Technischer Ausgangspunkt
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Buchse, die ein
Komponententeil einer Gleiskette ist, die für
Gleiskettenschlepper, wie bspw. Planierraupen und Löffelbagger,
verwendet wird, und sie bezieht sich insbesondere auf eine
wirksame Wärmebehandlung einer Buchse für eine Vergrößerung
der Verschleißfestigkeit, der Festigkeit, der Zähigkeit und
der Ermüdungsfestigkeit von Buchsen.
Stand der Technik
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Die für Gleiskettenschlepper verwendeten Gleisketten haben
die in Fig. 6 gezeigte Struktur.
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Die herkömmliche Gleiskette 1 besteht aus einem Gliederpaar
5, 6, welches eine große Anzahl von Spurführungsrollen
(nicht gezeigt) an der Seite des Gleiskettenschleppers
berührt, Stiften 9, welche die Glieder in der Längsrichtung
davon verbinden, Buchsen 7, welche die äußere Umfangsfläche
der Stifte 9 bedecken, Schmutzdichtungen 8, die zwischen
den Enden der Buchsen 7 und den Gliedern 5, 6 angeordnet
sind, und Schuhen 2, die mit Bolzen 3 und Muttern 4 an der
Oberfläche der Glieder 5, 6 befestigt sind und der Seite
gegenüberliegen, welche die Spurführungsrollen berührt.
Diese Komponenten formen einen Block, und die Blöcke sind
in einer endlosen Art und Weise gekuppelt, um eine
Gleiskette 1 auszubilden.
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Jeder der vorerwähnten Buchsen 7 ist wie ein Hohlzylinder
geformt, um die Einfügung eines Stiftes 9 zu erlauben, und
darüberhinaus ist ihre äußere Umfangsfläche 7b, wie in der
Vergrößerung der Fig. 7 gezeigt, mit Zähnen (nicht gezeigt)
im Eingriff, um die endlose Gleiskette anzutreiben, wenn
sich der Schlepper bewegt. Die inneren und äußeren
Umfangsflächen davon sollten daher eine hohe Verschleißfestigkeit
haben. Die Buchsen 7 sollten auch eine Festigkeit, Zähigkeit
und Ermüdungsfestigkeit haben, um den darauf ausgeübten
Belastungen zu widerstehen.
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Um solche strengen Bedingungen auszuhalten, werden die
Buchsen für Gleisketten verschiedenen Wärmebehandlungen im
Stand der Technik unterworfen.
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Bspw. verwendet das in der japanischen
Patentveröffentlichung No. Sho 52-34806 beschriebene Verfahren Stahl für
eine Einsatzhärtung (bspw. ISO 683-11, 18CrMo4) als ein
Rohmaterial und karbonisiert, härtet und tempert dann
dieses Material.
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Die japanische offengelegte Patentanmeldung No. Sho 59-
77979 beschreibt ein anderes Wärmebehandlungsverfahren, bei
welchem ein Rohmaterial eines niedrig legierten Stahls, wie
bspw. Iso 683-1, 34 CrMo4 oder 41CrMo4 oder 34Cr4 mit Bor,
einer thermischen Raffination unterworfen wird, um einen
schmiedbaren Bereich (Sorbitgefüge) in dem Kern der Dicke
auszubilden, gehärtet durch ein induktionsverfahren an den
äußeren und inneren Umfangsflächen und dann getempert.
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Das erste Verfahren ist jedoch darin nachteilig, daß es
eine lange Zeit für die Wärmebehandlung benötigt, wodurch
die Kosten erhöht werden, so daß es deshalb nicht sehr
praktisch ist. Das zweite Verfahren ist ebenfalls darin
nachteilig, daß es eine lange Zeit genötigt und eine große
Anzahl von Stufen bei der Behandlung, da ein niedrig
legierter Stahl auf die Ac&sub3; Umwandlungstemperatur oder höher in
einem Heizofen erhitzt wird, dann mit Öl abgeschreckt
(Abschrecken durch ein Eintauchen in Öl oder durch ein
Besprühen mit Öl), so daß das Gefüge in Martensit umgewandelt
wird, und dann bei einer Temperatur von etwa 600ºC für eine
thermische Raffination getempert wird. Der Wirkungsgrad bei
diesen Arbeiten ist daher nicht ganz befriedigend.
