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VERKLAMMERUNG FÜR GUSSSTÜCKE
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Beschreibung Es ist bekannt, dass Eisenguss, insbesondere legierter
und unlegierter Hartguss, eine hohe Druckfestigkeit, aber nur geringe Zug-Dehnung
besitzt. Deshalb hat man vorgeschlagen, in biegungsbeanspruchte oder zugbeanspruchte
Gussstücke dieser Art vor dem Guss Eiseneinlagen, z.B. Stäbe, in die Form einzulegen
und sie dann zu umgiessen. Die allgemeine Auffassung war, dass es sich hierbei um
eine Parallele zur Herstellung von Stahlbeton handele. Entsprechend erwartete man
von dieser Massnahme auch eine wesentliche Erhöhung der Biegebruchfestigkeit der
"armierten" Gussstücke. Konsequenterweise wählte man die Stärke der Einlagen verhältnismässig
hoch; z.B. sollten die Querschnitte der Einlagen zusammen 5 - 20 ffi des mutmasslichen
Bruchquerschnittes im Guß stück betragen.
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Auch wurde längst erkannt (vgl. z.B. DPS 1 267 384), dass die Einlagen
im Gussteil eine gewisse Beweglichkeit gegenüber dem Gussstück bewahren müssen,
damit ihre Elastizität sich überhaupt auswirken kann. Dies sollte durch vorherige
Umhüllung der Einlagen vor dem Guss, z.B. mit einem Harz-Sand-Gemisch von mindestens
1/2 bis zu 5 mm Stärke, erreicht werden.
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Es wurde nun gefunden, dass die heutige allgemeine Vorstellung auf
dem Gebiete der "armierten" Guss stücke ziemlich unrichtig ist. Zunächst ist der
Vergleich zwischen Stahlbeton und armiertem Guss irreführend. Bei Stahlbeton sollen
die Einlagen die Biegebruchkraft wesentlich erhöhen, ja meist sogar die gesamte
Zugkraft im Quersdnitt aufnehmen. Nun ist aber die Zugdehnungsfähigkeit des Betons
sehr beschränkt. Sie beträgt beispielsweise nur 0, 000 2, d.h. weniger als ein Zehntel
der Zugdehnung von Stahl bei Erreichung der Proportionalitätsgrenze. Bei Bruchbeginn
im Beton mit einem Elastizitätsmodul EB N200 000 kp/cm2 ist 2 im Beton eine Bruchspannung
von etwa 40 kp/cm erreicht.
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In diesem Augenblick, d.h. bei einer Dehnung von 0,000 2 herrscht
aber in den Stahleinlagen (Elastizitätsmodul ES N 2 100 000 kp/cm2 = 1 10 x EB)
erst eine Spannung von 2 rJ 420 kp/cm , also nur ein Bruchteil der zulässigen Belastungsgrenze
von Stahl. Die Stahleinlagen vermögen also nach Bruchbeginn im Beton noch eine vielfach
höhere Last aufzunehmen, selbst wenn sie nur bis zu ihrer Proportionalitätsgrenze
beansprucht werden. Die Bruchfestigkeit von Stahlbeton wird also gegenüber reinem
Beton, wie bekannt, sehr stark erhöht; man kann mit Recht von "Armierung" im Sinne
dieser Erhöhung sprechen.
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Bei der naheliegenden Übertragung dieser Erfahrungen auf das Problem
der Bruchsicherung bei Gusseisen und insbesondere bei Hanguss ergaben sich unerwartete
Schwierigkeiten und Gegensätze zur herrschenden fachmännischen Beurteilung. Je stärker
die Stahleinlagen in Hartgussstücken gewählt wurden, desto niedriger, nicht höher,
wurde die Bruchfestigkeit der Verbundteile.
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In vorliegender Erfindung wurde völlig überraschenderweise erkannt,
dass die Verhältnisse bei Hartguss mit Stahleinlagen
nicht etwa
graduell, sondern grundsätzlich völlig anders liegen als bei Stahlbeton.
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Es wurde nämlich - zunächst ohne sichere Begründung - erkannt, dass
man eine optimale Lösung für auf Bruch (z.B.
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durch Biegung, Zug oder Druck) beanspruchte Gussstücke, insbesondere
Hartgussstücke mit eingegossenen, aber gegen den Gusskörper begrenzt beweglich gehaltenen
Stahleinlagen dann erhält, wenn man das Gesamtgewicht der Stahleinlagen ("Klammern")
auf weniger als 1 , vorzugsweise weniger als 0,5 % des Gesamtgewichts des Gussstückes
herabsetzt.
