DE19714948A1 - Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer - Google Patents
Wasserbeständiges Wälzlager mit langer LebensdauerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdau
er, sie betrifft insbesondere ein Wälzlager, das selbst dann eine lange Le
bensdauer hat, wenn Wasser in das Schmiermittel des Lagers einsickert, und
das für die Verwendung als Zapfen-Wälzlager eines Walzwerks, als Wasser
pumpenlager für einen Automobilmotor und dgl. verwendet werden kann.
Im allgemeinen nimmt die Haltbarkeit (Lebensdauer) eines Wälzlagers ab,
wenn Wasser in das Schmiermittel eindringt. So führt beispielsweise das Ein
dringen von nur 100 ppm Wasser in das Schmiermittel zu einer Abnahme der
Lebensdauer des Lagers um 32 bis 48% (vgl. P. Schatzberg und I.M. Felsen,
"Wear", Band 12, S. 331-342, "Effects of water and oxygen during rolling con
tact lubrication" (1968) und P. Schatzberg und I.M. Felsen, "Journal of Lubri
cation Technology, ASME Trans." F, 91, 2, S. 301-307, "Influence of water on
fatigue failure location and surface alteration during rolling contact lubrication"
(1969)).
Deshalb sollten bei einem Lager, das in einer Umgebung verwendet wird, bei
dem es mit Wasser in Kontakt kommt, beispielsweise einem Zapfen-Wälzlager
eines Walzwerks oder bei einem Wasserpumpenlager, Gegenmaßnahmen
ergriffen werden, um es gegen das Eindringen von Wasser abzudichten, um
so eine Abnahme der Lebensdauer zu verhindern. So ist beispielsweise in JP-
B-55-22648 (der hier verwendete Ausdruck "JP-B" steht für eine "geprüfte
publizierte japanische Patentanmeldung") ein Zapfen-Wälzlager für ein Walz
werk beschrieben, das an seinen beiden Seiten durch eine Kontaktdichtung,
beispielsweise eine Öldichtung, abgedichtet ist, und in JP-A-59-223103 (der
hier verwendete Ausdruck "JP-A" steht für eine "ungeprüfte publizierte japani
sche Patentanmeldung") ist ein Lager beschrieben, das an seinen beiden
Seiten durch eine Nicht-Kontakt-Dichtung, die einen engen gekrümmten Zwi
schenraum aufweist.
Die beschriebenen Abdichtungsstrukturen weisen zwar verbesserte Abdich
tungseigenschaften gegenüber den konventionellen Gegenmaßnahmen auf,
sie sind jedoch noch unzureichend im Hinblick auf die Lebensdauer eines La
gers. Das heißt, bei dem Lager, das eine Kontaktdichtung aufweist, kann nicht
vollständig das Einsickern von Wasser verhindert werden, wenn die Tempera
tur des Lagers fällt, weil die Luft innerhalb des Lagers Wasser von außen an
zieht und ansaugt. Bei dem Lager, das eine Nicht-Kontakt-Dichtung aufweist,
ist das Problem des Ansaugens von Wasser durch den Spalt der Dichtung
ebenfalls noch nicht gelöst.
Angesichts der Tatsache, daß die Anwesenheit von nur 100 ppm Wasser in
dem Schmiermittel die Lebensdauer eines Lagers wie vorstehend angegeben
stark beeinflußt, würde jede Dichtung keinen Effekt ergeben, wenn nicht das
Eindringen von Wasser vollständig verhindert wird.
Da es bisher nicht bekannt war, warum das Vorhandensein von Wasser zu
einer derart signifikanten Abnahme der Lebensdauer des Lagers führt (vgl. E.
Ioanniedes und B. Jacobson, "Ball Bearing Journal", Special 1989", S. 22-27,
"Dirty lubricants-reduced bearing life" (1989)) war es bisher schwierig, eine
radikale Maßnahme vom Standpunkt des Materials aus betrachtet zu ergrei
fen, um die Lebensdauer des Lagers zu verlängern. Versuche, das Einsickern
von Wasser zu verhindern, waren bisher auf Oberflächen-Maßnahmen zur
Verbesserung des Leistungsvermögens einer Dichtung beschränkt.
Die vorliegende Erfindung wurde gefunden aufgrund der Aufmerksamkeit, die
dem vorstehend beschriebenen Problem der konventionellen Verfahren ge
widmet wurde. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein wasser
beständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer bereitzustellen, das selbst in
einer Umgebung, die das Einsickern von Wasser in das Schmiermittel erlaubt,
eine lange Lebensdauer hat, durch Verwendung eines Materials mit ausge
zeichneten Funktionen in bezug auf die Verminderung der Wasserstoff-
Entwicklung hauptsächlich auf der Oberfläche von Stahl und die Bildung eines
für Wasserstoff kaum durchlässigen Films, um das Eindringen von Wasserstoff
in den Stahl zu vermindern und dadurch das Auftreten einer Abblätterung als
Folge der Wasserstoff-induzierten Versprödung hinauszuzögern.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Einflüsse von Wasser auf
die Walzermüdung eines Wälzlagers untersucht und sie haben dabei den fol
genden Mechanismus gefunden.
- (1) Wasserstoff, der durch eine Korrosions-Reaktion entwickelt wird, tritt in seinem atomaren Zustand durch die Korngrenzen der früheren Austenit- Kristallkörner auf dem Laufring eines Lagers ein und diffundiert durch die Korngrenzen hindurch und wird zu Wasserstoff-Molekülen, d. h. er geht in den Zwischenräumen zwischen den Nicht-Metalleinschlüssen, welche die vorher gehenden Austenit-Kristall-Korngrenzen und ein Matrix-Material kreuzen, in Wasserstoffgas über.