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Die Anmelder dieser Erfindung haben ein
Induktionshärteverfahren für Gleiskettenbuchsen vorgeschlagen, welches keine
thermische Ruffination des Rohmaterials benötigt (japanische
offengelegte Patentanmeldung No. Sho 59-77979).
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Das Verfahren der JP-59-77979 umfaßt drei Stufen und ist
äußerst praktisch. Die erste Stufe dieses Verfahrens umfaßt
die Stufe des Härtens eines zylindrischen Buchsenmaterials
mit einer Induktionsheizspule von der äußeren Umfangsfläche
gegen die innere Umfangsseite davon hin, während das
Buchsenmaterial in der Umfangsrichtung in Bezug auf seine
Mittelachse gedreht wird, um so die Härte der inneren
Umfangsfläche unter die kritische Härte (etwa HRC 40 oder weniger)
zu begrenzen, während gleichzeitig die Härte des Bereichs,
der von der äußeren Umfangsfläche zu einem Teil der
gehärteten Schicht an der inneren Umfangsseite verläuft, auf einem
Ausmaß höher als die kritische Härte beibehalten wird; die
zweite Stufe des Verfahrens umfaßt die Stufe einer
Wasserkühlung der äußeren Umfangsfläche des Buchsenmaterials,
während es gedreht wird, und eines gleichzeitigen Härtens
der inneren Umfangsseite mit der Induktionserwärmung, so daß
eine wirksam gehärtete Schicht an dem äußeren Umfangsbereich
und eine wirksam gehärtete Schicht an dem inneren
Umfangsbereich ausgebildet wird, während eine getemperte Schicht
zwischen diesen beiden wirksam gehärteten Schichten
ausgebildet wird, die eine Härte kleiner als die kritische Härte
hat; die dritte Stufe umfaßt die Stufe des Temperns des so
behandelten Buchsenmaterials bei einer niedrigen Temperatur.
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Die US-A-3,567,529 beschreibt ein Wärmebehandlungsverfahren
für zylindrische Buchsen für Endlosgleisketten, gemäß
welchem eine Buchse so gehärtet und getempert wird, daß ein
innerer Umfangsbereich davon mit einer geringeren Härte als
ein äußerer Umfangsbereich der Buchse erzeugt wird. Die
inneren und äußeren Umfangsbereiche sind durch einen
unbehandelten Kernbereich voneinander getrennt, der eine Härte
niedriger als diejenige der beiden inneren und äußeren
Umfangsbereiche ist.
Beschreibung der Erfindung
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Die erste Aufgabe dieser Erfindung ist die Vergrößerung der
Produktivität und die Verringerung der Kosten durch eine
Erniedrigung der Anzahl der notwendigen Stufen bei der
Wärmebehandlung mit einem Induktionserwärmen für Buchsen.
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Die zweite Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung
eines Verfahrens der Wärmebehandlung, welches nicht die
Verschleißfestigkeit, die Ermüdungsfestigkeit und die
Zähigkeit der Buchsen verschlechtert.
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Um die vorerwähnten Aufgaben zu erreichen, schafft die
vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wärmebehandlung
gemäß dem Patentanspruch 1.
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Gemäß diesem Verfahren der Erfindung kann das Tempern in
einem Ofen innerhalb des Temperaturbereichs von 150ºC bis
250ºC so durchgeführt werden, daß die praktische wirksame
Härte, die bei dem Aushärten angenommen wird, nicht
beeinträchtigt wird.
