DE671131C - Verfahren zur Erzeugung von elastischen Vorspannungen in Gegenstaenden aus Stahl - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von elastischen Vorspannungen in Gegenstaenden aus Stahl

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DE671131C
DE671131C DEV28584D DEV0028584D DE671131C DE 671131 C DE671131 C DE 671131C DE V28584 D DEV28584 D DE V28584D DE V0028584 D DEV0028584 D DE V0028584D DE 671131 C DE671131 C DE 671131C
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DE
Germany
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stresses
temperatures
steel
elastic
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DEV28584D
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Hans Buehler
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Kohle und Eisenforschung GmbH
Original Assignee
Kohle und Eisenforschung GmbH
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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering

Description

  • Verfahren zur Erzeugung von elastischen Vorspannungen in Gegenständen aus Stahl In der Technik werden vielfach Gegenstände aus Stahl während des Betriebes in ihren Randzonen elastisch auf Zug beansprucht, so beispielsweise auf Biegung oder Verdrehung beanspruchte Achsen und Wellen ferner Druckbehälter der verschiedensten Art, die während des Betriebes im Querschnitt ungleichförmig beansprucht werden. Kennzeichnend ist in jedem Falle, daß die Beanspruchungen in den Randzonen mit der Außerbetriebnahme der Gegenstände aufhören.
  • Zweck der Erfindung ist, die Betriebssicherheit bzw. Lebensdauer solcher und anderer in ähnlicher Weise beanspruchten Stahlgegenstände zu erhöhen.
  • Die Erfindung besteht darin, daß die Stahlgegenstände vor ihrer Inbetriebnahme auf Temperaturen unterhalb des A,-Punktes erhitzt und von diesen Temperaturen beschleunigt abgekühlt werden.
  • Wird eine stählerne Rundstange von erhöhten Temperaturen in Wasser abgeschreckt, so entstehen in der Stange Eigenspannungen, und zwar Druckspannungen im Rande und Zugspannungen im Kern. Wird eine derartige Stange statisch auf Biegung beansprucht, so werden plastische Verformungen am Rande der zugbeanspruchten Seite erst bei höheren Belastungen auftreten als .bei einer Stange mit den gleichen Eigenschaften, welche der die Eigenspannung erzeugenden Abschreckbehandlung nicht unterworfen wurde. Das gleiche konnte bei der Dauerbeanspruchung einer von 6oo° abgeschreckten und einer nichtabgeschreckten Stange eines Stahles mit rund 0,4 °/o C nachgewiesen werden. Bei der abgeschreckten Stange, bei der also ein Spannungszustand ohne Änderung der Festigkeitseigenschaften erzeugt worden war, lag die auf der Schenkschen Dauerbiegemaschine bestimmte Dauerfestigkeit höher als bei der Stange mit den gleichen Festigkeitseigenschaften ohne Eigenspannungen. Die -gleichen Überlegungen, die hier für die Biegebeanspruchung aufgestellt wurden, lassen sich für statische wie auch für Dauerverdrehungsbeanspruchungen durchführen. Die durch Verdrehungsbeanspruchungen in einer Rundstange entstehenden Spannungen sind gekennzeichnet durch Zugspannungen in den äußeren Randfasern. Wird eine im Betrieb auf Verdrehung zu beanspruchende Rundstange, z. B. eine Welle, von Temperaturen unterhalb A1 in Wasser abgeschreckt, so entstehen hier wieder im Rande Druckspannungen. Soll diese Stange durch Verdrehung bis zu einer Grenze verformt werden, bei der plastische Verformungen auftreten, so müssen z. B. an den Randzonen zuerst die Druckeigenspannungen überwunden werden, ehe hier die Torsionsbeanspruchungen wirksam werden. Dasselbe läßt sich natürlich auch für anclere'Beanspruchungsarten durchführen. Wenn z. B. durch irgendwelche äußeren Kräfte in der Randzone Druckspannungen erzeugt «-erden, so läßt sich eine Vorspannung für diese äußeren,Druckkräfte hervorrufen, die durch Zugbeanspruchungen im Rande gekennzeichnet ist.
  • Gemäß der Erfindung werden den Gegenständen aus Stahl also Vorspannungen gegeben, die den Betriebsbeanspruchungen entgegengesetzt gerichtet sind, ohne daß dadurch die Festigkeitseigenschaften der Gegenstände g e# ändert werden. Auf diese Weise wird also <las elastische Arbeitsvermögen, d. h. die Aufnahmefähigkeit der Gegenstände für elastische Spannungen, .an bestimmten Stellen heraufgesetzt; sie können höhere Spannungen ertragen, bis die ersten plastischen Verformungen auftreten, als solche Gegenstände, die diesen Vorspannungszustand nicht besitzen. Wird z. B. ein Hochdruckzvlinder durch irgendwelche stoßartigen Kräfte, z. B. durch Explosion, beansprucht, so treten an der inneren Zylinderwand Zugspannungen auf. Wird dieser Zylinder erfindungsgemäß vor der Inbetriebnahme von Temperaturen unterhalb 41 von innen mit Wasser oder Öl abgeschreckt, so entstehen Eigenspannungen, und zwar Zugspannungen am äußeren Rande des Zylinders und Druckspannungen an der Innenwandung. Diese Druckspannungen an den Innenwandungen stellen eine Vorspannung zu den durch die Betriebskräfte hervorgerufenen Betriebsbeanspruchungen dar, d. h. an der Innenwandung können durch die Vorspannung jetzt größere Kräfte aufgenommen «-erden, ehe plastische Verformungen auftreten, als bei den nicht vorbehandelten Zylindern. Dasselbe gilt für Hochdrucktrommeln, dickwandige Hochdruckrohre u. ä.
