann. Die Druckverspannungen werden durch Walzen der Oberfläche der Werkstücke oder bei Federn durch Kugelstrahlen erzeugt. Bei diesen Verfahren wird jedoch ebenfalls kein rostfreier Stahl verwendet und auch kein Schweißauftrag bearbeitet.

Aufgabe der Erfindung war es nun, eine Welle der eingangs genannten Art zu schaffen, die neben hervorragender Verschleißfestigkeit eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit und Beständigkeit gegen Rißbildung und Grübchenkorrosion aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Welle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Schweißüberzug aus mindestens einer Schweißschicht aus hochverschleißfestem, gegen Rißbildungskorrosion und Orübchenkonosion beständigem molybdänhaltigem austenitischem Cr-Ni-Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt besteht und

b) der Schweißüberzug eine gewalzte oder kugelgestrahlte Oberfläche besitzt und

c) der Schweißüberzug und der daran anschließende Bereich der Welle in den Druckbereich verschobene Restspannungen aufweist

Bei der erfindungsgemäßen Welle sind die Restspannungen in den Druckbereich verschoben (vgL F i g. 2). Gleichzeitig wird eine wesentlich besrere Ermüdungsfestigkeit (vgl. Fig.3) und eine sehr viel höhere Beständigkeit gegen Rißbildung und Grübchenkorrosion erzielt

BevorSägte Aushlhrungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Welle und deren Herstellung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch die bereits beschriebene Lagerkonstruktion einer herkömmlichen Schiffspropellerwelle,

Fig.2 eine grafische Darstellung der axialen Restspannungsverteilung in hartmetallbeiegten Wellen,

Fig.3 eine grafische Darstellung der Ermüdungsgrenze hartmetallbelegter Wellen unter Drehbiegebeanspruchung,

Fig.4 eine grafische Darstellung der in einem Korrosionsversuch unter Rotationsbedingungen durch Korrosion bewirkten Gewichtsverluste,

F i g. 5 eine grafische Darstellung der in einem Korrosionsversuch unter nicht-drehenden Bedingungen durch Korrosion bewirkten Gewichtsverluste,

F i g. 6 eine schematische perspektivische Ansicht einer rotierenden Verschleißprüfvorrichtung,

F i g. 7 eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Verschleißversuchen am Lager,

F i g. 8 eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Verschleißversuchen an der Hülse,

F i g. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines mit einer Stopfbüchsenpackung zusammenwirkenden Verschleißprobestückes,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Welle,

F i g. 11 einen schematischen Querschnitt durch benachbarte Schweißraupen,

Fig. 12 eine perspektivische Seitenansicht einer mit einer Spule versehenen Kontaktbacke für eine getauchte Lichtbogenschweißmaschine mit einer bandförmigen Elektrode,

Fig. 13 eine schematische Ansicht der Verbindung der Starkstromleitung und der Rückleitung der Schweißmaschine,

F i g. 14 eine in Achsrichtung der Welle gesehene schematische Ansicht einer Zuführvorrichtung für eine bandförmige Elektrode,

Fig. 15 eine teilweise weggebrochene Ansicht einer Walzvorrichtung,

Fig. 16 eine Ansicht einer Vorrichtung zum Walzen eines kegelig zulaufenden Wellenbereiches,

Fig. 17 eine grafische Darstellung der Härteverteilung nach dem Walzen,

F i g. 18 eine perspektivische Ansicht der Lage der für die Versuche verwendeten Probestücke,

Fig. 19 die Lage und die Form der für die Schlagtestigkeitsversuche verwendeten Probestücke,

Fig.20 einen Längsschnitt durch eine Einbauform der erfindungsgemäßen Welle,

Fig.21 einen Längsschnitt durch eine andere Einbauform der erfindungsgemäßen Welle,

F i g. 22 einen teilweisen Längsschnitt durch das eine Propellernabe tragende Ende einer erfindungsgemäßen Welle und

F i g. 23 einen teilweisen Längsschnitt durch eine mit einer Keilnut versehene Welle.

Zur Prüfung der Korrosions- und Verschleißfestigkeit der für die Hartmetallbeläge verwendeten rostfreien Stähle und Aluminiumbronzen wurden Wellenkörper aus Stahl SF 45 durch MIG-Schweißen mit Schweißüberzügen versehen unter Verwendung der folgenden Hartmetallbelagsdrähte:

rostfreier Stahl:

SUS 309 Mo (Molybdänzusatz)
SUS 316

SUS 316 L (niedriger Kohlenstoffgehalt)
Aluminiumbronze:

DCuAlNi äquivalent

1) Korrosionsbeständigkeitstest

Obgleich rostfreie Stähle in Seewasser hinsichtlich der Korrosion im ganzen überlegene Eigenschaften besitzen, bestehen Probleme mit lokaler Korrosion, wie Grübchenkorrosion und Rißkorrosion. Die Korrosionsund Verschleißfestigkeit der Probestücke wurde daher in einer Modellversuchseinrichtung unter Bedingungen geprüft bei welchen die Probestücke in Seewasser rotierten oder nicht rotierten. Die Lagerhülsen waren Messingringe mit als Lagermaterial verwendetem synthetischen Nitrilgummi. Der durchschnittliche Flächendruck auf die Lager wurde durch Belastung der Lagergehäuse ausgeübt

Die vorstehend genannten Probestücke und die aus der Kupferlegierung BC3 bestehenden Vergleichswellen waren maschinenbearbeitete Rundstäbe mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Länge von 140 mm, die auf einer zylindrischen Schleifmaschine einer Oberflächenbehandlung mit einer Rauhigkeit R_m,_iX 1,5 s unterzogen und zur Entfettung mit Aceton gewaschen worden waren.

