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Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus gehärtetem Stahl Es hat
sich gezeigt, daß bestimmte innere Spannungen in gehärtetem Stahl sich mit durch
bestimmte äußere Kräfte verursachten Spannungen derart verbinden, da.ß die Fähigkeit
des . Werkstoffes, den äußeren Kräften zu widerstehen, wächst, während bestimmte
andere innere Spannungen eine gegenteilige -Wirkung haben. Dies trifft besonders
dann ein, wenn die äußeren Kräfte-.einen begrenzten Teil der Fläche angreifen, so
daß nur bestimmte Teile der Masse des Werkstofffes ihren Spannungszustand in höherem
Maße ändern. ' Untersuchungen -des Spannungszustandes bei Gegenständen aus. gehärtetem
Stahl mit einer Härte von über etwa 6oo Brinell ,haben ergeben, daß die inneren
Spannungen zweierlei Art sein können, nämlich einmal .sog. Mikrospannungen, die
sich einander im Innern des Werkstoffes das Gleichgewicht halten und seine Festigkeit,
besonders die Härte; bkistimmen, und ein andermal sog. Makrospannungen, die zum
überwiegenden Teil innerhalb eines größeren Teiles .des Werkstoffes gleichgerichtet
sind und durch Kräfte im anderen Teil des Werkstoffes im Gleichgewicht gehalten
werden. Die Makrospannungen sind somit von der gleichen Art wie die durch äußere
Kräfte verursachten Spannungen.
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Untersuchungen, die über die Verteilung und Richtung. der Makrospannungen
vorgenommen wurden, haben erwiesen, daß der Werkstoff in und in der Nähe der Oberfläche
bedeutenden Zugspannungen ausgesetzt ' ist und .daß in und um die !innersten Teile
des Werkstoffes entsprechende Druckspannungen herrschen. Ferner hat es sich ergeben,
daß die Spannungen in und in der Nähe der Oberfläche in verschiedenen Richtungen
von sehr verschiedener Größe sind. So sind die gleichlaufend zur Oberfläche wirkenden
Spannungen groß, während die senkrecht zur Oberfläche wirkenden klein sind. In der
Oberfläche selbst können keine senkrecht zur Oberfläche gerichteten inneren Spannungen
herrschen.
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Bei der Auswirkung von äußeren Kräften auf einen begrenzten Teil der
Oberfläche eines Gegenstandes, beispielsweise durch Belastung einer gegen den Gegenstand
ruhenden Kugel, tritt die gefährlichste Werkstoffbeanspruchung, unabhängig davon,
ob sie durch die größte Schubbeanspruchung oder durch die größte Gestaltänderungsarbeit
gekennzeichnet wird, auf einer in der Mitte der Druckfläche senkrecht zur Oberfläche
stehenden, wahrscheinlich in kurzem abstand von der Oberfläche sich befindenden
Linie auf. In diesem gefährlichsten Punkt, dessen Spannungszustand für die Festigkeit
des Werkstoffes bei dem fraglichen Belastungsfall ausschlaggebend ist, herrschen
Druckspannungen in - allen drei
Richtungen, doch ist die senkrecht
zur Oberfläche gerichtete Druckspannung wesentlich größer (in der Regel ungefähr
dreimal so groß) als diejenige in den übrigen Richtungen.
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, Z -Auch stellt dieser Unterschied in der Größe der Spannungen
eine Gefahr für ein Überschreiten der Festigkeitsgrenzen dar.
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Wenn nun der Werkstoff in unbelastetem Zustande Makrospannungen besitzt,-
die als Zugspannungen wirken und in der Nähe der Oberfläche gleichlaufend zu ihr
liegen, wird die gefährliche Werkstoffbeanspruchung in hohem Maße erhöht, da der
nach.der Belastung vorhandene Unterschied nvischen den Spannungen in normaler und
tangentialer Richtung dann stark erhöht wird. Lediglich senkrecht zur Oberfläche
gerichtete Makrozugspannungenwirkenvermindern_cf auf gefährliche Werkstoffbeanspruchungen
- ein. Diese Betrachtung erklärt somit die Erscheinung, daß es gerade bei einer
starken Belastung für die Festigkeit des Werkstoffes vorteilhaft ist, daß Zugspannungen
an der Oberfläche fehlen und es vorteilhaft ist, wenn bereIts vor Ausübung der äußersten
Belastunggleichlaufend zur Oberfläche Druckspannungen vorherrschen.
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Die vorliegende Erfindung dient dazu, die Erkenntnis über den entscheidenden
Einfluß der Makrospannungen auf die gefährlichen Werkstoffbeanspruchungen eines
Gegenstandes aus gehärtetem Stahl zu verwerten, der großen Belastungen durch äußere
Kräfte ausgesetzt wird. Ein derartiger Belastungsfall kommt bei Wälzlagern vor.
Diese Wälzlager werden aus -gehärtetem Stahl hergestellt, bei denen eingewisser
Teil der Oberfläche großen Beanspruchungen durch äußere Kräfte ausgesetzt wird.