- (2) Wenn die Menge an Wasserstoffgas zunimmt, steigt der Innendruck der Zwischenräume. Wenn Wälzelemente über die Zwischenräume hinweglaufen, steigt der Innendruck weiter. Wenn dies der Fall ist, wird eine Rißbildung initi iert fast parallel zu dem Laufring als ob die Zwischenräume sich ausdehnen würden, wodurch ihr Wasserstoff-Gasdruck abnimmt.
- (3) In der Zwischenzeit steigt die Wasserstoffgas-Menge wieder an und die Risse entwickeln sich weiter, um den Druck in den Zwischenräumen zu sen ken. Während die Anstiege und Abnahmen des Druckes in den Zwischenräu men abwechseln, entwickeln sich die Risse immer weiter und führen schließ lich zu einem Abblättern. Da sich die Entwicklung der Rißbildung auf diese Weise wiederholt, weist der Bruch als Folge des Abblätterns musterartige Umfangs-Ringe mit einem Oxideinschluß im Zentrum auf. In vielen Fällen fällt der nicht-metallische Einschluß, der als Ausgangspunkt der Rißbildung gedient hat, beim Auftreten des Abblätterns herunter und ist schwierig nachzuweisen.
In der vorliegenden Erfindung wird ein solches "Abblätterungsphänomen bzw.
Abplatzphänomen" eines Lagers als "Wasserstoff-induziertes Versprödungs-
Abblättern" bezeichnet. Während das generelle Abblättern auftritt unter Teil
nahme der nicht-metallischen Einschlüsse mit einem Minimum einer gegebe
nen Größe als Ausgangspunkt des anfänglichen Abblätterns, erfolgt das Was
serstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern an allen zahllosen nicht-
metallischen Einschlüssen als Ausgangspunkt. Auch wenn die zahllosen nicht-
metallischen Einschlüsse auf die Hälfte ihrer Anzahl vermindert werden könn
ten, würde immer noch eine große Anzahl von nicht-metallischen Einschlüssen
verbleiben, so daß es unmöglich ist, die Lebensdauer des Lagers durch Hoch
reinigung des Materialstahls zu verlängern.
Die Erfinder sind zu der vorliegenden Erfindung gelangt auf der Basis des auf
diese Weise entdeckten Mechanismus.
Gegenstand der Erfindung ist ein Wälzlager, das in einer Umgebung verwen
det wird, bei der ein Eindringen von Wasser in das Schmiermittel des Wälzla
gers auftritt, wobei mindestens ein Vertreter aus der Gruppe innerer Laufring,
äußerer Laufring und Wälzelement (Wälzelemente) aus einem Legierungs
stahl hergestellt ist, der 0,05 bis 0,60 Gew.-% Cu, 0,10 bis 1,10 Gew.-% C und
0 bis 0,2 Gew.-% Nb oder V enthält.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte Teilansicht einer Testvorrichtung zum Testen der Le
bensdauer eines Wälzlagers;
Fig. 2 in schematischer Form das Abblätterungsmuster eines Vergleichsla
gers;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die Cu-
Konzentration eines äußeren Laufringes aufgetragen ist;
Fig. 4 ein Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die Cu-
Konzentration eines äußeren Laufringes, der Cu und P enthält, aufge
tragen ist; und
Fig. 5 ein Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die P-
Konzentration eines äußeren Laufringes, der Cu und P enthält, aufge
tragen ist.
Ein Legierungsstahl, wie er erfindungsgemäß verwendet wird, enthält im we
sentlichen 0,05 bis 0,60 Gew.-% Cu. Cu unterdrückt die Korrosion von Stahl
durch Verminderung der Wasserstoff-Entwicklung an der Oberfläche von Stahl
und bildet auch einen für Wasserstoff kaum durchlässigen Film, der dazu
dient, die Wasserstoff-Menge, die in den Stahl eindringt, herabzusetzen.
Deshalb ist Cu extrem wirksam in bezug auf die Hinauszögerung des Auftre
tens des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Wenn der Cu-
Gehalt weniger als 0,05% beträgt, wird kein wesentlicher Effekt erzielt. Wenn
er 0,60% übersteigt, weist der Legierungsstahl eine verminderte Warmverar
beitbarkeit auf.
Der erfindungsgemäß verwendete Legierungsstahl enthält im wesentlichen
0,10 bis 1,10 Gew.-% C. Wenn der C-Gehalt weniger als 0,10% beträgt, ist für
die Carburierung (oder Carbonitrierung) zu viel Zeit erforderlich, was für die
Produktivität ungünstig ist. Wenn der C-Gehalt 1,10% übersteigt, weist das
Lager eine verminderte Dimensions-Stabilität auf.
Der erfindungsgemäß verwendete Stahl enthält vorzugsweise bis zu 0,20
Gew.-% Nb oder V oder er enthält sowohl Nb als auch V in einer Gesamtmenge
von nicht mehr als 0,20 Gew.-%. Nb oder V dient dazu, die früheren Austenit-
Kristallkörner feiner zu machen, wodurch mehr Korngrenzen erhalten werden,
durch die Wasserstoffatome passieren können. Daraus folgt, daß Wasser
stoffgas zu vielen Einschlüssen zugeführt wird, was wirksam ist in bezug auf
die Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns.
Obgleich ein ähnlicher Effekt durch andere Elemente mit der gleichen Funktion
wie Al und N erzielt werden könnte, führt die Zugabe von Nb oder V zu besse
ren Ergebnissen in bezug auf die Wasserbeständigkeit und Lebensdauer ei
nes Lagers. Der obere Grenzwert des Nb- oder V-Gehaltes beträgt aus wirt
schaftlichen Erwägungen 0,2%.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Legierungs
stahl 0,030 bis 0,150 Gew.-% P, 0,020 bis 0,060 Gew.-% Al und 0,005 bis
0,015 Gew.-% N.
P wirkt ähnlich wie Cu. Das heißt, er unterdrückt die Korrosion von Stahl unter
Herabsetzung der Wasserstoffentwicklung an der Oberfläche von Stahl und
bildet ebenfalls einen für Wasserstoff kaum durchlässigen Film und dient so
zur Verminderung der Wasserstoffmenge, die in den Stahl eindringt.