Die Korrosions- und Verschleißfestigkeitstests erfolgten mit einer Drehzahl von 1900 U/min bei einem Flächendruck von 2 kg/cm² mit Nitrilkautschuk als Lagermaterial und natürlichem Seewasser von 32 bis 35⁰C als Versuchslösung bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 l/min.

In einem weiteren Versuch wurden Probestücks mit nur darübergeschobenen Lagerhülsen unter nicht-rotierenden Bedingungen horizontal in den Seewasser-Zirkulationsbehälter des Korrosionsfestigkeits-Prüfgerätes in etwa halber Höhe des Flüssigkeitsstandes eingesetzt.

In beiden Versuchen wurden die durch Korrosion entstehenden Gewichtsverluste derart bestimmt, daß die Probestücke jeweils alle zwei Wochen herausgenommen, mit Wasser gewaschen und dann getrocknet wurden, um den Unterschied in den Gewichten der Probestücke vor und nach dem Versuch zu berechnen. Die Ergebnisse des Korrosions- und Verschleißversuchs unter nicht-drehenden Bedingungen sind in F i g. 4 grafisch dargestellt. Diese zeigt, daß die drei Hartmetallbeläge aus den rostfreien Stahlsorten SUS 316, SUS 316 L und SUS 309 Mo eine überlegene Korrosionsund Verschleißfestigkeit besitzen, da ihre Gewichtsverluste noch nicht einmal Vio derjenigen der Kupferlegierung BC3 betragen. Bei einem Vergleich der drei rostfreien Stahlsorten untereinander ist zu erkennen, dall die Stähle SUS 316 und SUS 316 L einander in ihrer Korrosions- und Verschleißfestigkeit etwa gleichkommen und die Stahlsorte SUS 309 Mo eine etwas geringere Beständigkeit besitzt Hinsichtlich der Ober-

flächenbeschaffenheit nach dem Versuch zeigten die drei rostfreien Stähle die ursprüngliche Metallhaut ausgenommen in den mit den Lagerhülsen und den öldichtungen in Berührung stehenden Bereichen, und es wurden keine Spuren von Grübchen-Korrosion oder Rißkorrosion beobachtet.

Die Ergebnisse des Korrosionsversuches unter nicht-drehenden Bedingungen sind in F i g. 5 grafisch dargestellt. Diese zeigt, daß die drei rostfreien Stähle nach achtzehntägigem Eintauchen keinen Gewichtsverlust durch Korrosion aufwiesen, passiv wurden und eine perfekte Verschleißfestigkeit behielten, während die Kupferlegierung BC3 mit der Zeit wachsende Gewichtsverluste durch Korrosion zeigte. Im Vergleich untereinander zeigten die rostfreien Stähle SUS 316 und SUS 316 L im wesentlichen die gleiche Korrosionsbeständigkeit, während der rostfreie Stahl SUS 309 Mo den übrigen beiden geringfügig unterlegen war. Hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit zeigten die Probestücke aus rostfreiem Stahl nach dem Versuch die ursprüngliche Metallhaut ohne Grübchenkorrosion oder Rißkorrosion selbst in den mit den Lagerhülsen in Berührung stehenden Bereichen. An der Oberfläche der Kupferlegierung BC3 wurde dagegen eine Verfärbung beobachtet.