Es ist dafür Sorge zu tragen, daß in diesem durch äußere Kräfte beanspruchten Teil
des Werkstoffes, der in unbelastetem Zustande eine Härte von mindestens 6oo Brinell-Einheiten
hat,. fast keine I1-Zakrospannungen nach Art von Zugspannungen gleichlaufend zur
Oberfläche dieses Teils vorhanden sind.
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Die Erzeugung der gewünschten Werkstoffeigenschaften erfolgt grundsätzlich
derart, daß die inneren Spannungen im Werkstoff die Makrozugspannungen an der Oberfläche
zum Verschwinden bringen, ohne daß gleichzeitig die Mikrospannungen wesentlich vermindert
werden. Der Werkstoff wird zu diesem Zweck von der Härtetemperatur auf Temperaturen,
die unterhalb der Raumtempefratur liegen, abgekühlt, wobei starke innere Spannungen
entstehen. Diese' Spannungen müssen eine bestimmte Zeitlang aufrechterhalten werden,
ehe eine Temperatursteigerung vorgenommen wird. Die Zeit, während der die -Spannungen
wirken müssen, ist stark von der Temperatur abhängig, .auf welcher die Stahlgegenstände
gehalten werden. Wird der Gegenstand nach dem Härten auf etwa den Gefrierpunkt abgekühlt,
ist --eine sehr lange Zeit für die Wirkung der inneren Spannungen und ein darauffolgendes
Anlassen auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erforderlich. Wird dagegen der
Körper auf -,vesentlich niedrigere Temperaturen abgekühlt, beispielsweise nachdem
er zuerst auf Zimmertemperatur gebracht worden ist und während längerer oder kürzerer
Zeit auf dieser Temperatur gehalten wurde, so wird die erforderliche Einwirkungszeit
abgekürzt. Geht man auf - 5o° C oder noch weiter herunter, dann wirken die Spannungen
fast augenblicklich. Nach einer Temperatursteigerung wird der gewünschte Spannungszustand
des Werkstoffes erhalten, wobei die Mikrospannungen -im Werkstoff hoch- bleiben.
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Gegenstände mit geeigneter Form und Zusammensetzung wurden unmittelbar
von der Härtetemperatur, z. B. -'r 85o° C, auf beispielsweise - ioo° C abgekühlt.
In der Regel ist es jedoch notwendig, diese Abkühlung stufenweise vorzunehmen und
den Gegenstand. während einer gewissen Zeit auf einer oder mehreren dazwischenliegenden
Temperaturen zu halten. Es hat sich auch erwiesen, daß eine derartige Verfahrensweise
wirtschaftliche Vorteile bietet.
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Eine genügende Wirkung der inneren Spannungen kann auch durch ihre
Vereinigung mit durch äußere Kräfte verursachten Spannungen, z. B. einen allseitigen
Druck, eine Erschütterung o. dgl. verursacht werden. Eine besonders kräftige Wirkung
ist durch eine geeignete Vereinigung einer Temperatursenkung und der Anwendung äußerer
Kräfte erzielbar.
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Zur Herstellung von erfindungsgemäß behandelten Wälzlagerteilen wird
ein Stahl mit etwa i o'o C, i o'o Cr und i o'o Mn von der Härtetemperatur, etwa
85o' C, durch eine gewöhnliche schnelle Abkühlung zunächst auf ungefähr Zimmertemperatur
abgeschrecktund darauf in einer zweckmäßigen Flüssigkeit, z. B. Alkohol, auf etwa
- 3o° C abgekühlt. Darauf wird der Gegenstand unmittelbar in ein anderes Kühlbad
überführt, das eine Temperatur von -78°C besitzt. Hierin verbleibt das Werkstück,
bis es die Temperatur des . Bades angenommen hat. hierauf wird der -Gegenstand wieder
in das erste Bad gelegt, von welchem er ._ t\'2irrne entnimmt, so daß dieses erste
Bad kein besonderes Kühlmittel erfordert. --Ein geeigzietes Kühlmittel für das zweite
Bad ist Kohlensaurcschnee. Nach dem Kühlen werden die Gegenstände eine Zeitlang
bei erhöhten Temperaturen angelassen. -Hierdurch erhalten sie
eine
Härte von etwa 66o bis 670 BrInell-Ei:nheiten. In der Regel liegt diese Anlaßtemperatur
zwischen -;- zoo und -L 25o° C.
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Ein noch wirksameres Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin,
daß nach dem Härten eine stufenweise Abkühlung auf - z5°, - 50°, - 75° und - loo'
C vorgenommen wird. Zwecks Herstellung der niedrigsten Temperatur. in dieser Reihe
wird am besten ein abgebrochenes Lindeverfahren verwendet. Man kommt dann bei der
gleich hohen Anlaßtemperatur, wie im vorgenannten Feil, auf eine größere Härte und
höhere Tragfähigkeit.