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Dieses Verfahren der Wärmebehandlung nach der Erfindung
kann auch eine Erwärmungsstufe der inneren Umfangsfläche
auf 200ºC oder 250ºC bei der Stufe des Induktionstemperns
einschließen, so daß die äußere Umfangsseite bei einer
Temperatur (etwa 170ºC) niedriger als die Temperatur der
inneren Umfangsfläche getempert wird durch eine Nutzung der
Leitungswärme, die von der inneren Umfangsfläche übertragen
wird, so daß dadurch die Härte an der inneren Umfangsfläche
der Buchse auf etwa HRC 50-60 erniedrigt wird und dadurch
diejenige an der äußeren Umfangsfläche auf einer Höhe
gehalten wird, die im wesentlichen durch das Aushärten
erreicht wurde.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Grafik zur Darstellung der
Querschnittshärten (Rockwell-Härte) einer durch das Verfahren
dieser Erfindung hergestellten Buchse in
Abhängigkeit der Abstände von den äußeren und inneren
Oberflächen.
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Fig. 2 ist eine Grafik zum Vergleich der Anzahl von
Belastungszyklen für die Erzeugung eines
Ermüdungsbruches bei einer Buchse nach dieser Erfindung und
bei Buchsen des Standes der Technik bei Anwendung
verschiedener Belastungen.
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Fig. 3 ist eine Grafik zum Vergleich der Bruchbelastung
bei einer Buchse dieser Erfindung und Buchsen im
Stand der Technik.
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Fig. 4 ist eine Grafik zum Vergleich der Anzahl der
Belastungszyklen für die Erzeugung eines
Ermüdungsbruches bei einer Buchse dieser Erfindung und
Buchsen im Stand der Technik unter Bezug auf die
Austenit-Korngrößennummer bei einer Beaufschlagung
mit einer Last von 18.7 Tonnen (Hochlastbereich).
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Fig. 5 ist eine Grafik zur Darstellung der Verteilung der
Restspannung bei einer durch das Verfahren der
Erfindung erhaltenen Buchse.
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Fig. 6 zeigt eine bekannte Gleiskette für
Gleiskettenschlepper und eine teilsweise explodierte
Perspektivansicht davon.
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Fig. 7 ist ein vergrößerter Längsschnitt der in Fig. 6
gezeigten Buchse.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf ein
Wärmebehandlungsverfahren zur Bereitstellung einer Buchse mit einer
ausgezeichneten Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und
Ermüdungsfestigkeit, die bei einer Gleiskette von Gleiskettenschleppern
verwendet wird. Das Verfahren der Erfindung wird nun unter
Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in
größerem Detail beschrieben.
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Ein Teststück der Buchse für Gleisketten in Übereinstimmung
mit dem Verfahren der Erfindung wird durch eine Bearbeitung
eines niedrig legierten Stahls zu einer zylindrischen Form
erhalten.
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Die Teststücke, die für einen niedrig legierten Stahl
verwendet wurden, waren aus dem in der Tabelle 1 gezeigten
Kohlenstoff-Chrom-Bor-Stahl.
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Teststücke (%)
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Das Verfahren dieser Erfindung umfaßt eine erste Stufe und
eine zweite Stufe: die erste Stufe ist ein Aushärten der
gesamten Dicke einer Buchse durch ein Erwärmen der äußeren
Umfangsfläche eines Buchsenmaterials mit einer Induktion,
bis dessen innere Umfangsfläche die Temperatur in dem
Bereich Ac&sub3; ≤ T ≤ Ac&sub3; + 50º erreicht (T [ºC] : die bei der
Erwärmung der inneren Umfangsfläche erreichte Temperatur,
Ac&sub3; [ºC] : Umwandlungstemperatur), und ein Kühlen der äußeren
Umfangsfläche des Buchsenmaterials und eine Stufe des
Temperns der so behandelten Buchse.
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In der ersten Stufe wird das Teststück der Buchse für eine
Gleiskette einem Induktionserwärmen von der äußeren
Umfangsfläche seiner zylindrischen Form unterworfen und einem
Kühlen von der äußeren Umfangsfläche seiner zylindrischen
Form her, um dadurch seine gesamte Dicke zu härten.