2) Verschleißversuch
a) Ergebnisse des Verschleißversuches mit Lagern

Bei seewassergeschmierten Heckrohr-Lagersystemen bilden die Verschleißerscheinungen der Wellenhülsen und Lagermaterialien einen wesentlichen Faktor für die Lebensdauer der Welle und der Lager. Da bei dem vorstehend beschriebenen Korrosions- und Verschleißversuch in Seewasser der Lagerverschleiß so gering war, daß er nicht gemessen werden konnte, wurde ein weiterer Versuch unter schärferen Bedingungen durchgeführt Ebenso wie in dem vorstehend beschriebenen Versuch wurden als Probestücke die gleichen drei Hartmetallbelagsmaterialien aus rostfreiem Stahl und synthetischer Nitrilkautschuk als Lagermaterial in einer rotierenden Verschleißprüfvorrichtung gemäß Fig.6 benutzt Das jeweils mit einem Hartmetallbelag aus einem der erwähnten Hartmetallbelagsmaterialien aus rostfreiem Stahl versehene Wellen-Probestück 11 war ein im folgenden als Probehülse bezeichneter ringförmiger Körper mit einem Innendurchmesser von 38 mm, einem Außendurchmesser von 56 mm und einer Länge von 12 mm. Das Lager-Probestück 12 bestand aus einem Messingstab 13 mit einem Durchmesser von 12 mm, auf dessen Stirnfläche ein quadratisches Element 14 aus synthetischem Nitriikauischuk mii einer Kaiiieniänge von 10 mm und einer Stärke von 2 mm aufgeklebt war. Der Versuch wurde mit einer Verschleißgeschwindigkeit von 3,5 m/sec (1320 U/min) und Belastungen von 30 bzw. 60 kg/cm² in einer Versuchsdauer von lOOOx 10⁴ Umdrehungen unter Verwendung von Leitungswasser als Schmiermittel bei einer Schmiermittelzufuhr von 500 ml/min durchgeführt Nach dem Versuch wurde der Verschleiß unter Verwendung einer mikrochemischen Waage für die Hülsen-Probestücke und eines Mikrometers für die Lager-Probestücke gemessen. Die Versuchsergebnisse sind in den F i g. 7 und 8 grafisch dargestellt Diese enthalten ferner zum Vergleich die Verschleißergebnisse einer Kombination aus einem Pockholzlager und einer Hülse aus BC2+0.5 Ni (Kupferlegierung BC2 mit zusätzlichem Gehalt von 0,5 Gew.-% Ni), welche unter den herkömmlichen, aufgeschrumpften Kupferlegierungshülsen die größte Verschleißfestigkeit besitzt. Die mit einer Belastung von 30 kg/cm² erhaltenen Ergebnisse sind in Fig.7 strichpunktiert dargestellt, während die ausgezogenen Linien sich auf eine Belastung von 60 kg/cm² beziehen. In F i g. 8 entsprechen die dunklen Säulen einer Belastung von 30 kg/cm² und die hellen Säulen einer Belastung von 60 kg/cm².

Wie F i g. 7 zeigt, ist das Verschleißausmaß des Gummilagers in Kombination mit jedem der Hartmetallbeläge aus rostfreiem Stahl nach 1000 χ 10⁴ Umdrehungen wesentlich geringer als das Verschleißausmaß der Kombination eines Pockholz-Lagerstückes und eines Hülsen-Probestückes aus der Kupferlegierung BC2 + 0,5Ni. Da das Gummi-Lagermaterial im Vergleich zum Pockholz die charakteristische höhere Elastizität besitzt, ist das Verschleißausmaß in den Anfangsstufen beim Gummi-Lagermaterial größer, da dabei das während des Anpressens erzeugte Deformationsausmaß eingeschlossen ist Der richtige Zeitpunkt zum Vergleich des Verschleißausmaßes ist daher nach etwa 20OxIO⁴ Umdrehungen nach Erreichen des stabilen Verschleißbereiches.

Der Vergleich der durch den Verschleiß bewirkten Gewichtsverluste der Hülsen-Probestücke zeigt, daß das Verschleißausmaß bei den mit Hartmetallbelägen aus rostfreiem Stahl versehenen Hülsen-Probestücken nur Vs bis '/ιο des Verschleißausmaßes der Kombination aus Pockholz und einer Hülse aus der Kupferlegierung BC2 + 0.5 Ni beträgt Bei einem Vergleich der drei

3n verwendeten rostfreien Stähle hinsichtlich des Verschleißes der Hülsen und der Lager ist zu erkennen, daß die rostfreien Stähle SUS 316 und SUS 316 L in ihrer Verschleißfestigkeit im wesentlichen gleich sind und der rostfreie Stahi SUS 309Mo eine etwas geringere Verschleißfestigkeit besitzt Aus diesen Ergebnissen läßt sich ableiten, daß die Kombination einer mit einer Hartmetallauflage aus rostfreiem Stahl versehenen Welle mit einem Lager aus synthetischem Nitrilgummi eine wesentlich größere Lebensdauer besitzt, als eine Kombination aus einer aufgeschrumpften Kupferhülse und Pockholz, wie sie bisher für die seewassergeschmierten Heckrohrlager benutzt wird.

b) Ergebnisse der Verschleißversuche
mit Stopfbüchsenpackungen

Da die Verschleißfestigkeit von Wellenflächen nicht nur in Verbindung mit Lagermaterialien, sondern auch in Verbindung mit einer Stopfbüchsenpackung wichtig ist, wurde ein Verschleißversuch mit Kombinationen aus

so drei Hartmetallbelägen aus rostfreiem Stahl, einer Aluminiumbronze und einer Stopfbüchsenpackung durchgeführt wobei die Versuchseinrichiung derart ausgebildet war, daß jeweils ein Probestück in Leitungswasser mit einer Stopfbüchsenpackung umschlossen und diese zur Erzeugung einer Reibungsbelastung unter Zugspannung gesetzt wurde. Die vier verwendeten Probestücke entsprachen der in Fig.9 dargestellten Form mit einem aus der Stahlsorte SF 45 bestehenden Wellenkörper 15 mit einem Innendurchmesser von 35 mm, einem Außendurchmesser von 45 nun und einer Länge von 92 mm, wobei an der Außenfläche zwei Ringnuten 16 und 17 mit einer Tiefe von 3 mm und einer Breite von 23,5 mm vorgesehen waren, in denen jeweils ein durch MIG-Schweißen erzeugter Hartmetallbelag 18 aus rostfreiem Stahl der Typen SUS 316 bzw. SUS 316 L bzw. SUS 309 Mo oder aus Aluminiumbronze eingebracht und auf vorbestimmte Abmessungen endbearbeitet worden war. Die