Deshalb ist P extrem wirksam in bezug auf Hinauszögerung des Auftretens
des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Ein P-Gehalt von we
niger als 0,030% führt zu einem unwesentlichen Effekt. Wenn der P-Gehalt
0,150% übersteigt, wird der Stahl zu spröde für die Verwendung als Lagerma
terial. Vom Standpunkt der Kosten der Apparatur aus betrachtet beträgt die
Obergrenze des P-Gehaltes vorzugsweise 0,025 Gew.-%.
Al dient dazu, die früheren Austenit-Kristallkörner feiner zu machen ähnlich
wie Nb und V, wodurch mehr Korngrenzen geschaffen werden, durch die Was
serstoffatome passieren können. Daraus folgt, daß Wasserstoffgas zu vielen
Einschlüssen zugeführt wird, das wirksam ist in bezug auf die Hinauszögerung
des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Ein Al-Gehalt von
weniger als 0,020% führt zu einem unwesentlichen Effekt. Al-Gehalte von
mehr als 0,060% bringen keine weitere Verbesserung mit sich, sie führen nur
zu einer Erhöhung der Kosten.
N wirkt ebenfalls in der Weise, daß es die früheren Austenit-Kristallkörner fei
ner macht ähnlich wie Al, Nb und V, wodurch mehr Korngrenzen geschaffen
werden, durch die Wasserstoffatome passieren können. Daraus folgt, daß
Wasserstoffgas zu vielen Einschlüssen hingeführt wird, das wirksam ist in be
zug auf die Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-
Abblätterns. Ein N-Gehalt von weniger als 0,005% ergibt nur einen unwesent
lichen Effekt. N-Gehalte von mehr als 0,015% führen zu keiner weiteren Ver
besserung, sie resultieren nur in einer Erhöhung der Kosten.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der
Legierungsstahl 0,15 bis 1,10 Gew.-% Si, 0,35 bis 1,50 Gew.-% Mn und 0,35
bis 3,5 Gew.-% Cr.
Si wird als Desoxidationsmittel bei der Stahl-Herstellung zugegeben. Bei ei
nem Si-Gehalt von weniger als 0,15% wird kein Desoxidationseffekt erzielt.
Ein Si-Gehalt von mehr als 1,10% führt zu einer Ungleichmäßigkeit der Car
burierung (oder Carbonitrierung), so daß keine ausreichende Härte an der
Oberfläche erzielt wird. Um die Warmverformung für die Carburierung (oder
Carbonitrierung) gleichmäßig durchzuführen, um eine gleichmäßige Härte in
der Oberflächenschicht zu erzielen, beträgt der Si-Gehalt vorzugsweise nicht
mehr als 0,5 Gew.-%.
Der erfindungsgemäße Legierungsstahl darf außerdem nicht mehr als 1,10
Gew.-% Mo, nicht mehr als 4,5 Gew.-% Ni, nicht mehr als 0,008 Gew.-% S und
nicht mehr als 0,0015 Gew.-% O enthalten.
Mn, Cr, Mo und Ni, wie vorstehend angegeben, können jeweils zur Sicherstel
lung der Härtbarkeit zugegeben werden. Wenn der Mn-Gehalt weniger als
0,35% beträgt, ist der Effekt zur Sicherstellung der Härtbarkeit ungenügend.
Wenn der Mn-Gehalt 1,5% übersteigt, tritt eine abnorme Struktur als Folge
einer Segregation auf, was zu einer Rißbildung während der Herstellung führt.
Wenn der Cr-Gehalt weniger als 0,35% beträgt, ist der Effekt zur Sicherstel
lung der Härtbarkeit unzureichend. Wenn der Cr-Gehalt 3,5% übersteigt, läuft
die Carburierung (oder Carbonitrierung) ungleichmäßig ab, so daß keine aus
reichende Härte an der Oberfläche erzielt wird.
Mo und Ni brauchen nicht immer zugegeben zu werden. Wenn der Mo-Gehalt
1,10 Gew.-% übersteigt oder wenn der Ni-Gehalt 4,50 Gew.-% übersteigt, tritt
eine abnorme Struktur als Folge einer Segregation auf, was zu einer Rißbil
dung während der Herstellung führt.
S und O sind in dem erfindungsgemäßen Legierungsstahl schädliche Elemen
te, die dem Legierungsstahl unvermeidlich einverleibt werden. Das heißt, S
bildet Sulfid-Einschlüsse und O bildet Oxid-Einschlüsse, beide beschleunigen
die Walz-Ermüdung. Obgleich es erwünscht ist, diese Gehalte minimal zu
halten, werden die Obergrenzen des S-Gehaltes und des O-Gehaltes vom
wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet auf 0,008% bzw. 0,0015% einge
stellt.
Der erfindungsgemäße Legierungsstahl wird vorzugsweise hergestellt durch
ein Vakuumlichtbogen-Umschmelzverfahren (nachstehend abgekürzt als VAR-
Verfahren bezeichnet) oder ein Elektroschlacken-Umschmelzverfahren
(nachstehend abgekürzt als ESR-Verfahren bezeichnet). Der nach diesen
Verfahren erhaltene Legierungsstahl hat eine einheitliche Struktur mit einer
verminderten Segregation und ist daher frei von lokalen Zellen und gegen Kor
rosion beständig. Daher kann die Wasserstoff-Entwicklung an der Stahl-
Oberfläche vermindert werden, was wirksam ist in bezug auf die Hinauszöge
rung des Auftretens eines Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns.
