-
Verfahren und Vorrichtung zum Unschädlichmachen von Spannungen Viele
metallische Körper werden während der Herstellung,-meistens aus .metallurgischen
Gründen, auf höhere Temperaturen erhitzt und abgeschreckt. Die Folge davon ist,
daß sie mit Eigenspannungen behaftet sind, und zwar in der Weise, daß an ihrer Oberfläche
im allgemeinen Druckspannungen und in ihrem Innern Zugspannungen vorherrschen. Wenn
die spätere mechanische Beanspruchung des Körpers derartig ist, daß die äußeren
Spannungen, die an die einzelnen Teile angelegt werden, dasselbe Vorzeichen haben
wie die dort herrschenden Eigenspannungen, so entsteht für diese Teile eine erhöhte
Bruchgefahr.
-
Ein besonders einfaches Beispiel für einen solchen Fall bilden die
Rotoren der Turbogeneratoren. Sie werden in der Regel aus Cr---\'i-Stählen hergestellt,
die die Eigenschaft der Anlaßsprödigkeit zeigen, d. h. ihre Festigkeitseigenschaften
leiden erheblich, wenn sie von Temperaturen etwa oberhalb 5oo° langsam abgekühlt
werden. Um die Anlaßsprödigkeit zu vermeiden, werden sie deshalb von et#,ra 5oo
bis 6oo° abgeschreckt. Infolgedessen sind sie mit Eigenspannungen behaftet, und
zwar so, daß in der Nähe der Achse des Zylinders Zugspannungen und zur Oberfläche
hin Druckspannungen herrschen. Bei der späteren Verwendung im Betrieb werden die
inneren Teile stark auf Zug beansprucht, und es entsteht in ihnen eine erhöhte Bruchgefahr.
Um die Eigenspannungen zu beseitigen, hat man die so hergestellten Körper einer
nachträglichen Erhitzung auf 350 bis qoo° unterworfen, wobei bisher stets
darauf geachtet wurde, daß die Erwärmung des ganzen Querschnitts möglichst gleichmäßig
erfolgte. Bekanntlich beruht die spannungsvermindernde Wirkung des Anlassens darauf,
daß beim Erhitzen eines mit Eigenspannungen behafteten Stückes auf Temperaturen,
bei denen die Schubverformungsgrenze des Werkstoffes gegenüber der der Raumtemperatur
bereits nennenswert herabgesetzt ist, sich die Spannungsunterschiede durch kleine
örtlich bleibende Formänderungen ausgleichen, so daß nach langsamer Abkühlung die
Spannungen bis auf einen bestimmten Betrag gesunken sind. Eine gleichmäßige Erwärmung
auf Temperaturen von 35o bis q.oo' reicht jedoch zur Beseitigung der Eigenspannungen
nicht aus, und andererseits können diese Temperaturen wegen der Gefahr der Anlaßsprödigkeit
nicht überschritten werden.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch Temperaturdifferenzen
zwischen dem inneren und dem äußeren Teil des Metallkörpers Spannungen zu erzeugen,
die so groß sind, daß die äußeren Teile derart plastisch deformiert werden, daß
nach dem Erkalten des Metallkörpers keine oder nur noch geringe Spannungen vorhanden
sind. Bei Läufern von Turbogeneratoren, die in den äußeren Teilen Druckspannungen
und in den inneren Teilen Zugspannungen aufweisen, muß durch Erhitzung auf eine
bestimmte Temperatur und unter Einhaltung einer bestimmten
Erhitzungsgeschwindigkeit
dafür gesorgt werden, daß die auf die äußeren Teile notwendigen Druckspannungen
so groß werden, daß der äußere Teil gestaucht wird. Durch geeignete Wahl' der Temperaturdifferenz
läßt sich der Grad der Stauchung so bemessen, daß nach dem Erkalten des Metallkörpers
die Zug- und Druckspannungen aufgehoben sind. Das Verfahren besteht demnach in einer
Art Umkehrung des Abschreckvorganges.
-
Durch Anwendung genügend hoher Temperaturdifferenzen kann man es erreichen,
daß sich die äußeren Teile beim Erkalten so stark zusammenziehen, daß sie auf die
inneren Teile einen Druck ausüben. Das Vorzeichen der Spannungen kann also durch
geeignete Bemessung der Temperaturdifferenz auch umgekehrt werden. Dieses Verfahren
kann praktisch benutzt werden, um den inneren Teil von Metallkörpern, beispielsweise
Läufer von Turbogeneratoren, unter Druck zu setzen, um die betriebsmäßig auftretenden
Zugbeanspruchungen zum Teil zu kompensieren.
-
Um in Metallkörpern erhebliche T emperaturdifferenzen zu erzielen,
werden sie schnell von außen erhitzt. Man kann z. B. diese Körper in derselben Weise,
wie es zum gewöhnlichen Anlassen oder zum Erhitzen vor dem Abschrecken bekannt ist,
in ausreichend erhitzte Flüssigkeiten oder Schmelzen eintauchen. Man kann zu diesem
Zweck beispielsweise Salz oder Salpeter oder geschmolzenes Blei, Zinn, Zink o. dgl.
verwenden, die nötigenfalls zur Beschleunigung des Wärmeaustausches gerührt werden.
Im allgemeinen wird es genügen, die äußeren Teile des Metallkörpers auf etwa 4oo°
zu erhitzen. Man kann sie auch der Wirkung von heißem Gas oder heißer Luft aussetzen.
-
Der erhitzte Körper kann schnell oder langsam abgekühlt werden. Dadurch
werden seine metallurgischen Eigenschaften und der Zustand der Eigenspannungen bis
zu einem gewissen Grade verändert.
-
Bei der Behandlung von Stücken, die zur Anlaßsprödigkeit neigen, kann
man sie z. B. nach dem Abschrecken von 5o0° in einem Ofen oder in einem Bad erhitzen,
dessen Temperatur verhältnismäßig hoch, beispielsweise 50o bis iooo°, liegt. Die
Außenschicht des Metallkörpers erwärmt sich sehr rasch, während die inneren Teile
ihre Temperatur im wesentlichen beibehalten. Es entsteht daher eine sehr hohe Temperaturdifferenz,
die zum Ausgleich der vorhandenen Spannungen führt. Wenn das Metallstück eine genügend
hohe Temperatur angenommen hat, wird es nochmals abgeschreckt, um eine Anlaßsprödigkeit
der Außenschicht zu vermeiden, falls diese zu heiß geworden ist. Das Metallstück
kann auch langsam abgekühlt werden, falls die Temperatur nicht zu hoch geworden
war, oder, wenn die Außenschicht bei einer gegebenen Konstruktion wenig beansprucht
wird, so daß die in ihr etwa entstehende Anlaßsprödigkeit nicht schädlich ist. Der
Vorzug der Erhitzung der Außenschicht auf eine über 4oo° liegende Temperatur besteht
darin, daß sich leicht ein stärkeres Temperaturgefälle im Innern des Sfückes erzeugen
läßt.