  • Werden z. B. die Außenzonen eines Hohlkörpers (Welle) im Betrieb etwa durch ein Biegemoment auf Zug beansprucht, so wird eine durch Druckkräfte gekennzeichnete Vorspannung an der Außenwandung günstig wirken. Eine derartige Vorspannung läßt sich erzeugen durch Abschrecken dieses Hohlzylinders von Temperaturen unterhalb Al, wenn bei dieser Abkühlungsbehandlung nur die Außenwandung des Zylinders abgeschreckt wird. Treten hingegen am Rande der Bohrung die gefährlichen Zugspannungen auf, so ist die günstige Vorspannung durch Abschrecken der Bohrungswandung zu erzeugen.
  • Es sei erwähnt, daß sich die Betrachtungen sowohl über die durch Vorbehandlung erzeugten Spannungen als auch über die Spannungen der Betriebsbeanspruchungen auf reine elastische Spannungen beziehen, d. h. die durch den I?igenspannungszustand gekennzeichneten Spannungen sind reine elastische Spannungen im Stahlgegenstand; die Betriebsbeanspruchungen sollen, wie auch meist vorgeschrieben, ebenfalls nur elastischer Art sein. Das neue Verfahren ermöglicht also eine Erhöhung derBetriebssicherheit dadurch, daß in einem Werkstück aus Stahl an irgendeiner Stelle unter Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften elastische Spannungen durch beschleunigtes Abkühlen von Temperaturen von unterhalb A1 erzeugt werden, die an der gleichen Stelle den Betriebsbeanspruchungen entgegenwirken. Es wird hier in erster Linie an die Erzeugung von günstigen Vorspannungen am Rande gedacht, da am Rande irgendeines größeren Werkstückes infolge der größeren Verformungsmöglichkeit eher die Möglichkeit zum Anbruch gegeben ist als iin Kern.
  • Die Erfindung erstreckt sich weiter darauf, Gegenstände, bei denen durch Ausscheidung Eigenschaften verbessert werden können.-zur Herbeiführung der Ausscheidung bei entsprechender Temperatur auszuglühen und von dieser Temperatur zur Erzeugung der Vorspannungen beschleunigt abzukühlen.
  • In manchen Fällen kann es dabei wünschenswert sein, die Gegenstände nach dem Glühen erst langsam auf eine tiefere Temperatur und von dieser zur Erzeugung der Vorspannung beschleunigt abzukühlen.
  • Es ist bekannt, daß Druckvorspannungen in Werkstücken durch verschiedene Arten plastischer Verformung, wie Recken, Stauchen, Drücken usw., hervorgerufen werden können, so z. B. kann man in Dichtungsringen durch Kaltverdichten eine bestimmte Spannkraft erzeugen. Hierbei handelt es sich erstens um über den ganzen Querschnitt gleichartig beanspruchte Bauteile, und außerdem wird beim Kaltverdichten eine Änderung der Festigkeitseigenschaften der kaltverformten Schicht erreicht. Durch das Kaltverdichten der Ringe soll auch lediglich die Elastizitätsgrenze erhöht und eine Ausbiegung der geschlitzten Ringe nach außen, d. h. eine Formänderung, erreicht werden. Derartige Vorbehandlungen sind jedoch schwierig durchzuführen, und der Einfluß der erforderlichen Größe des Verformungsgrades kann nicht vollständig überblickt und angegeben werden. Jede Kaltverformung ist außerdem mit nachteiligen Änderungen der Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes verbunden. Demgegenüber ist es beim Verfahren gemäß der Erfindung ein wesentliches Kennzeichen, daß keine Veränderungen der Festigkeitseigenschaften eintreten. Darüber hinaus weist das Verfahren gemäß der Erfindung den Vorzug leichter Anwendbarkeit auf, indem man l nach wenigen Versuchen in der Lage ist, die Vorspannungen gleichmäßig verteilt und in gewünschter Höhe zu erzeugen.
  • Es ist weiter bekannt, daß zur Erzeugung von Druckvorspannungen in großen Werkstücken von einer Temperatur oberhalb As abgeschreckt wird, was jedoch mit der Ausbildung eines sorbitischen Gefüges und Änderung der Festigkeitseigenschaften verbunden ist. Man hat vorgeschlagen, Stahlreifen oder -räder nach der Heißbehandlung derart abzukühlen, daß im äußeren Teil Druck-, im inneren Teil Zugspannungen entstehen. Der Zweck war, beim Auftreten eines Bruches zu verhindern, daß der Reifen abspringt oder das volle Rad sich am Umfang öffnet. Da die Radkörper in der Hauptsache am äußeren C'rnfange durch Druckkräfte beansprucht werden, sind die bei dein bekannten Verfahren hervorgerufenen Eigenspannungen nicht den Betriebsbeanspruchungen entgegengesetzt gerichtet, auch erfolgt die Abkühlung von einer über den kritischen Temperaturen liegenden Temperatur. Die Abkühlung hat also eine Änderung der Festigkeitseigenschaften zur Folge. Weiter ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Innere eines auf Walz- bzw. Schmiedetemperatur erhitzten Hohlkörpers abgeschreckt und gleichzeitig die äußeren Schichten durch Schmieden, Walzen o. dgl. verformt werden. Es handelt sich hierbei jedoch um Hohlkörper aus Bronze.