Wie vorstehend angegeben, wird mindestens ein Vertreter der ein erfindungs
gemäßes Wälzlager aufbauenden Elemente, d. h. der innere Laufring, der äu
ßere Laufring und/oder das Wälzelement (die Kugeln) aus einem Legierungs
stahl hergestellt, der eine kontrollierte Zusammensetzung hat, so daß die
Wasserstoff-Entwicklung an der Oberfläche des Stahls herabgesetzt werden
kann und ein für Wasserstoff kaum durchlässiger Film auf der Stahl-
Oberfläche gebildet werden kann, um dadurch die Menge an in den Stahl ein
dringendem Wasserstoff zu vermindern. Die vorliegende Erfindung ergibt
somit ein wasserbeständiges Wälzlager, das auch dann eine lange Lebens
dauer hat, wenn es in einer solchen Umgebung verwendet wird, bei der Was
ser in das Schmiermittel des Lagers eindringen kann.
Erfindungsgemäße Lager (konische Wälzlager) und Vergleichslager wurden
aus einem Legierungsstahl mit verschiedenen Zusammensetzungen gemäß
den nachstehenden Angaben hergestellt und getestet unter Anwendung eines
Lager-Lebensdauer-Tests nach dem nachstehend beschriebenen Test-
Verfahren.
Spezifikationen:
Lagerbezeichnung: HR32017XJ
Innerer Durchmesser: 85 mm
äußerer Durchmesser: 130 mm
Breite des zusammengebauten Lagers: 29 mm
dynamische Grundbelastung: 143000 N
Spezifikationen:
Lagerbezeichnung: HR32017XJ
Innerer Durchmesser: 85 mm
äußerer Durchmesser: 130 mm
Breite des zusammengebauten Lagers: 29 mm
dynamische Grundbelastung: 143000 N
Eigenschaften des Lagers:
Oberflächenhärte: HRC 58 bis 64
Oberflächen-Rest-Austenit: 20 bis 45 Vol.-%
carburiertes Lager: Oberflächen-Kohlenstoff-Konzentration: 0,8 bis 1,1 Gew.-%
Oberflächenhärte: HRC 58 bis 64
Oberflächen-Rest-Austenit: 20 bis 45 Vol.-%
carburiertes Lager: Oberflächen-Kohlenstoff-Konzentration: 0,8 bis 1,1 Gew.-%
Carbonitriertes Lager:
Oberflächen-Kohlenstoff-Konzentration: 0,8 bis 1,1 Gew.-%
Oberflächen-Stickstoff-Konzentration: 0,05 bis 0,3 Gew.-%
Oberflächen-Kohlenstoff-Konzentration: 0,8 bis 1,1 Gew.-%
Oberflächen-Stickstoff-Konzentration: 0,05 bis 0,3 Gew.-%
Der Lebensdauertest wurde durchgeführt unter Verwendung der in der Fig. 1
dargestellten Test-Vorrichtung. Ein innerer Laufring 1 aus einem konischen
Wälzlager (Werk) W ist an einem Ende einer rotierenden Welle 6 in einen La
gersitz 6a eingepaßt, um das Werk W auf der Test-Vorrichtung einzustellen.
Ein äußerer Laufring 2 ist in einen inneren Lagerhalter 8 eines Gehäuses 7
eingepaßt. Ein ringförmiger Decke 10 mit einem Wasserkanal 9 ist an dem
Ende des inneren Lagerhalters 8 angebracht. Am Auslaß des Wasserkanals 9
ist eine Sprüheinrichtung 11 vorgesehen, die der breiteren Basis 3a der koni
schen Walze 3 gegenüberliegt. In den Wasserkanal 9 wird wie durch den Pfeil
A angegeben Wasser eingespritzt. Eine radiale Belastung Fr wird auf die rotie
rende Welle 6 mittels einer Beladungs-Einrichtung (nicht dargestellt) um die
radiale Belastung auf das Werk W aufzubringen, einwirken gelassen. Eine
axiale Belastung Fs wird an den inneren Lagerhalter 8 angelegt mittels eines
hydraulischen Zylinders (nicht dargestellt), um die axiale Belastung auf das
Werk W aufzubringen.
Die Bedingungen des Lebensdauertests in den Beispielen 1 bis 3 waren folgende:
Radiale Belastung: 35750 N
Axiale Belastung: 15680 N
Umdrehungs-Geschwindigkeit des inneren Laufrings: 1500 UpM Schmierung:
Radiale Belastung: 35750 N
Axiale Belastung: 15680 N
Umdrehungs-Geschwindigkeit des inneren Laufrings: 1500 UpM Schmierung:
- a) geschmiert mit 60 g Fett
- b) geschmiert mit 60 g Fett in Gegenwart von 3 ml/h Wasser (das zu sammen mit Luft auf das Lager aufgesprüht wurde).
Es wurde die 10%-Lebensdauer L₁₀ (restliche Lebensdauer 90%) eines La
gers in Abwesenheit von Wasser und diejenige des gleichen Lagers in Ge
genwart von Wasser erhalten zur Berechnung einer Bewertung der Abnahme
der Lebensdauer als Folge des Eindringens von Wasser nach der Gleichung
(1). Je niedriger die Rate der Abnahme der Lebensdauer ist, um so wasser
beständiger und langlebiger ist das Lager.
Rate der Abnahme der Lebensdauer (%) =
[(L₁₀ in Abwesenheit von Wasser) - (L₁₀ in Gegenwart von Wasser)]/
(L₁₀ in Abwesenheit von Wasser) × 100 (1)
[(L₁₀ in Abwesenheit von Wasser) - (L₁₀ in Gegenwart von Wasser)]/
(L₁₀ in Abwesenheit von Wasser) × 100 (1)
Zur Stahl-Herstellung wurden die folgenden Verfahren angewendet.