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Im Unterschied zur üblichen "Armierung" bei Stahlbeton soll bei der
erfindungsgemässen Methode bei Hartguss von "Verklammerung" gesprochen werden. Damit
soll ausgedrückt werden, dass dabei auf jegliche Erhöhung der Bruchfestigkeit des
Hartgussteiles verzichtet werden soll; vielmehr soll lediglich erreicht werden,
dass im Falle des Bruches im Hartgussteil die einzelnen Gussbruchstücke so miteinander
"verklammert" sind, dass sie im wesentlichen zusammenhalten und nicht ins Innere
der Maschinen etc. fallen, wo sie erhebliche Zerstörungen verursachen könnten.
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Zur Erhöhung dieses Zieles bedarf es nicht der bisher für notwendig
gehaltenen grossen Querschnitte und Gewichte der Einlagen in Hartussstücken, sondern
es genügen verhältnismässig schwache Stahleinlagen mit insgesamt weniger als 1 96,
vorzugsweise weniger als 0,5 96, des Gesamtgewichtes des Gussstückes. Es hat sich
sogar gezeigt, dass auf diese Weise die Bruchfestigkeit des Verbundgussstückes zwar
nicht erhöht, aber nur so geringfügig herabgesetzt wurde, als dies im Hinblick auf
die Klammerungsaufgabe erforderlich war, d.h.
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im allgemeinen um nur wenige Prozente des unverklammerten Gussteiles.
Dafür ist aber ein Auseinanderfallen der beim
Bruch sich bildenden
Bruchstücke wirksam verhindert.
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Eine klare Begründung für diese überraschende und allgemeiner fachmännischem
Urteil zuwiderlaufende Tatsache ist z.Zt. noch nicht gefunden, aber durch Versuche
ersetzt. Vielleicht wirken sich die Stahleinlagen im Guss ähnlich aus wie Lunker,
welche ja auch die Bruchfestigkeit vermindern. Deshalb ist es wahrscheinlich vorteilhaft,
das angestrebte Ziel auf dem Wege der geringst möglichen Schwächung des Gussquerschnittes
zu erreichen.
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Andererseits ist darauf hinzuweisen, dass die Elastizitätsmoduln von
Stahl und Beton beinahe um eine Zehnerpotenz auseinanderliegen, während die Elastizitätsmoduln
von Stahl und Hartguss zahlenmässig nahe benachbart liegen. Auch ist die Biegebruchfestigkeit
von Hartguss mit schätzungsweise 2 5 000 kp/cm2 um ein Vielfaches höher als die
von Beton mit 2 nur etwa 40 kp/cm2 (je nach Güte verschieden). Daraus folgt, dass
bei Klammerhartguss mit steigender Biegebeanspruchung die beiden Stoffe Stahl und
Hartguss zunächst ziemlich parallel beansprucht werden bis zur Erreichung der Biegezugfestigkeit
von Hartguss (~ 5 000 kp/cm2); hier tritt der Bruch von Hartguss ein. Im Unterschied
zum Stahlbeton ist aber in diesem Augenblick des Bruches bei Klammerhartguss auch
die Festigkeitsbeanspruchung der Stahleinlagen bereits bis in die Nähe der Proportionalitätsgrenze
angestiegen.
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Eine weitere Steigerung der Belastung der Stahleinlagen über diese
Grenze hinaus erscheint zumindest unsicher, weil das Festigkeitsverhalten von Stahl
die elastische Zone überschreitet. Selbst wenn man die Stahleinlagen um ein Vielfaches
verstärken würde, wäre damit keine gesicherte und wesentliche Erhöhung der Bruchfestigkeit
des Gussteiles zu erreichen. Mit anderen Worten, nach dieser, nicht völlig
gesicherten
Überlegung, die aber durch Versuche gestützt wird, kann man bei Hartguss eine "Armierung"
im Sinne von Stahlbeton gar nicht erreichen, sondern höchstens und optimal eine
"Verklammerung".
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Als Obergrenze für die Bemessung der Stahleinlagen wurde oben angegeben,
dass die Stahleinlagen weniger als 1 96, vorzugsweise weniger als 0,5 96 des Gesamtgewichtes
des Klammergussstückes wiegen sollen. Die Untergrenze für die Stärke der Verklammerung
liegt in ihrer Aufgabe begründet, zumindest im günstigen Bruchfalle das Gewicht
der Bruchstücke zu tragen; diese Zahl wird im allgemeinen nach durchgeführten Versuchen
schon bei etwa 0,02 96 des Gesamtgewichtes erreicht. Um unvorhergesehenen BeJastungen
durch zusätzliche äussere Kräfte nach Brucheintritt zu berücksichtigen, wird man
im allgemeinen stärkere Einlagen verwenden. Es bleibt aber überraschend, wie andersartig
sich die Stahlbetoneinlagen im Klammerguss gegenüber Stahlbeton auswirken und wie
dünn sie gehalten werden können.