verwendeten Stopfbüchsenpackungen bestanden aus einem weißen fettimprägnierten Ramiegeflecht (Nr. 426 der Firma Nippon Pillar Packing Co., Ltd.), das in der Schiffbauindustrie allgemein verwendet wird. Der Vet schleißversuch erfolgte mit einer Drehzahl von 2150, einer Umfangsgeschwindigkeit von 5 m/sec, einem Kontaktflächendruck von 6,6 kg/cm², einer Wassermenge von 28 bis 32 Litern pro Stunde, einer Packungsab-Normaltemperatur benutzt. Nach dem Versuch wurde das durch Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit gemessene Verschleißausmaß durch Messung der Oberfläche des Probestückes mittels einer Kosaka-Uni-

versal-Oberflächenkonfigurations-Testvorrichtung,
Messen der Fläche mittels eines Planimeter und Berechnung der durchschnittlichen Tiefe ermittelt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle 1 zusammen-

messung von 125 mm über	eine Versuchszeit von 500	gestellt.	SUS316L	SUS 309Mo	1
Stunden. Als Kühlwasser	wurde Industriewasser mit i<>		412,1	411,4	■f. I ;&:
Tabelle 1					<A
	DCuAlNi	SUS 316	411,83	411,22	f
Gewicht vor dem	402,1	412,5
Versuch, g			0,27	0,18
Gewicht nach dem	398,96	412,24	0,07	0,04
Versuch, g
Gewichtsverlust, g	3,14	0,26
Verschleiß, %	0,78	0,06
Verschleißausmaß			10,1	6,2
durch Messung der Ober
flächenrauhigkeit			6,7	4,1
Volumenverlust durch	9,0	10,2	0,25	0,16
Verschleiß, cm³
Tiefe	6,0	6,3
Gewichtsverlust bei	0,23	0,26
einem spe7ifischen
Gewicht von 9 g/cm³

Ein Vergleich der vier Probestücke hinsichtlich der durchschnittlichen Verschleißtiefe zeigt, daß das Verschleißausmaß in der Reihenfolge SUS 309 Mo, SUS 316 L und SUS 316 zunimmt, jedoch selbst das letztgenannte nur die Hälfte des Verschleißausmaßes der herkömmlichen Kupferlegierung BC3 aufweist und im wesentlichen vergleichbar ist zu der Kupferlegierung BC2+0,5 Ni. Aus diesen Ergebnissen ist zu ersehen, daß bei Kombination einer Stopfbüchsenpackung und einer Hartmetallbeschichtung aus rostfreiem Stahl eine mindestens gleich hohe oder höhere Verschleißfestigkeit erhalten wird, als bei den herkömmlichen Hülsenmaterialien aus Kupferlegierungen.

Die vorstehend beschriebenen Ergebnisse machen deutlich, daß die Verwendung von rostfreiem Stahl als HartmetRUbeUig eine höhere Korrosions- und Verschleißfestigkeit ergibt, als die herkömmlichen Kupferlegierungshülsen.

Das Aufbringen des Hartmetallbelages auf die Welle erfolgt zweckmäßig mit einer Vorrichtung der in F i g. 10 dargestellten Art In dieser ist ein Wellenkörper 19 auf in einem axialen Abstand voneinander angeordneten Rollenpaaren 20 drehbar gelagert und mit einer Wickelschraube 21 versehen. Auf neben dem Wellen- eo körper 19 zu diesem parallel verlaufenden Schienen 25 ist eine Band-Iichtbogenschweißmaschine 22 mit einem Flußmittelzuführungsrohr 24 und einer bandförmigen Elektrode 23 aus einem Hartbelagmaterial aus rostfreiem Stahl oder Aluminiumbronze verfahrbar angeordnet An der Vorderseite der Band-UchtbogenschweiB-maschine 22 ist ein Zugdraht 26 befestigt, der über Umlenkrollen 27, 28 und 29 läuft, die vor bzw. seitlich von der Schweißmaschine 22 und dem Wellenkörper 19 angeordnet sind. Der über die Umlenkrollen laufende Zugdraht 26 ist mit seinem anderen Ende an der Wickelschraube 21 befestigt und in den Grund der Gewindezüge eingefügt

Da die Band-Lichtbogenschweißmaschine 22 die Schweißelektrode 23 auf die Umfangsfläche des Wellenkörpers 19 aufschweißen soll, um diesen über eine vorbestimmte Länge mit einem Hartmetallbelag zu versehen, befindet sich die Band-Lichtbogenschweißmaschine 22 zu Beginn auf den Schienen 25 an einem Ende der Schweißposition. Nun werden die Rollen 20 mittels einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung und ebenfalls nicht dargestellter Kraftübertragungsvorrichtung mit konstanter Geschwindigkeit in einer Richtung verdreht, wodurch eine P.otation des Wellenkörpers 19 und ein Aufwickeln des Zugdrahtes 26 auf die Wickelschraube 21 bewirkt wird, so daß die Band-Iichtbogenschweißmaschine 22 auf den Schienen 25 allmählich verschoben wird, während infolge der Verdrehung des Wellenkörpers 19 ein spiralförmiger Schweißfiberzug 30 aufgebracht wird. Auf diese Weise wird der Hartmetallbelag über eine vorbestimmte Strecke aufgebracht Zur Rückführung der Band-Iichtbogenschweißmaschine 22 in ihre Ausgangsstellung kann am gegenüberliegenden Ende des Wellenkörpers 19 eine ähnliche, nicht dargestellte Wickelschraube angeordnet sein, wobei ein ebenfalls nicht dargestellter, einerseits mit der Wickelschraube und andererseits mit der Rückseite der Band-Iichtbogenschweißmaschine 22 verbundener Zugdraht zur Zurückführung der Band-Lichtbogenschweißmaschine in die Ausgangsstellung