Es wurde eine Elektroofen oder ein Konverter verwendet. In einem Elektroofen
wird Schrott aufgeschmolzen durch die Wärme einer Lichtbogenentladung. In
einem Konverter wird die Temperatur bis auf eine vorgeschriebene Tempera
tur erhöht, indem man die Reaktionswärme zwischen eingeblasenem Sauer
stoff und den Elementen in geschmolzenem Eisen ausnutzt zur Durchführung
des Aufschmelzens. Diese Öfen haben die gleichen Funktionen der Decarbu
rierung, Dephosphorierung, der Entfernung von Silicium, der Entfernung von
Mangan und der Desulfurierung. Dem Strom von geschmolzenem Stahl wird
zum Zeitpunkt der Überführung in eine Pfanne Ferro-Legierung zugegeben,
um die Zusammensetzung so einzustellen, daß sie in der Nähe der End-
Zusammensetzung liegt.
Es wurden eine Desoxidation, eine Desulfurierung und eine Feineinstellung
der Legierungs-Elemente durchgeführt.
Es werden eine Desoxidation, eine Dehydrierung und eine Feineinstellung der
Legierungs-Elemente durchgeführt.
Der Ersatz von (2) und (3) durch ASEA-SKF (eine Vakuum-Raffinierungs-
Vorrichtung) oder durch VAD (eine Lichtbogenentgasungs-Vorrichtung) ergibt
keinen Einfluß auf die erfindungsgemäßen Effekte.
Geschmolzener Stahl wird in einem Brammengehäuse oder mittels einer
Stranggießvorrichtung abkühlen gelassen. Es hat keinen Einfluß auf die erfin
dungsgemäßen Effekte, welche der beiden angewendet werden. Der resultie
rende Block wird dann umgeschmolzen.
Der Block wird in einen aus Cu hergestellten Schmelztiegel in einem Nicht-
Kontakt-Zustand eingebracht. Zwischen dem Block und dem Schmelztiegel
wird eine Spannung angelegt, um den Block durch die Wärme einer Lichtbo
gen-Entladung umzuschmelzen. Das Verfahren, bei dem die obere Schicht der
Schmelze in dem Schmelztiegel Schlacke (Oxide) ist, wird als ESR-Verfahren
bezeichnet, während das Verfahren, bei dem die Atmosphäre oberhalb der
Schmelze Vakuum ist, als VAR-Verfahren bezeichnet wird.
Der Einfluß des Cu-Gehaltes des Legierungsstahls auf die Lebensdauer eines
wasserbeständigen Lagers wurde untersucht. Um eine klare Unterscheidung
zwischen den Vergleichs-Lagern A bis J und den erfindungsgemäßen Lagern
M bis Y zu machen, hatten erstere einen Cu-Gehalt von weniger als 0,05
Gew.-%, während letztere einen Cu-Gehalt in dem Bereich von 0,05 bis 0,60
Gew.-% hatten. Die Legierungs-Bestandteile des Stahls, das angewendete
Stahl-Herstellungsverfahren, die auf das Lager angewendete Wärmebehand
lung sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. Die Ergebnisse des
Wasserbeständigkeits-Lebensdauertests sind ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben.
Wie aus den Ergebnissen in der Tabelle 1 hervorgeht, ist die Abnahme der
Lebensdauer bei den erfindungsgemäßen Lagern M bis Y signifikant niedriger
als bei den Vergleichs-Lagern A bis J, was beweist, daß Cu extrem wirksam ist
in bezug auf das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern. Als ein Bei
spiel für das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern ist das Abblätte
rungsmuster des Vergleichs-Lagers A in der Fig. 2 dargestellt. Es ist ein Bruch
mit einem Muster wie umlaufende Ringe als Folge einer Rißbildungs-
Entwicklung zu erkennen, was ein Wasserstoff-induziertes Versprödungs-
Abblättern anzeigt.
Es wurden Lager hergestellt aus Legierungsstahl, der Nb oder V enthielt, um
den Einfluß von Nb oder V auf die Abnahme der Lebensdauer zu untersuchen.
Insbesondere wurden Lager Q₁ bis Q₅ auf die gleiche Weise wie das Lager Q
des Beispiels 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß Nb oder V zu dem
Grund-Legierungsstahl-Zusammensetzung des Lagers Q in einer variierenden
Konzentration zugegeben wurde, und diese wurden auf die gleiche Weise wie
in Beispiel 1 getestet.
Die Legierung-Komponenten, das Stahl-Herstellungsverfahren, die frühere
Austenit-Kristallkorngröße und die erhaltenen Testergebnisse sind in der
nachstehenden Tabelle 2 angegeben. Unter dem hier verwendeten Ausdruck
"frühere Austenit-Kristallkorngröße"ist die Kristallkorngröße des Austenits
zum Zeitpunkt der Erhitzung zum Carburieren und Härten zu verstehen, die
nach JIS G0551 bestimmt wird. Je größer die Zahl ist, um so feiner sind die
Körner. Austenit wird beim Härten (Abschrecken) in Martensit umgewandelt,
die Kristallkörner wachsen durch das Härten jedoch nicht. Daher sind die
Marterisit-Kristallkörner um so kleiner, je kleiner die früheren Austenit-Kri
stallkörner sind.
Bei allen erfindungsgemäßen Lagern Q bis Q₅ ist zu erkennen, daß die Zuga
be von Nb oder V die Abnahme der Lebensdauer durch Eindringen von Was
ser unterdrückt. Da Nb oder V die Austenit-Bildungs-Kristallkörner feiner
macht, erhält man dadurch mehr Korngrenzen, durch die Wasserstoffatome
wandern können. Als Ergebnisse wird Wasserstoffgas in großem Umfang in
viele Einschlüsse eingeführt und das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-
Abblättern wird wirksam hinausgezögert.
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurden Lager hergestellt unter Ver
wendung eines Legierungsstahls, der Cu und Nb oder V in variierenden Kon
zentrationen enthält, unter Anwendung verschiedener Stahl-Herstellungs
verfahren, um den Gesamteinfluß des Stahl-Herstellungsverfahrens auf die
Verminderung der Lager-Lebensdauer zu untersuchen.