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Zumeist wird man die Stahleinlagen aus mehreren Stücken bilden, z.B.
aus Stäben mit einer Stärke von 5 - 20 mm. Dabei wird man darauf achten, dass die
einzelnen Einlagen ebenfalls geringfügig gegeneinander verschieblich, also nicht
fest miteinander verbunden sind.
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Bei biegebeanspruchten Klammergussstücken wird man nach vorliegender
Erfindung bemüht sein, das Widerstandsmoment des Gussteiles möglichst wenig durch
die Einlagen zu vermindern und die Einlagen in Richtung der Durchbiegung schwächer
ausbilden als senkrecht dazu.
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Auch wird man bei biegebeanspruchten Klammergussstücken mindestens
die Mehrzahl der Einlagen in der Nähe der neutralen
Zone anordnen,
um das Widerstandsmoment des Gussteiles zu schonen. Im Gegensatz dazu wird man bei
biegebeanspruchten und zugleich oberflächlich auf Verschleiss beanspruchten Klammergussstücken
die Mehrzahl der Einlagen aus der neutralen Zone in Richtung der Zugzone herausverlegen,
damit die die Einlagen überdeckende Gussschicht (Verschleissvolumen) möglichst gross
gewählt werden kann und ein Angriff der Stahleinlagen erst nach längerer Lebensdauer
zu befürchten ist.
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Im allgemeinen wird man die Einlagen so anordnen, dass die Überdeckung
der Einlagen durch Gusswerkstoff mindestens ebenso stark ist, wie die Stärke der
Einlagen. Vorteilhaft ist es, wenn das Klammergussstück an seiner Unterlage satt
aufliegend durch Schrauben, Kleben, Spannen, durch Anschläge oder dergleichen befestigt
und beim Bruch gegen das Auseinanderfallen der Bruchstücke zusätzlich geschützt
ist.
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Wie einleitend ausgeführt, ist es wesentlich, dass die Stahleinlagen
gegen Verschmelzen mit dem Gusswerkstoff bestmöglich geschützt sind. Während man
bisher einer stärkeren Umhüllung den Vorzug gab, ja dieselbe geradezu als Voraussetzung
für die Wirksamkeit der Einlagen betrachtete, haben wir gefunden, dass umgekehrt
bereits eine Umhüllung mit einer Stärke zwischen 0,1 und 0,5 mm optimal ist. Es
hat sich nämlich gezeigt, dass stärkere Umhüllungen beim Guss von den Einlagen abplatzen
und an die Gussoberfläche geschwemmt werden, wodurch ihre Wirksamkeit,wenigstens
teilweise,aufgehoben wird.
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Die vorerwähnten dünnen Umhüllungen, welche die Verschmelzung verhindern
sollen, können durch Aufspritzen, Tauchen, Pinseln oder ähnliche Verfahren aufgebracht
werden. Es wurden Umhüllungen als besonders vorteilhaft erkannt, welche Zirkonium
enthalten.
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Andererseits wurde bekannt, dass die Umhüllung der Einlagen höchstens
5 96 des Trockengewichts an Stoffenenthalten soll, die mit flüssiger Gusseisenschmelze
chemisch reagieren.
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Dies gilt z.B. für den manchmal empfohlenen Graphit, der zur Aufkohlung
der unmittelbaren Umgebung der Einlagen führen kann, was wegen der dadurch hervorgerufenen
Versprödung nicht erwünscht ist. Auch ein Umhüllungsgehalt von mehr als 5 96 des
Trockengewichtes an gasbildenden Stoffen, wie Harzen, ist unerwünscht.
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Endlich kann die vorliegende Erfindung weiter verbessert werden, wenn
die Einlagen an ihren Enden nicht umhüllt sind, so dass sie sich dort mit der Gusswerkstoff
fest verbinden, im übrigen aber gegen den Gusswerkstoff begrenzt beweglich bleiben,
insbesondere in der Nähe des vermutlichen Bruchquerschnittes. Es ist wichtig, dass
beiderseits des Bruchquerschnittes möglichst lange Stücke der Einlagen gegen den
Gusskörper frei beweglich bleiben, damit ein hohes Mass an Dehnbarkeit der Stahleinlagen
erreicht wird.
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Die vorbeschriebenen Klammergussstücke haben nach durchgeführten Versuchen
zwar keine Erhöhung, eher eine minimale Verminderung der Bruchfestigkeit erbracht.
Indes wurde eben diese Verminderung im kleinsten möglichen Rahmen gehalten und trotzdem
eine genügende Verklammerung der Bruchstücke nach eingetretenem Bruch im Guss erzielt.
Damit ist eine wesentliche Verbesserung der Verwendung von Guss, insbesondere Hartguss
für bruchgefährdete Maschinenteile erreicht, wobei sich Hartguss in bekannter Weise
durch eine mehrfache Verschleissfestigkeit gegenüber zäheren Gusswerkstoffen, wie
Hartmanganstahl, erweist.