  • Beim Verfahren der vorliegenden Arbeit wird ausdrücklich gefordert, daß das Abschrecken unterhalb Al stattfindet, damit die Festigkeitseigenschaften -nicht geändert werden. Dies ist ein Vorteil, der bei den bisherigen im Schrifttum angegebenen Behandlungsarten zur Erzeugung von Vorspannungen nicht eintritt. Durch Abschrecken oberhalb A, entstehen auch nicht in allen Fällen Druckspannungen am Rande des so behandelten Werkstückes, denn es hängt, wie Bühl e r und S c h e i 1 (Arch. f. Eisenhüttenw. 6, 1932/33) nachgewiesen haben, weitgehend von der Stahlzusammensetzung ab, ob Druck-oder Zugspannungen nach dem Abschrecken von Temperaturen oberhalb A" zurückbleiben. Daß durch Abschrecken von Temperaturen unterhalb A1 in Hohlkörpern hohe innere Spannungen entstehen, war bereits bekannt. Ein Verfahren zur bewußten planmäßigen Nutzanwendung der Kenntnis, durch Abschrecken unterhalb A1 im Werkstück gleichmäßig verteilte Vorspannungen von gewünschtem Betrage zu erzeugen, war jedoch der Fachwelt bisher nicht bekannt.
  • Von maßgebenden Fachleuten wurde diese Erkenntnis von den durch Abschrecken von Temperaturen unterhalb A1 erzielten Druckvorspannungen noch im Jahre 1931 (vgl. St. u. E., 193r, S.662) nicht nur nicht ausgenutzt, sondern auch das Vorhandensein innerer Spannungen als für die Sicherheit des Werkstückes unerwünscht und schädlich bezeichnet. Das vorliegende Verfahren stellt somit in seiner praktischen Nutzanwendung einen technischen Fortschritt dar.
  • Nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Gegenstände, die zur Verformung metallischer Werkstoffe dienen, da ein entsprechender Vorschlag bereits vorliegt, jedoch nicht zum Stande der Technik gehört.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Erzeugung von elastischen Vorspannungen in Gegenständen aus Stahl, die nicht zur Verformung metallischer Werkstoffe dienen und die während des Betriebes in den Randzonen elastisch auf Zug beansprucht werden, durch eine Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände vor Inbetriebnahme auf Temperaturen unterhalb des A,-Punktes erhitzt und von diesen Temperaturen beschleunigt abgekühlt werden.
  2. 2. Die Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch i bei Hohlkörpern, deren Innenwandung durch Zugspannungen elastisch beansprucht wird, derart, daß nur die Innenwandung beschleunigter Abkühlung unterworfen wird.
  3. 3. Die Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch i bei Hohlkörpern, deren Außenmantel elastisch auf Zug beansprucht wird, derart, daß nur die Außenwandung der beschleunigten Abkühlung unterworfen wird. q..
  4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Gegenstände aus Eisenlegierungen, deren Eigenschaften durchAusscheidung verbessert werden, zur Herbeiführung der Ausscheidung bei entsprechenden Temperaturen ausgeglüht und von diesen Temperaturen zur Erzeugung der Vorsp-.nnungen beschleunigt abgekühlt werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch q., dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände zur Herbeiführung der Ausscheidung bei der entsprechenden Temperatur geglüht, dann auf eine tiefer liegende Temperatur langsam, von dieser zur Erzeugung der Vorspannung beschleunigt abgekühlt werden.
DEV28584D 1932-08-26 1932-08-26 Verfahren zur Erzeugung von elastischen Vorspannungen in Gegenstaenden aus Stahl Expired DE671131C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0356417A1 (de) * 1988-08-04 1990-02-28 SCHOELLER-BLECKMANN Gesellschaft m.b.H. Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen rohrförmigen Körpern, insbesondere nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen und nach dem Verfahren hergestellte Teile

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0356417A1 (de) * 1988-08-04 1990-02-28 SCHOELLER-BLECKMANN Gesellschaft m.b.H. Verfahren zur Herstellung von spannungsrisskorrosionsbeständigen rohrförmigen Körpern, insbesondere nichtmagnetisierbaren Schwerstangen aus austenitischen Stählen und nach dem Verfahren hergestellte Teile

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