Insbesondere wurden Vergleichs-Lager C₁ bis C₃ auf die gleiche Weise wie
das Vergleichs-Lager C (Cu-Gehalt: 0,01 Gew.-%), wie es in Beispiel 1 her
gestellt worden war, hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß 0,15 Gew.-%
Nb (Lager C₁), 0,15 Gew.-% V (Lager C₂) zugegeben wurden oder der Cu-
Gehalt auf 0,04 Gew.-% erhöht wurde und 0,15 Gew.-% V (Lager C₃) zugege
ben wurden. Auf die gleiche Weise wurden erfindungsgemäße Lager C₄ bis C₈
hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß der Cu-Gehalt bis auf einen Bereich
von 0,05 bis 0,25 Gew.-% erhöht und Nb oder V in einer von 0 bis 0,15 Gew.-
% variierenden Konzentration zugegeben wurde. Der Legierungsstahl für die
se Lager wurde durch Umschmelzen unter Anwendung eines VAR-Verfahrens
oder eines ESR-Verfahrens hergestellt.
Die Legierungs-Bestandteile, das Stahl-Herstellungsverfahren und die Ergeb
nisse des Lebensdauer-Tests sind in der nachstehenden Tabelle 3 angegeben.
In der Tabelle 3 ist die Abnahme der Lebensdauer bei den Lagern C₄ bis C₈
signifikant niedriger als bei den Vergleichs-Lagern C bis C₃ und sogar be
trächtlich niedriger als bei den Lagern M bis Y und Q bis Q₅ gemäß der vorlie
genden Erfindung, wie sie in den Tabellen 1 und 2 angegeben sind. Aus die
sen Ergebnisse ist zu ersehen, daß ein VAR-Verfahren oder ein ESR-
Verfahren als Stahl-Herstellungsverfahren sehr wirksam ist in bezug auf das
Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern, vorausgesetzt, daß der Le
gierungsstahl mindestens 0,05 Gew.-% Cu enthält. Dies ist darauf zurückzu
führen, daß diese Umschmelz-Verfahren einen Stahl ergeben, der eine metall
urgisch einheitliche Struktur mit einer verminderten Segregation hat und des
halb eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweist. Bei einem Stahl tritt
eine verminderte Wasserstoff-Entwicklung an der Oberfläche desselben auf
und dadurch wird das Auftreten des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-
Abblätterns hinausgezögert.
Fig. 3 zeigt das Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die
Cu-Konzentration in dem erfindungsgemäß verwendeten Legierungsstahl dar
gestellt ist. A-J, M-Y und C₄-C₈ geben die oben hergestellten Lager an. Die
Fig. 3 zeigt eindeutig, daß ein dramatischer Unterschied in bezug auf die Ab
nahme der Lebensdauer vorliegt, je nachdem, ob die Cu-Konzentration weni
ger oder nicht weniger als 0,05 Gew.-% beträgt.
Wenn der Cu-Gehalt 0,04 Gew.-% oder weniger beträgt, ist kein Einfluß auf
das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern zu erkennen, selbst wenn
der Legierungsstahl Nb oder V enthält oder selbst wenn ein VAR-Verfahren
oder ein ESR-Verfahren angewendet wird, was aus den Ergebnissen der Ver
gleichs-Lager C-C₃ geschlossen werden kann. Außerdem besteht dann, wenn
kein Unterschied in bezug auf den Cu-Gehalt vorliegt (der Cu-Gehalt auf 0,25
Gew.-% festgelegt ist), die Neigung, daß die Abnahme der Lebensdauer ge
ringer wird, wenn der Nb- oder V-Gehalt ansteigt, was aus den Ergebnisse der
Lager C₆-C₈ zu ersehen ist.
Das Vergleichs-Lager C₁ wurde so konzipiert, daß eine Verminderung der Le
bensdauer durch Reinigung des Ausgangsmaterials, d. h. durch Verminderung
der Sauerstoff- und Schwefel-Konzentrationen, angestrebt wurde. In Gegen
wart von Wasser wurde jedoch kein Effekt festgestellt.
In den nachstehend beschriebenen Beispielen 4 bis 7 wurden auf die gleiche
Weise wie in den Beispielen 1 bis 3 Lager hergestellt, jedoch mit der Ausnah
me, daß Ti als Legierungs-Bestandteil durch N ersetzt wurde, und sie wurden
unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 1 und 3 getestet, je
doch mit der Ausnahme, daß die radiale Belastung auf 40 000 N erhöht würde
und die axiale Belastung auf 17544 N erhöht wurde.
Wenn der Wasserbeständigkeits-Lebensdauer-Test unter den obengenannten
Bedingungen durchgeführt wurde, war es der äußere Laufring, der einen
Schaden erlitt, weil die Bedingung der Spannungs-Korrosion an der Span
nungs-beladenen Stelle des äußeren Laufrings am stärksten ist. Deshalb wie
sen alle getesteten Lager, sowohl die Vergleichs-Lager als auch die erfin
dungsgemäßen Lager, einen gemeinsamen inneren Laufring und gemeinsame
konische Walzen auf. Insbesondere waren alle inneren Laufringe die gleichen
wie in der Probe C₀, wie in der nachstehenden Tabelle 4 dargestellt, und alle
Walzen waren die gleichen wie in dem Beispiel C₀, wie in Tabelle 4 anhand
des Materials, des Stahl-Herstellungsverfahrens und der Wärmebehandlung
angegeben.
Es wurde der Einfluß der Cu- und P-Gehalte auf die Wasserbeständigkeits-
Lebensdauer des Lagers untersucht. Um eine klare Unterscheidung zwischen
den Vergleichs-Lagern und den erfindungsgemäßen Lagern zu treffen, wurde
der Cu-Gehalt der Vergleichs-Lager (A₀ bis L₀) auf 0,05 Gew.-% eingestellt,
während derjenige der erfindungsgemäßen Lager (M₁ bis Y₁) in dem Bereich
von 0,05 bis 0,60 Gew.-% lag. Andererseits lag der P-Gehalt der ersteren in
dem Bereich von 0,015 bis 0,030 Gew.-%, während derjenige des letzteren in
dem Bereich von 0,030 bis 0,150 Gew.-% lag.