auf die zweite Wickelschraube aufgewickelt werden kann. Durch geeignete Wahl der Wickelschraube kann die Vorschubgeschwindigkeit der Band-Lichtbogenschweißmaschine 22 zweckentsprechend eingestellt werden. Diese Arbeitsweise kann insbesondere für Wellenkörper mit einem Durchmesser von 600 mm oder darunter benutzt werden.

Da bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Band-Lichtbogenschweißmaschine 22 durch die Verdrehung der zu bearbeitenden Welle bewegt wird, ergibt sich der Vorteil, daß der Schweißbelag kontinuierlich in einer Spiralform erzeugt werden kann und der Stoß zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der Windungen des Belages gleichmäßig ist.

Wenn bei der vorstehend beschriebenen Aufbringung eines Schweißbelages durch Band-Lichtbogenschweißen die Raupe an ihrem in Breitenrichtung liegenden Rand rechtwinklig verliefe, bestünde die Gefahr, daß in den Stoß zwischen den benachbarten Raupen unzureichend geschmolzene Anteile und/oder Schlacke eingeschlossen werden. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist der von der nachfolgend benachbarten Raupe überlappte Seitenrand 31a der Raupe 31 unter einem Winkel von etwa 30 bis 35° abgeschrägt, wie dies in F i g. 11 dargestellt ist, so daß der Schweißbelag so aufgebracht wird, daß jeweils der zugewandte Rand der nachfolgend benachbarten Raupe den abgeschrägten Rand 31a überlappt.

Zur Erzeugung einer Raupe 31 mit abgeschrägtem Seitenrand 31a wird zweckmäßig eine Schweißvorrichtung der in Fig. 12 und 13 dargestellten Art benutzt. Diese besitzt eine Gleichstrom-Schweißmaschine 32 mit einer Starkstromleitung 33, einer Rückleitung 34, einer bandförmigen Elektrode 23 und einer Kontaktbacke 35. Die Starkstromleitung 33 ist mit der Kontaktbacke 35 über eine an deren äußerer Umfangsfläche angeordnete Spule 36 kurzgeschlossen. Die Rückleitung 34 ist zur Bildung des abgeschrägten Seitenrandes 31a mit dem Ende des Wellenkörpers 19 auf der Seite kurzgeschlossen, auf der der abgeschrägte Seitenrand 31a in Querrichtung zur Raupe 31 erzeugt werden soll, d. h. an der Seite, zu welcher die Raupe 31 bewegt wird. Der Wickelsinn der Spule 36 ist dabei so gewählt, daß die Raupe 31 zu der Seite hin abweicht, die der Seite auf welcher der abgeschrägte Seitenrand 31a erzeugt werden soll gegenüberliegt Wenn der Schweißstrom konstant ist, kann der Neigungswinkel des abgeschrägten Seitenrandes 31a durch Erhöhung oder Verringerung der Windungszahl der Spule 36 eingestellt werden. Auf diese Weise kann ein der Windungszahl der Spule 36 proportionaler Neigungswinkel erzeugt werden. Die Windungszahl kann leicht verändert werden, indem man an der Spule 36 eine Mehrzahl von Anschlüssen 36a vorsieht

Darüber hinaus kann eine der vorstehend beschriebenen ähnliche Raupe 31 erzeugt werden, indem man die Rückleitung 34 mit dem Wellenkörper 19 über die Spule 36 der Kontaktbacke 35 kurzschließt und die Starkstromleitung 33 direkt mit der Kontaktbacke 35 kurzschließt Da der Wellenkörper 19 verdreht wird, kann das Kurzschließen der Rückleitung 34 mit dem Wellenkörper 19 durch eine diesen tragende Rolle 20 der in F i g. 10 dargestellten Art erfolgen.