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Eine besonders günstige,erfindungsgemäße Verfahrensweise besteht darin,
die Gegenstände nach der Härtung und vor der Abkühlung auf Temperaturen unterhalb
der Raumtemperatur längere Zeit auf Zimmertemperatur zu halten. Ferner ist es vorteilhaft,
in gleicher Weise nach der Abkühlung und vor dem Anlassen zu verfahren.
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Die Verstärkung der inneren 'Spannungen durch Anwendung äußerer Kräfte
kann bei gleichzeitiger, vorhergehender oder nachfolgender Abkühlung erfolgen. Hierbei
wird der Gegenstand beispielsweise in einen elektromagnetischen- Schwingungskreis
eingesetzt; so daß er in starke Erschütterungen gerät. Eine solche Erschütterung
läßt sich am einfachsten unterhalten, wenn dafür gesorgt wird; daß die Frequenz
der elektromagnetischen Schwingungen mit der Frequenz der mechanischen Eigenschwingungen
des Gegenstandes übereinstimmt. Die hierfür notwendige Anordnung besteht aus einem
gewöhnlichen Tonfrequenzgenerator, in welchem der zu behandelnde-Teil als Stimmgabel
verwendet wird.
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Bei der Prüfung einer größeren Anzahl von Wälzlagern war bisher die
-bei der gleichen Belastung erreichte Lebensdauer ,- verschiedener Stücke des gleichen
Lagers sehr verschieden. Diese Streuung wird durch die Kurve t der Abbildung veranschaulicht.
Die Anzahl der geprüften Lager ist auf derwaagerechten IV-Achse angegeben. Die senkrechte
L-Achse veranschaulicht die Lebensdauer der betreffenden Lager. Die Streuungskurve
1, die beieiner genügendgroßcn AnzahlLagerbisher grundsätzlich den gleichen Verlauf
gehabt hat, unabhängig von- der Bauart und Größe der Lager und verhältnismäßig unabhiingig
von allen bisher bekannten Beschaftenheiten des Lagerwerkstoffes zeigt einen sehr
- großen Unterschied zwischen der längsten und kürzesten Lebensdauer und gibt außerdem
u. a. a -daß die Lebensdauer der meisten Lager unter der mittleren Lebensdauer liegt.
Die Streuung beträgt gewöhnlich 3o bis loo oder noch mehr. Bei einer Prüfung von
Kugellagern,- deren Ringe gemäß Erfindung behandelt waren und fast keine Makrospannungen
aufwiesen, ergab sich eine Streuung nach Kurve ?. Diese zeigt nicht nur eine wesentlich
größere Gleichwertigkeit der verschiedenen Lager (Streuttng 2-3), sondern auch wesentlich
größere Lebensdauerwerte. Die nach Kurve t mit einzelnen Lagern erreichbaren, verhältnismäßig
hohen Werte dürften auf den Umstand zurückzuführen sein, daß die gen in in diesen
Lagern zufälligerweise besonders klein ausgefallen sind, oder aber so gerichtet
waren, daß sie nur in geringem Maße zu der Bildung der die Ermüdung bestimmenden
Werkstoffbeanspruchung beigetragen haben. Daß die -neue Streuungskurve z nicht vollkommen
waagerecht verläuft, ist ganz natürlich, da der Werkstoff selbstverständlich Ungleichmäßigkeiten
aufweist, die in keinem Zusammenhang mit den Makrospannungen stehen.
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Bei einer Prüfung von erfinduligsgcmäß behandelten Wälzlagern, deren
Teile Makrodruckspannungen in der Oberschicht aufweisen, ergab sich eine Streuung
nach der Kurve 3. Die Lebensdauer liegt hier noch höher als bei dem spannungslosen
Werkstoff. Im vergleich- zu bekannten- Lagern betrug die Lebensdauer der erfindungsgemäß
behandelten Lager ungefähr das Zehnfache, wobei die Tragfähigkeit mehr als verdoppelt
worden war. Unter Lebensdauer bzw. Tragfähigkeit ist hier die Lebensdauer bzw. Tragfähigkeit
verstanden, die von goo'o sämtlicher Lager überschritten wird-und die auf den verschiedenen
Kurven durch einen Punkt gekennzeichnet worden ist.
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Das Feststellen -des Vorhandenseins von Makrospannungen und ihrer
Art- (Druck- oder Zugspannungen) kann auf verschiedeneWeise erfolgen, beispielsweise
durch Röntgenuntersuchung von Kristallgitterverformungen oder durch Messen der Ablnessungs-_dder
Formänderungen von Körpern nach dem Entfernen eines örtlichen Werkstoffteiles.
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Diese Erfindung beschränkt sich nicht ausschließlich auf die Herstellung
von Teilen für Wälzlager, sondern läßt sich auch bei anderen Bauteilen aus Stahl
verwenden, die ähnlichen Belastungsfällen ausgesetzt sind, beispielsweise Stützzapfen
für Schleusentore, Brückenstützen, Matrizen, Schlaglverkz:ugen u. dgl.