Die Legierungs-Bestandteile, das Stahl-Herstellungsverfahren und die Wär
mebehandlung des äußeren Laufringes sowie die Ergebnisse der Lebensdau
er-Tests sind in den nachstehenden Tabellen 4 und 5 angegeben.
Aus den Ergebnisse der Tabellen 4 und 5 ist zu ersehen, daß die Abnahme
der Lebensdauer der Lager M₁ bis Y₁ gemäß der Erfindung deutlich geringer
ist als die Abnahme bei den Vergleichs-Lagern A₀ bis L₀, was den signifikanten
Effekt von Cu und P bei dem Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblättern
zeigt.
Das Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die Cu-Konzen
tration aufgetragen ist, ist in Fig. 4 dargestellt und das Diagramm, bei dem die
Abnahme der Lebensdauer gegen die P-Konzentration aufgetragen ist, ist in
Fig. 5 dargestellt. Diese Diagramme zeigen eindeutig, ob die Cu-Konzentration
unterhalb oder nicht unterhalb 0,05 Gew.-% liegt und ob die P-Konzentration
weniger oder nicht weniger als 0,030 Gew.-% beträgt, führt zu einem dramati
schen Unterschied in bezug auf die Abnahme der Lebensdauer. Außerdem
zeigen diese Zahlen, daß die Abnahme der Lebensdauer in den Fällen, in de
nen die Cu-Konzentration in dem Bereich von 0,10 bis 0,60 Gew.-% lag, oder
in denen die P-Konzentration in dem Bereich von 0,04 bis 0,150 Gew.-% lag,
nahezu unveränderbar war.
Das heißt, in den Tabellen 4 und 5 und in den Fig. 4 und 5 ist gezeigt, daß die
erfindungsgemäßen Lager eine signifikant verminderte Abnahme der Lebens
dauer in Gegenwart von Wasser aufweisen, verglichen mit derjenigen der
Vergleichs-Lager, was den großen Einfluß von Cu und P auf das Wasserstoff-
induzierte Versprödungs-Abblättern bei einem Lager belegt.
In der Tabelle 6 sind die Wasserstoff-Konzentrationen in der Spannungs-
beladenen Seite (Teil mit der höchsten Belastung) und in der nicht-beladenen
Seite (Teil mit der niedrigsten Belastung) des äußeren Laufringes nach dem
obengenannten Lebensdauer-Test für 70 aufeinanderfolgende Stunden ange
geben.
Die Wasserstoff-Konzentration in der Spannungs-beladenen Seite des äuße
ren Laufrings des erfindungsgemäßen Lagers P₁ war geringer als auf der
Spannungs-beladenen Seite des Vergleichs-Lagers C₀, obgleich sie höher war
als auf der nicht-beladenen Seite wegen des Eintritts und der Diffusion von
Wasserstoff. Daraus ist zu ersehen, daß Wasserstoff in den äußeren Laufring
des erfindungsgemäßen Lagers kaum eintritt und kaum diffundiert und daß Cu
und P wirksam sind in bezug auf die Verhinderung eines Wasserstoffeintritts.
Erfindungsgemäße Lager Q₁₀ bis Q₁₅ und Vergleichs-Lager Z₁ und Z₂ wurden
hergestellt unter Verwendung von Legierungsstahl mit im wesentlichen der
gleichen Zusammensetzung wie er in dem Lager Q₁ des Beispiels 4 verwendet
worden war, jedoch mit der Ausnahme, daß er Al, N, Nb oder V in variierenden
Konzentration enthielt, und er wurde getestet, um die Einflüsse dieser Elemen
te auf die frühere Austenit-Kristall-Korngröße (JIS G0551) und die Abnahme
der Lebensdauer in Gegenwart von Wasser zu untersuchen. Die Legierungs-
Bestandteile, das Stahl-Herstellungsverfahren, die Wärmebehandlung und die
frühere Austenit-Kristall-Korngröße sowie die Ergebnisse des Lebensdauer-
Tests sind in der nachstehenden Tabelle 7 angegeben.
Die Tabelle 7 zeigt, daß alle erfindungsgemäßen Lager Q₁ und Q₁₀ bis Q₁₅, die
nicht weniger als 0,02 Gew.-% Al und nicht weniger als 0,005 Gew.-% N ent
halten, eine stark verminderte Abnahme der Lebensdauer in Gegenwart von
Wasser haben, verglichen mit den Lagern Z₁ und Z₂. Daraus ist auch zu erse
hen, daß beim Vergleich der erfindungsgemäßen Lager untereinander die La
ger Q₁₂ bis Q₁₅, die Nb oder V enthalten, eine noch geringere Abnahme der
Lebensdauer aufweisen in Gegenwart von Wasser als die Lager Q₁, Q₁₀ oder
Q₁₁, die weder Nb noch V enthalten. Al, N, Nb und V machen jeweils die frühe
ren Austenit-Kristallkörner feiner unter Bereitstellung von mehr Korngrenzen,
durch die Wasserstoffatome passieren können. Deshalb erfolgt bei den Legie
rungen, die nahezu den gleichen Gehalt, ausgedrückt als Cu-Gehalt, Al-Gehalt
oder der N-Gehalt aufweisen, bei steigendem Nb- oder V-Gehalt eine Zufüh
rung von Wasserstoff zu vielen Einschlüssen. Nb oder V ist somit wirksam in
bezug auf die Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-
Abblätterns.
Aus einem Legierungsstahl, der variierende Cb- und P-Gehalte aufwies und
nach verschiedenen Stahl-Herstellungsverfahren hergestellt worden war, wur
den Lager hergestellt, um den Einfluß dieser Faktoren auf die Abnahme der
Lebensdauer zu untersuchen.