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Bei dem Verfahren des Härtens wird eine Induktionsfrequenz
von 2.5 KHz benutzt, wobei die Bedingung für die
Induktionswärmung für eine Erhöhung der Temperatur an der inneren
Umfangsfläche der Buchse auf einen Bereich von
Ac&sub3; ≤ T ≤ Ac&sub3; + 50º eingestellt wird (T [ºC] : die durch ein
Erwärmen der inneren Umfangsfläche erreichte Temperatur,
Ac&sub3; [ºC] : Umwandlungstemperatur). Wenn T niedriger als
Ac&sub3; ist, dann würde das Härten nicht über die gesamte Dicke
stattfinden, und wenn T höher als Ac&sub3; + 50 ist, dann würde
das Austenitkorn an oder nahe der inneren Umfangsfläche
vergröbert werden. Dies ist nicht anzustreben.
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Unter den vorerwähnten Bedingungen wird eine feine
Austenitkorngröße an oder nahe der inneren Umfangsfläche einer
Buchse erhalten, wie es in der Tabelle 2 gezeigt ist.
Tabelle 2: Nummer der Austenitkorngröße der durch das
Verfahren dieser Erfindung erhaltenen Buchse
Meßpunkte T.P.No. nahe äußerer Umfangsfläche nahe innerer Umfangsfläche
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Anmerkung: Austenitkorngröße gemessen nach 150 : 643
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Die zweite Stufe des Verfahrens dieser Erfindung umfaßt die
Stufe des Temperns des Teststückes, das in der ersten Stufe
dem Härten unterworfen worden ist. Das Temperverfahren kann
entweder das Verfahren eines Temperns im Ofen sein, welches
die Teststücke in einem Ofen bei einer Temperatur von 150-
250ºC erwärmt, oder das Verfahren der Induktionserwärmung,
welches die innere Umfangsfläche einer Buchse erwärmt.
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Bei dem Test wurden die Teststücke in einem Ofen bei 200ºC
getempert. Der bei dem Verfahren verwendete
Temperaturbereich von 150-250ºC ist ein Bereich, der ein Tempern ohne
eine Beeinträchtigung der praktisch wirksamen Härte erlaubt,
die durch das Härten angenommen wurde.
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Die Teststücke der so aus der ersten und aus der zweiten
Stufe erhaltenen Buchsen wurden auf ihre Härteverteilung in
der Richtung ihrer Dicke gemessen, und die Ergebnisse sind
in der Fig. 1 dargestellt. In der Grafik der Fig. 1 ergibt
die vertikale Achse die Rockwell-Härte, ausgedrückt in der
Einheit HRC, während die horizontale Achse dem Abstand von
der inneren Umfangsfläche einer Buchse in der linken Hälfte
der Grafik (A/mm) und von der äußeren Umfangsfläche davon
in der rechten Hälfte der Grafik B/mm) darstellt.
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Die Ergebnisse der von den Anmeldern durchgeführten Tests
zeigten, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Härte über
die äußere Umfangsfläche, den Kern und die innere
Umfangsfläche einer Buchse verteilt ist.
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Wenn die Härte in dem Bereich einer Rockwell-Härte HRC 50
oder geringfügig höher ist, ergibt sie genügend
Verschleißfestigkeit an der inneren Umfangsfläche und an der äußeren
Umfangsfläche einer Buchse.
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Wenn ein Buchsenmaterial durch ein Induktionserwärmen von
der inneren Umfangsfläche einer Buchse in Bezug auf das
vorstehende Temperverfahren getempert wird, kann die äußere
Umfangsseite mit der Leitungswärme getempert werden, die
von der inneren Umfangsfläche übertragen wird, um dadurch
die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu vergrößern.
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In solch einem Fall wird die innere Umfangsfläche der Probe
einer Buchse auf 200-250ºC erwärmt, und es wird
gleichzeitig die äußere Umfangsseite bei einer Temperatur (etwa
170ºC) niedriger als diejenige der inneren Oberfläche
getempert, so daß die Härte der inneren Umfangsfläche auf
etwa HRC 50-60 verringert wird, während die Härte der
äußeren Umfangsfläche bei der Härte der im wesentlichen
gleichen Höhe passend beibehalten wird, die durch das
Härten erreicht wurde.
