DE636520C - Verfahren zum Erzielen geringerer Zugspannungen in der Aussenschicht von Bauteilen aller Art - Google Patents

Description

In fast allen unter Spannung stehenden Körpern ist in den verschiedenen Teilen des Körpers die Beanspruchung verschieden hoch oder nicht in gleichet Höhe zulässig, sei es infolge der Belastungsart, des Einflusses der Form, der Oberflächenbeschaffenheit oder sonstiger zusätzlicher Einflüsse, z.B. der Korrosion. Es sind besonders gefährdet die äußeren Schichten, in denen eine Spannungserhöhung über die durchschnittliche Beanspruchung, bezogen auf den Querschnitt, vorliegt oder durch Zusammenwirken von Spannung, Oberflächenempfindlichkeit des Werkstoffs, Kerben, Korrosion-und ähnliches mehr nur eine unter dem Durchschnittswert liegende Beanspruchung zulässig ist. Da hierdurch insbesondere für wechselnde Beanspruchung die Abmessungen wesentlich beeinflußt werden, so bedeutet es Materialersparnis und größere Gestaltungsfreiheit, wenn es gelingt, das Auftreten unzulässiger Spannungen an diesen gefährdeten Stellen zu verhüten. So ist es bekannt, daß die zulässige Dauerbeanspruchung, beispielsweise in den durch Korrosion beeinflußten Fasern sehr stark herabgesetzt wird, wenn während des Korrosionseinflusses die Beanspruchung des Werkstoffes eine bestimmte Höhe überschreitet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Herabsetzung der Zugspannungen, damit auch die Beeinflussung außerdem noch vorhandener Querspannungen, sowie der. beim Einwirken mehrerer in verschiedenen Richtungen angreifender Kräfte gleichzeitig auftretenden Spannungen in den gefährdeten Teilen eines Körpers.

Der nach dem neuen Verfahren zu behandelnde Körper wird, zum mindesten an gewünschten Stellen, unter Zugspannung gesetzt, sei es durch reine Zugkräfte, durch auf Biegung hinwirkende Kräfte oder beide zusammen oder durch Kräfte, die eine ähnliche Wirkung ausüben, wie sie z. B. bei Zentrifugalkräften auftritt. In diesem Spannungszustand erfolgt eine Veränderung der Form und der Spannungen an den gefährdeten Stellen des Körpers. Diese vorteilhafte Veränderung der Form kann bei Vorspannung mindestens der gefährdeten Stellen beispielsweise in einer plastischen Verformung oder in einem Aufbringen von Material an gefährdeten Stellen des Körpers bestehen. Die Veränderung der Spannungen kann in einer Verringerung, Beseitigung oder Umwandelung von Spannungen an den bisher gefährdeten Stellen zum Ausdruck kommen. Die Wahl der Vorspannung ermöglicht es, an bestimmten Stellen des Körpers die Größe der Spannungsänderung zu regem.

Betrachten wir den Vorgang der Formänderung bei der plastischen Verformung der gefährdeten Stellen des Körpers. Wir lassen

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beispielsweise die^Bfitriebslast an dem Körper angreifen. Dabei entstehen bei einer un gleichmäßigen- Verteilung der Spannungen über den Querschnitt die Spannungsspitzen. Beim Drücken der Oberfläche verformen sich diese infolge der Belastung höchstgespannten Fasern am weitestgehenden, ergeben also beispielsweise eine Spannung Null. Der restliche Querschnitt wird dadurch stärker beanspracht, wobei der Übergang von der Zugspannung Null zu den nunmehr gegenüber dem Zustand vor der Verformung der Außenfasern höher gespannten inneren Fasern sich infolge der' Verformung unter Spannung in günstigster Weise selbsttätig einstellt. Nach Wegnahme der Belastung stehen die verformten Fasern unter einer bestimmten Druckvorspannung. Wollte man dieses Drücken in bekannter Weise ohne Vorspannung vorao nehmen, so bieten alle Fasern, da sie nicht vorbelastet sind, praktisch gleichen Widerstand gegen Verformung, d. h. ihr Verformungsgrad ist- lediglich von der Druckhöhe abhängig. Es wird also die günstigste Verteilung der Verformung auf die Fasern entsprechend ihrer Beanspruchung im Betrieb nicht erreicht, damit aber auch nicht die günstigste Verlagerung der Spannungen.

Bei der Veränderung der Form an den gefährdeten Stellen des Körpers durch Aufbrin-. gen von Material unter Zugspannung sind die Einwirkungen u. a. abhängig von der Höhe der Temperatur beim Aufbringen des· Materials. Geeignete Mittel zum Aufbringen des Materials sind u. a.: Aufspritzen, chemische Verfahren oder elektrochemische Verfahren, wie z, B. Vernickeln, Verchromen und Schweißen, Plattieren.

Geschieht das Materialaufbringen bei unbelastetem Körper, bei etwa gleicher Tempe-' ratur des zu behandelnden Körpers und des aufzubringenden Materials, so ist das aufgebrachte Material bei der Betriebsbelastung, abgesehen von Veränderungen durch die besonderen Materialeigenschaften, z. B. verringerter Dehnung bei Chromüberzügen, an sich praktisch den gleichen Spannungen ausgesetzt wie der unbehandelte Körper. Bringt man da-• gegen das Material auf den unter Spannung stehenden Körper auf, so ist das aufgebrachte Material selbst praktisch spannungslos. Bei steigender Belastung des Grundkörpers entstehen in der aufgebrachten Schicht Zugspannungen, bei sinkender Belastung entstehen Druckvorspannungen. Durch Wahl der Spannung beim Materialaufbringen können wir also die Spannung in dem aufgebrachten Material bei bestimmten: Belastungen des Körpers auf gewünschter Höhe halten. Die Schutzwirkung dieser Schichten, z. B. gegen Korrosion, in bezug auf Beanspruchungshöhe, Haftfähigkeit, wird gesteigert, wie sich z. B. aus dem Einfluß der Höhe der Spannung bei gleichzeitiger Korrosion ergibt.