Es wurden Vergleichs-Lager aus einem Legierungsstahl hergestellt, der im
Prinzip die gleiche Zusammensetzung hatte, wie sie in dem Vergleichs-Lager
C₀ des Beispiels 4 verwendet worden war (Cu: 0,35 Gew.-%; P: 0,015 Gew.-
%), mit Ausnahme einer geringfügigen Änderung der Al- und N-Gehalte
(Vergleichs-Lager C₁₀) oder einer Verminderung des P-Gehaltes auf 0,010
Gew.-% und einer Zugabe von 0,15 Gew.-% Nb (Vergleichs-Lager C₁₁). Die
erfindungsgemäßen Lager C₁₂ und C₁₃ wurden hergestellt unter Verwendung
der gleichen Grund-Zusammensetzung, jedoch mit der Ausnahme, daß der
Cu-Gehalt in 0,25 Gew.-% bzw. 0,24 Gew.-% geändert wurde und der P-
Gehalt extrem erhöht wurde auf 0,100 Gew.-%, um sie von den Vergleichs-La
gern zu unterscheiden.
Der Legierungsstahl wurde entweder nach einem VAR-Verfahren oder nach
einem ESR-Verfahren hergestellt.
Die Legierungs-Komponenten, das Stahl-Herstellungsverfahren und die Er
gebnisse des Lebensdauertest sind in der nachstehenden Tabelle 8 angegeben.
Wie in der Tabelle 8 angegeben, ist die Abnahme der Lebensdauer bei den
erfindungsgemäßen Lagern C₁₂ und C₁₃ deutlich geringer als bei den Ver
gleichs-Lagern C₁₀ und C₁₁ und noch geringer als bei den erfindungsgemäßen
Lagern M₁ bis Y₁, wie sie in der Tabelle 5 angegeben sind, und bei den erfin
dungsgemäßen Lagern Q₁ und Q₁₀ bis Q₁₅, wie sie in der Tabelle 7 angegeben
sind. Diese Ergebnisse zeigen, daß das Umschmelz-Verfahren, d. h. ein VAR-
Verfahren oder ein ESR-Verfahren, sehr wirksam ist in bezug auf das Was
serstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern, sofern der Cu-Gehalt und der P-
Gehalt den erfindungsgemäß angegebenen Bedingungen genügen. Dies ist
darauf zurückzuführen, daß der nach dem Umschmelz-Verfahren hergestellte
Stahl eine einheitliche Struktur mit einer unterdrückten Segregation aufweist
und deshalb die Korrosion gehemmt ist. Die Menge des an der Oberfläche ei
nes solchen Stahls entwickelten Wasserstoffs kann auf diese Weise vermin
dert werden, was zu einer Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Ver
sprödungs-Abblätterns führt.
Wenn der Cu-Gehalt 0,04 Gew.-% oder weniger beträgt, ist kein Effekt auf das
Wasserstoff-induzierte Versprödung-Abblättern feststellbar, selbst wenn der
Legierungsstahl Nb oder V enthält oder selbst wenn ein VAR-Verfahren oder
ein ESR-Verfahren angewendet wird, was aus den Ergebnisse der Vergleichs-
Lager C₁₀ und C₁₁ geschlossen werden kann.
Das Vergleichs-Lager C₁₁ wurde konzipiert, um eine Verminderung der Ab
nahme der Lebensdauer zu erreichen durch Reinigung des Ausgangsmateri
als, d. h. durch Herabsetzung der Sauerstoff- und Schwefel-Konzentration. In
Gegenwart von Wasser wurde jedoch kein Effekt festgestellt.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische
Ausführungsbeispiele derselben näher beschrieben, es ist jedoch für den
Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, son
dern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden kön
nen, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen
wird.
Claims (9)
1. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer, das umfaßt ei
nen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und ein Wälzelement, das in
einer Umgebung verwendet wird, in der Wasser in sein Schmiermittel einsickert,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Vertreter aus der Gruppe
innerer Laufring, äußerer Laufring und Wälzelement aus einem Legierungs
stahl hergestellt ist, der 0,05 bis 0,60 Gew.-% Cu, 0,10 bis 1,10 Gew.-% C
enthält.
2. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsstahl außerdem mindestens
einen Vertreter aus der Gruppe Nb und V in einer Gesamtmenge von nicht
mehr als 0,2 Gew.-% enthält.
3. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsstahl 0,15 bis 1,10
Gew.-% Si, 0,35 bis 1,50 Gew.-% Mn und 0,35 bis 3,5 Gew.-% Cr enthält.
4. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach minde
stens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Legie
rungsstahl nicht mehr als 1,10 Gew.-% Mo, nicht mehr als 4,5 Gew.-% Ni, nicht
mehr als 0,008 Gew.-% S und nicht mehr als 0,0015 Gew.-% O enthält.
5. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach minde
stens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Legie
rungsstahl 0,030 bis 0,150 Gew.-% P, 0,020 bis 0,060 Gew.-% Al und 0,005
bis 0, 015 Gew.-% N enthält.
6. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach minde
stens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Legie
rungsstahl 0,15 bis 1,10 Gew.-% Si, 0,35 bis 1,50 Gew.-% Mn und 0,35 bis 3,5
Gew.-% Cr enthält.
7. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach minde
stens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Legie
rungsstahl nicht mehr als 1,10 Gew.-% Mo, nicht mehr als 4,5 Gew.-% Ni, nicht
mehr als 0,008 Gew.-% S und nicht mehr als 0,0015 Gew.-% O enthält.
8. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach minde
stens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Legie
rungsstahl 0,030 bis 0,150 Gew.-% P, 0,020 bis 0,060 Gew.-% Al und 0,005
bis 0,015 Gew.-% N enthält.
9. Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach minde
stens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Legie
rungsstahl unter Anwendung eines Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahrens
oder eines Elektroschlacken-Umschmelzverfahrens hergestellt worden ist.
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