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Fig. 2 ist eine Grafik zur Darstellung des Ergebnisses
eines Vergleichs der Ermüdungsmerkmale einer Buchse dieser
Erfindung mit Buchsen des Standes der Technik (vertikale
Achse : maximal auferlegte Belastung, horizontale Achse
Anzahl der Zyklen für die Erzeugung eines Ermüdungsbruches).
Die verwendeten Teststücke waren der in Tabelle 1 gezeigte
Kohlenstoff-Chrom-Bor-Stahl, der durch das Verfahren dieser
Erfindung gehärtet wurde (Tempern in einem Ofen), sowie
durch ein Verfahren nach dem Stand der Technik.
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Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, ist das
Ermüdungsverhalten einer Buchse (a) des Verfahrens dieser Erfindung mit
demjenigen eines Produktes (b) vergleichbar, das mit einer
thermischen Raffination durch Induktion gehärtet und in
einem Ofen getempert wurde, sowie mit einem Produkt (c),
das ohne eine thermische Raffination durch Induktion
gehärtet und in einem Ofen getempert wurde. Das Produkt des
Verfahrens der Erfindung hat eine Qualität im wesentlichen
gleich derjenigen der bekannten Produkte.
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Fig. 3 ist eine Grafik zur Darstellung des Ergebnisses des
Vergleichs eines Bruchverhaltens des Produktes (a) der
Erfindung mit Testproben des Standes der Technik (vertikale
Achse : Bruchbelastung, horizontale Achse : Testproben)
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist das Bruchverhalten des
nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Produkts (a)
wenigstens gleich oder größer als dasjenige des Teststückes
(b), welches mit einer thermischen Raffination durch
Induktion gehärtet und in einem Ofen getempert wurde und auch
des Teststückes (c), das ohne eine thermische Raffanition
durch Induktion gehärtet und in einem Ofen getempert wurde,
sowie des Teststückes (d), welches über seine gesamte Dicke
durch ein Abschrecken in Öl gehärtet und in einem Ofen
getempert wurde.
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Die Fig. 4 zeigt die Beziehung der Anzahl von
Belastungszyklen für die Erzeugung eines Ermüdungsbruches in dem
Hochlastbereich, der im wesentlichen vergleichbar ist mit
dem Gewicht eines Gleiskettenschleppers, wie bspw. eines
Löffelbaggers (vertikale Achse : Anzahl der Belastungszyklen
für die Erzeugung eines Ermüdungsbruches bei der Anlegung
einer maximalen Belastung von 18.7 Tonnen) und der Austenit-
Korngröße an oder nahe der inneren Umfangsfläche
(horizontale Achse : Nummer der Austenit-Korngröße) einer Buchse
für die Testproben der Fig. 3.
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Aus Fig. 4 ist ohne weiteres zu verstehen, daß je feiner
die Korngröße ist, desto größer die Anzahl der
Belastungszyklen für die Erzeugung eines Ermüdungsbruches in einem
Hochbelastungsbereich wird. Mit anderen Worten finden also
die Brüche weniger häufig statt.
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Fig. 4 zeigt auch, daß die Korngrößennummer des Austenits
bei den Teststücken (b) und (c) des Standes der Technik 7.2
und etwa 7.0 war, während diejenige des nach dem Verfahren
dieser Erfindung hergestellten Teststückes (a) 9.0 und
höher war. Dies veranschaulicht, daß wenn die Korngröße
feiner wird, der Widerstand gegen Ermüdungsbrüche des
Produktes dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik
vergrößert wird.
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Für die Teststücke, die durch ein Erwärmen und Kühlen nur
von der äußeren Umfangsfläche her gehärtet und dann
getempert wurden, wird eine restliche Druckbeanspruchung an oder
nahe der inneren Umfangsfläche beobachtet.
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Fig. 5 zeigt in einer Grafik die restliche
Spannungsverteilung eines Teststückes, das aus einem niedrig legierten
Stahl mit derselben chemischen Zusammensetzung wie
vorstehend nach dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt
wurde (getempert in einem Ofen) (vertikale Achse :
Restspannung, horizontale Achse : Abstand von der inneren
Umfangsfläche).
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Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wird die Restspannung zu
einer Druckspannung an oder nahe der inneren Umfangsfläche.