Um zu vermeiden, daß die Verfestigungsgeschwindigkeit des aufgebrachten Metalls auf den Wellenkörper 19 es von dessen Umdrehungsgeschwindigkeit abweicht und durch Fließen des aufgebrachten Metalls Unterschiede in der Schichtdicke der aufgebrachten Metallschicht entstehen, wird in der in Fig. 14 dargestellten Weise eine bandförmige Elektrode 23 von einer an der Band-Lichtbogenschweißmaschine 22 angeordneten Spule abgezogen und der Oberfläche des Wellenkörpers 19 und einem Punkt B zugeführt, der bezogen auf eine durch die Mittelachse 19a des Wellenkörpers 19 verlaufende imaginäre Senkrechte A um eine etwa '/5 bis '/io der Umfangslänge betragende Strecke entgegen der Umdrehungsrichtung nach rückwärts versetzt liegt. Auf diese Weise wird der Kühlweg für das aufgebrachte Metall um die Bogenlänge zwischen dem Zuführpunkt B der bandförmigen Elektrode 23 und der imaginären Senkrechten A verlängert, so daß eine von Fließerscheinungen freie, befriedigende Verfestigung des aufgebrachten Metalls und eine wirksame Hartmetallbelegung bei vergrößerter Umdrehungsgeschwindigkeit des Wellenkörpers 19 erzielt wird.

Mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Arbeitsweisen werden auf die Außenfläche des Wellenkörpers 19 zwei oder drei Schweißauftragsschichten aufgebracht und auf einer Drehbank auf eine die vorbestimmte Beschichtungsstärke von beispielsweise 3 bis 5 mm um etwa 1 mm übersteigende Dicke abgedreht und nachfolgend gewalzt.

Die in Fig. 15 dargestellte Walzvorrichtung für den mit einem Hartmetallbelag versehenen Wellenkörper 19 weist zwei an dessen gegenüberliegenden Seiten an dessen Oberfläche anliegende Druckwalzen 40a und 406 auf, die um zur Längsachse des Wellenkörpers 19 parallele Achsen drehbar gelagert sind. Die Druckwalzen 40a und 40b sind jeweils in Lagern 45a bzw. 456 gelagert, die an den Kolbenstangen 44a und 446 von in Druckzylindern 43a bzw. 436 verschiebbar geführten Kolben befestigt sind. Die Druckzylinder 43a und 43b sind an einander gegenüberliegend angeordneten Gestellen 42a bzw. 42b befestigt, die ihrerseits auf einer Grundplatte 41 montiert sind. Die den Kolbenstangen 44a bzw. 44b gegenüberliegenden Kammern 47a bzw. 47b der Druckzylinder 43a bzw. 43b sind miteinander über eine Druckmittelleitung 46 verbunden, die über eine Druckmittelzuleitung 49 mit einer Druckmittelpumpe 48 in Verbindung steht Die Druckmittelleitung 46 ist ferner mit einem Druckmittelspeicher 50 und einem Druckauslaß-Regelventil 51 versehen. In der Druckmittelzuleitung 49 ist ein Absperrventil 52 und ein Umsteuerventil 53 vorgesehen.

Im Betrieb wird das Absperrventil 52 geöffnet um von der Druckmittelpumpe 48 Druckflüssigkeit in die Kammern 47a und 47b der Druckmittelzylinder 43a bzw. 43b einzuführen, wodurch die Kolbenstangen 44a und 44b verschoben werden, bis die Druckwalzen 40a und 40Z» gegen den zu bearbeitenden Wellenkörper 19 anliegen. Anschließend wird der von den Druckwalzen 40a und 406 auf den Wellenkörper 19 ausgeübte Druck schrittweise erhöht, bis er dem durch das Regelventil festgelegten Druck entspricht Unter diesen Bedingungen üben die Druckwalzen 40a und 40b vorbestimmte Drucke der gleichen Größe aus. Nachdem die Drucke in den Kammern 47a und 476 den durch das Regelventil 51 vorgegebenen Druck erreicht haben, kann das Absperrventil 52 geschlossen und die Druckmittelpumpe 48 stillgesetzt werden, da die Aufrechterhaltung des erforderlichen Öldruckes durch den Druckmittelspeicher 50 gewährleistet ist Unter diesen Bedingungen kann der Wellenkörper 19 selbst bei axialen Variationen seiner Querschnittsfonn, beispielsweise abgeschrägten Flächen 54 der in Fig. 16 dargestellten Art, einer kontinuierlichen Druckbearbeitung unterzogen werden.

Wenn die Bearbeitung des Wellenkörpers 19 durch die Druckwalzen 40a und 40b an dem Wellenende geringeren Durchmessers beginnt, wird das überschüssige Druckmittel durch das Druckauslaß-Regelventil 51 abgelassen und bei einem Beginn der Bearbeitung am Wellenende größeren Druchmessers durch den Druckmittelspeicher 50 ein konstanter Druck aufrecht erhalten. Nach Beendigung der Bearbeitung wird das Umsteuerventil 53 betätigt, das Absperrventil 52 geöffnet und die Druckmittelpumpe 48 angetrieben, wobei zur Rückbewegung der Druckwalzen 40a und 40£> Drucköl über eine Leitung 55 in die gegenüberliegenden Kammern 56a und 56b der Druckmittelzylinder 43a und 43b eingeführt wird.

Wenn der Schweißbelag auf diese Weise gewalzt worden ist, wird er auf die vorbestimmte Dicke abgedreht. Die so nach Aufbringung des Hartmetaiibelages gewalzte Welle unterscheidet sich von einer normalen, mit einem Hartmetallbelag versehenen Welle durch die in Fig. 17 dargestellten, großen Abweichungen in der Härteverteilung und die in F i g. 2 dargestellte Verteilung der Restspannung, so daß die erfindungsgemäßen Wellen insgesamt eine wesentlich verbesserte Ermüdungsfestigkeit aufweisen.

Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen, hartmetallbelegten Wellen wurden Wellen aus geschmiedetem Stahl SF 45 mit einem Durchmesser von 170 mm unter Verwendung von 0,4 mm starken und 50 mm breiten bandförmigen Elektroden aus den rostfreien Stahlsorten SUS 309 und SUS 316 L als erste bzw. zweite Schicht über eine axiale Strecke von 320 mm mit Schweißüberzügen versehen, wobei die Raupen in jeder Schicht 2 mm stark und 45 mm breit waren. Das Schweißen erfolgte mit einer Stromstärke von 650 bis 800 A, einer Spannung von 20 bis 25 V und einer Geschwindigkeit von 20 bis 25 cm/min bei Verwendung von Gleichstrom und einer Gleichrichteranlage. Die so erhaltene Welle wurde dann mittels der in Fig. 15 dargestellten Walzvorrichtung unter Verwendung von Druckwalzen mit einem Durchmesser von 150 mm bei einer Wellengeschwindigkeit von 4 mm/sec und einer Umfangsgeschwindigkeit der Welle von 60 mm/sec gewalzt Der Walzdruck betrug in einem ersten Lauf 41 und einem zweiten 6 t Die erhaltenen Wellen wurden dann auf ihre Makrostruktur und ihre MikroStruktur untersucht und einem Seitenbiegeversuch und einem Schlagversuch unterworfen. Die bei den einzelnen Versuchen verwendeten Probestücke wurden aus den in Fig. 18

j dargestellten Bereichen der Welle entnommen und auf eine vorbestimmte Größe und Form endbearbeitet. Die Probestücke a bis d wurden für den Seitenbiegeversuch, das Probestück e für den Schlagversuch und das Probestück / für die Untersuchung der Makrostruktur

ι ο und der MikroStruktur benutzt.

Die dabei ermittelte Makrostruktur zeigt, daß keine beispielsweise durch Schlackeneinflüsse verursachte Defekte im Grenzbereich zwischen dem Schweißbelag und dem Grundmetall, im Grenzbereich zwischen den Schichten des Schweißbelages und in den Grenzbereichen zwischen den Raupen vorhanden sind.

Die Mikrosiruktur zeigt bei Untersuchungen des an zweiter Stelle aufgebrachten Metalls, des Grenzbereichs zwischen der ersten und der zweiten Schweißauftragsschicht, des Grenzbereichs zwischen der ersten Auftragsschicht und dem Grundmetall und des Grundmetalls, daß keine anomalen Strukturen, wie beispielsweise Martensit, oder das Auftreten kleiner Risse im Grenzbereich zwischen dem Grundmetall und dem ei sten Schweißbelag beobachtet werden.

Zur Untersuchung der Biegeduktilität des Schweißbelages wurden Seitenbiegeversuche unter Verwendung von 25,4 mm breiten, 12,7 mm dicken und 200 mm starken Probestücken durchgeführt. Nach dem Versuch

jo zeigten die Probestücke ein zufriedenstellendes äußeres Aussehen, woraus sich ergibt, daß die erfindungsgemäßen Schweißbeläge eine hohe Biegeduktilität aufweisen. Um zu ermitteln, ob im Grenzbereich zwischen dem Schweißbelag und dem Grundmetall und in der

i=> Nachbarzone (heat affected zone) Versprödung aufgetreten war, wurden Schlagversuche unter Verwendung von 55mm langen Probestücken der in Fig. 19b dargestellten Form mit einem Durchmesser von 10 mm und einer 2 mm V-Kerbe durchgeführt. Zur Gewinnung der Probestücke wurden aus jedem der in Fig. 19a dargestellten Bereiche drei Probestücke entnommen. Die bei den Schlagversuchen für das Grundmetall und das Belagsmetall ermittelten Ergebnisse Fo (kg-m/cm²) sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2	Grundmetall	Belags	Übergangszone	Nachbar
		metall		zone

Probestück	5,6	11,3	9,0	6,6
1	5,9	15,1	15,7	11,6
2	5,9	10,3	12,0	6,7
3	5,8	12,2	12,2	8,3
Durchschnitt

Diese Ergebnisse zeigen, daß das Belagsmetall, die Übergangszone und die Nachbarzone im Vergleich zum Grundmetall hohe Schlagfestigkeit besitzen und die Fälligkeit durch das Auftragschweißen in keiner Weise herabgesetzt wird.

Bei herkömmlichen Schiffspropellerwellen wird in der in Fig. 1 dargestellten Weise der in einem Lager geführte Bereich der Wellenoberfläche durch eine Hülse geschützt, während der nicht in einem Lager geführte Bereich durch eine Gummi- oder Kunststoffbeschichtung gegen Korrosion durch Seewasser geschützt wird. Derartige Gummi- oder Kunststoffbeschichtungen können jedoch im Betrieb, beispielsweise durch Treibholz beschädigt werden, wodurch der daranteriie-

gende Wellenbereich freigelegt wird, insbesondere bei Verwendung eines Stützvcrsprunges, welcher den beschichteten Wellenbereich freiläßt Zur Bewältigung dieser Schwierigkeit kann die Propellerwelle in der in F i g. 20 dargestellten Art an ihrer gesamten Oberfläche mit einem Hartmetallbelag versehen und d?nn gewalzt werden. Bei dieser Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Propellerwelle 60 nicht nur in ihren den Lagern 3 gegenüberliegenden Bereichen, sondern auch in den bisher mit Gummi- oder Kunststoff beschichteter Bereichen mit einem gewalzten Schweißbelag 61 aus rostfreiem Stahl oder Aluminiumbronze versehen. Mit Ausnahme des Stützlagers 62 entsprechen die übrigen Teile denjenigen der F i g. 1.