Wird das Material bei örtlicher Tempe- 6g raturerhöhung des zu behandelnden Körpers aufgebracht, z. B. wie bei der Auftragsschweißung, so entstehen beim Wiedererkalten Schrumpfspannungen in den erhitzten Materialien. Diese Schrumpfspannungen bedeuten eine Vorbelastung, vermindern die nutzbare Belastung.

Dehnt man gemäß dem Verfahren der Erfindung den Körper an den gefährdeten Stellen um das Schrumpfmaß, bringt den zusatzliehen Werkstoff auf und entfernt bei einer bestimmten Temperatur, z. B. nach Erkalten, die Belastung, so ist die Schrumpfspannung praktisch beseitigt. Durch Änderung der Vorspannung ist nach Wegnahme der Vorbelastung selbst eine Druckvorspannung in der aufgebrachten Außenschicht möglich.

An einigen nachstehend aufgeführten Anwendungsbeispielen werde das Verfahren weiter erläutert. Hochbeanspruchte Schrauben, deren Gewinde beispielsweise verchromt oder an der Oberfläche durch Rollen verdichtet wird, werden nach dem neuen Verfahren axial belastet und erhalten in diesem Zustand die Oberflächenverdichtung oder die Verchromung. Man erreicht hierbei sicherer und günstiger. die gewünschte Entlastung der gefährdeten Oberfläche.

Das übliche Verchromen von Turbinenschäufeln hat bisher wenig Vorteil gezeigt, weil die Chromschicht besonders an den Ein- und Austrittskanten sehr hohen Beanspruchungen im Betriebszustand ausgesetzt war. Beansprucht man dagegen die Schaufel etwa betriebsmäßig und verchromt sie in diesem Zustand, so ist die Beanspruchung der Oberflächenschicht im Betrieb gegenüber der Beanspruchung bei nach dem üblichen Verfahren hergestellten Deckschichten herabgesetzt. Die Chriomschicht ist im Betriebszustand dich- i°5 ter, sie haftet fester. Eine derart verchromte Schaufel kann höher beansprucht werden, insbesondere auf Biegung, weil die verminderte Spannung der Außenfaser im Betrieb erhöhte Dauerfestigkeit ergibt.

Seildrähte können nach dem Verfahren der Erfindung ohne Beeinträchtigung ihrer benötigten Dehnung mit verschleißfesteren oder korrosionssicheren Oberflächen versehen werden, Leitungsdrähte mit einem Überzug nach der Erfindung hergestellt, können höher beansprucht werden.

Bei den langen N. D.-Turbinenschaufeln muß hochwertigster, damit teuerer und auch empfindlicher Werkstoff verwendet werden, um den Verschleiß der Eintrittskante durch den nassen N^D^-Dampf in erträglichen

Grenzen zu halten. Man hat aus wirtschaftlichen Gründen daher versucht, die Eintrittskanten durch Aufschweißen von mit der Schaufel gleichem oder hochwertigerem Material zu ergänzen bzw. zu schützen. Dabei tritt jedoch eine unangenehme Schrumpfspannung in Richtung der Schaufellängsrichtung auf, die sich u. a. in einer Vorspannung in der Schaufelkante und in einem Verziehen

to der Schaufel äußert.

Setzt man eine derartig zu behandelnde Schaufel unter Zug oder Biegung oder Zug und Biegung bestimmter Größe und bringt in diesem Zustand das Kantenmaterial auf, so lassen sich die Schrumpf spannungen und das Verziehen praktisch beseitigen oder gewünscht niedrighalten oder gar in Druckvorspannung umwandeln. Damit besteht selbst die Möglichkeit, die Ergänzung abgenutzter Schaufelkanten auszuführen, -ohne sie vom Laufrad entfernen zu müssen.

Bei dickeren Materialschichten kann vorteilhaft die Größe der Vorspannung durch Änderung der Spannung im Grundkörper während des Aufbringens verändert werden, wodurch sich ein günstigerer Übergang der Spannungen zwischen Grundkörper und veränderter Außenschicht ergibt.

Die jeweilig zu verwendende Ausführungsart des Verfahrens wird von dem Material, der Form und Beanspruchung des Körpers sowie dem Verwendungszweck bestimmt werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ' i. Verfahren zum Erzielen geringerer Zugspannungen bei der im Betriebe auftretenden Belastung- -in der Außenschicht von Bauteilen aller Art, dadurch gekennzeichnet, daß; durch äußere. ,Kräfte an den gefährdeten Stellen des Bauteils Zugspannungen hervorgerufen und in diesem Spannungszustand äußere Schichten mit geringeren Zugspannungen im Betrieb durch Formänderung geschaffen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung an den gefährdeten Stellen des Körpers durch Aufbringen von Werkstoff erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung an den gefährdeten Stellen des Körpers durch bleibende spanlose Verformung erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführen des die Formänderung der in Frage kommenden Teile bewirkenden Stoffes auf chemischem oder elektrochemischem Wege erfolgt.
5. 5. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aufzubringende Werkstoff aufgeschweißt wird.
6. 6. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aufzubringende Werkstoff aufgespritzt wird.
7. 7. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch äußere Kräfte hervorgerufenen Zugspannungen im Grundkörper während der Ausführung der Formänderung verändert werden.