Die durch die zweite Stufe getemperten Testproben können
durch ein Abschleifen der äußeren Umfangsfläche einfach
fertig bearbeitet werden.
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Die erhaltenen Produkte werden im Gebrauch mit Stiften
versehen, um eine große Anzahl von Gliederpaaren zu kuppeln,
die eine große Anzahl von Gleiskettenrollen berühren.
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Wenn nach dieser Erfindung eine Buchse für eine Gleiskette
aus einem niedrig legierten Stahl durch ein Induktionshärten
behandelt wird, dann wird ihre äußere Umfangsfläche dem
Induktionserwärmen ausgesetzt, bis die Temperatur der
inneren Umfangsfläche einen Bereich von Ac&sub3; ≤ T Ac&sub3; +
50 erreicht (T [ºC] : die bei der Erwärmung der inneren
Umfangsfläche erreichte Temperatur, Ac&sub3; [ºC] :
Umwandlungstemperatur) und ein Kühlen, so daß das Buchsenmaterial
entlang seiner gesamten Dicke gehärtet wird, sowie ein
anschließendes Tempern des Buchsenmaterials.
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Das Verfahren dieser Erfindung kann die Stufen eines
mühsamen thermischen Raffinationsverfahrens vor dem
Induktionshärten ausschließen sowie das Verfahren des
Induktionshärtens an der inneren Umfangsseite einer Buchse bei dem
Verfahren des Induktionshärtens, so daß dadurch die Anzahl
der Stufen bei der Wärmebehandlung verringert wird.
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Das Verfahren dieser Erfindung kann weiterhin eine Buchse
über ihre gesamte Dicke bei HRC 50-62 härten, wobei durch
das Härten die Verschleißfestigkeit an dem Innenumfang und
an den äußeren Umfangsflächen einer Buchse bei einer
ausgezeichneten Höhen erhalten bleibt.
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Obwohl die Buchse über ihre gesamte Dicke gehärtet wird,
wenn das Verfahren das Induktionserwärmen nur an der äußeren
Umfangsfläche benutzt, kann die Temperatur der inneren
Umfangsfläche innerhalb des Bereichs Ac&sub3; ≤ T ≤ Ac&sub3; + 50
gesteuert werden (T [ºC] : die durch Erwärmen der inneren
Umfangsfläche erreichte Temperatur, Ac&sub3; [ºC] :
Umwandlungstemperatur), so daß dadurch eine Vergröberung des Korns
verhindert und eine Verfeinerung des Austenitkorns an oder
nahe der inneren Umfangsfläche gefördert wird. Die
Ermüdungsfestigkeit und die Zähigkeit des Produktes des Verfahrens
dieser Erfindung kann daher mit den Produkten des Standes
der Technik verglichen werden oder ist höher als bei diesen.
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Da eine restliche Druckspannung an oder nahe der inneren
Umfangsfläche durch die Kombination eines Induktionshärtens,
welches nur die äußere Umfangsfläche erwärmt und kühlt, und
eines nachfolgenden Temperns erzeugt wird, kann dadurch die
Ermüdungsfestigkeit vergrößert werden.
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Weil bei dieser Ausführungsform der Erfindung die
Temperstufe in dem Temperaturbereich von 150ºC bis 250ºC in einem
Ofen durchgeführt wird, kann damit eine Beeinträchtigung
der praktisch wirksamen Härte verhindert werden, die durch
das Härten erhalten wurde.
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Diese Ausführungsform kann auch die bei dem Temperverfahren
benutzte Energie einsparen wie auch die Härte an der inneren
Umfangsfläche auf HRC 50-60 verringern und kann die Härte
an der äußeren Umfangsfläche im wesentlichen auf derselben
Höhe erhalten, die bei dem Härten erreicht wurde, da das
Verfahren die innere Umfangsfläche einer Buchse auf 200ºC-
250ºC erwärmt und die Leitungswärme benutzt, die von der
inneren Umfangsfläche übertragen wird für ein Tempern der
äußeren Umfangsseite bei einer niedrigeren Temperatur als
derjenigen der inneren Umfangsseite.