Bei der in Fig.21 dargestellten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Propellerwelle 60 in einer der F i g. 1 ähnlichen Lageranordnung verwendet

Da Schiffspropellerwellen Verbindungen mit einem Schiffspropeller und andererseits mit einer Kupplung aufweisen, können bei Eindringen von Seewasser Schwierigkeiten durch Korrosionsermüdung auftreten. Dabei können diejenigen Bereiche der Wellenoberfläche, in denen die Welle mit dem Schiffspropeller bzw. der Kupplung verbunden sind mit einem Schweißbelag versehen und gewalzt sein. Bei der in Fig.22 dargestellten Ausführungsform besitzt die Propellerwelle 60 einen ebenfalls mit einem gewalzten Schweißbelag 61 versehenen konischen Abschnitt 60a, auf welcher eine Propellernabe 8 aufgeschoben ist Während durch den gewalzten Schweißbelag 61 auf dem koni sehen Wellenabschnitt 60a wird dessen Ermüdungs festigkeit ohne Schweißbelag auf der konischen Fläche 60a 9,5 kg/mm² betrug, lag sie bei Verwendung eines gewalzten Schweißbelages bei 16,0kg/mrri (E= 21 000 kg/mm²).

ίο Bei der in Fig.23 dargestellten Ausführungsfonr sind die Propellernabe 8 und die Propellerwelle 60 durch einen Keil 63 verbunden, der in eine Keilnut 64 irr konischen Abschnitt 60a der Propellerwelle eingreift Die dabei entstehenden Probleme könsen jedoch gelösi werden, indem die Keilnut 64 von Hand mit einerr Schweißbelag aus rostfreiem Stahl SUS 309 verseher und dieser nachfolgend kugelgestrahlt wird, so daß zui Vermeidung einer Rißbildung im Bereich der Keilnut 64 der die Ermüdungsfestigkeit herabsetzende Faktoi verringert wird.

Hinsichtlich der vorstehend erwähnten rostfreier Stähle SUS 316, SUS 316 L und SUS 309 Mo wird au! die japanische Industrienorm JlS G 4303 und hinsichtlich der Stahlsorte SF 45 auf die japanische Industrie

1i norm JIS G 3?">1 Bezug genommen.

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Welle aus insbesondere geschmiedetem Kohlenstoffstahl mit einem auf mindestens einem Teil der Umfangsfläche durch Auftragsschweißen erzeugten Schweißüberzug aus rostfreiem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Schweißüberzug (61) aus mindestens einer Schweißschicht aus hochverschleißfestem, gegen Rißbildungskorrosion und Grübchenkorrosion beständigem molybdänhaltigem austentischem Cr-Ni-Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt besteht und

b) der Schweißüberzug (61) eine gewalzte oder '³ kugelgestrahlte Oberfläche besitzt und

c) der Schweißüberzug und der daran anschlie^ ßende Bereich der Welle in den Druckbereich verschobene Restspannungen aufweist

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißüberzug (61) aus austentischem Chromnickelstahl mindestens einer der in der japanischen Industrienorm JIS G 4303 aufgeführten Sorten SUS 316(10 bis 14% Ni, 16 bis 18% Cr, 2 bis 3% Mo, <1% Si, 2% Mn, <0,08% C, <0,04% P und <0.03% S) SUS 316 L(12 bis 13% Ni, 16bis 18% Cr, 2 bis 3% Mo, < 1% Si, 2% Mn, <0,03% C, <0,04% P und < 0,03% S) SUS 309 Mo (12 bis 14% Ni, 23 bis 25% Cr, 0,6% Si, 2% Mn, <0,04% C, <0,03% P, < 0,03% S und zusätzlich Mo) besteht.

3. Welle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißüberzug (61) einen ersten Überzug aus der Stahlsorte SUS 309 und einen zweiten Überzug aus der Stahlsorte SUS 316 L aufweist

4. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Keilnut, dadurch gekennzeichnet, daß diese auf der Umfangsfläche einen mehrschichtigen Schweißüberzug (61) mit gewalzter Oberfläche und auf den Innenflächen der Keilnut (64) einen Schweißüberzug mit kugelgestrahlter Oberfläche aufweist.

5. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißüberzug (61) aus in Umfangsrichtung der Welle (19) verlaufenden Schweißraupen (31) besteht, deren der nachfolgend aufgebrachten, benachbarten Raupe zugewandter Seitenrand (31a) fortschreitend dünner werdend abgeschrägt ist und vom zugewandten Seitenrand der benachbarten Raupe überdeckt wird.