Skriptum Werkstoffkunde und Fertigungstechnik 2 Jahrgangtgm.1hilfe.at/files/WSFT_II.pdf · Gefügediagramm im Fe-Fe3C Diagramm . 2DHWI WERKSTOFFKUNDE UND FERTIGUNGSTECHNIK 2006/2007

2DHWI WERKSTOFFKUNDE UND FERTIGUNGSTECHNIK 2006/2007

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SKRIPTUM ZU

WERKSTOFFKUNDE

UND FERTIGUNGSTECHNIK II

2006/ 2007


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Kristallstruktur von Metallen Kubisch raumzentriertes Gitter Kubisch flächenzentriertes Gitter Hexagonal primitiv


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Hexagonal dichteste Packung Zustandsdiagramme Dienen zur: -

-

Praktische Bedeutung: -

-

Zustandsdiagramm:


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Zustandsdiagramm: Zustandsdiagramm: Eisen:


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Komponente Kohlenstoff: * * * Gefügearten im Eisen-Eisenkarbid System • Ferrit

• Austenit

• Zementit

• Ledeburit

• Perlit Gefügediagramm im Fe-Fe3C Diagramm


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Werkstoffe im Eisen-Eisenkarbid System Wärmebehandlung Definition: Vorgang: Ergebnisse: – Thermische Verfahren – Thermochemische Verfahren – Thermomechanische Verfahren


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Glühen Definition Verfahrensverlauf Arten: *

*

*

*

*

*

DG Ziel: Prinzip: Durchführung: Anwendung:


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GKG Ziel: Prinzip: Durchführung: Anwendung: NG Ziel: Prinzip: Durchführung: Anwendung:


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WG Ziel: Prinzip: Durchführung: Anwendung: Spag Ziel: Prinzip: Durchführung: Anwendung:


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Randschichthärten ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung


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Induktionshärten Thermochemische Verfahren

a) Beschichten:

b) Thermochemische Behandlung: Teilprozesse:

1.

2.

3.

4.


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Nichtmetall-Diffusion

Metall-Nichtmetall-Diffusion

Einsatzhärten: Ziel: Prinzip: - - -

Aufkohlen: fest: flüssig: gasförmig:


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Pulveraufkohlung: - - - Nachteile: Hinweis: Badaufkohlung: - - Vorteile: -

-

-

-

-

-

Nachteile:

Gasaufkohlung: - - Vorteile: -

-

-

-

-

-

Nachteile:


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Aufkohlungstiefe: Einsatzhärtetiefe: Temperatur – Zeit Verläufe der Einsatzhärtung


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Nitrieren: Carbonitrieren: Ziel: Prinzip: Einteilung: - - -


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Vorteile: Nachteile: Arbeitsstufen:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Anwendungen:


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Thermomechanische Verfahren: Definition: Vorteile: Nachteile:


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Eisengusswerkstoffe

Allgemeines Arten der Gusswerkstoffe

- Gusseisen mit Lamellengraphit

- Gusseisen mit Vermiculargraphit

- Gusseisen mit Kugelgraphit

- Hartguss (Weißes Gusseisen)

- Temperguss, entkohlend geglüht

- Temperguss, nicht entkohlend geglüht

- Stahlguss

Gefügeausbildung:

Die Gefügeausbildung und die Eigenschaften der Gusswerkstoffe

hängen davon ab in welchem Grundgefüge eine bestimmte

Graphiteinlagerung vorhanden ist.

Grundgefüge: Der Kohlenstoff liegt in gebundener Form als Fe3C vor. Aufgrund von

Abkühlbedingungen oder der chemischen Zusammensetzung kann der

Kohlenstoff auch in ungebundener Form vorliegen. In diesem Fall

spricht man von einem Grundgefüge und nichtmetallischen

Graphiteinlagerungen.

Unter dem Grundgefüge von Eisengrundwerkstoffen versteht man

Ferrit, Ferrit + Perlit, Perlit, Perlit + Sekundärzementit.

Bei Eisengusswerkstoffen strebt man häufig ein perlitisches Gefüge an.

Graphiteinlagerung:

Graphit kristallisiert hexagonal-primitiv (Schichtstruktur). Beim

Erstarren der Gussschmelze wächst der Kristall in der bevorzugten

Richtung schneller und es entstehen längliche Gebilde, die Lamellen.

Durch die nichtmetallischen Einlagerungen wird das Grundgefüge

unterbrochen.

Daher ergibt sich die relativ geringe Festigkeit von Gusseisen mit

Lamellengraphit. (besonders die Zugfestigkeit wird beeinflusst)

Grauguss: Temperguss:

Bestimmende Eigenschaften des Grundgefüges:

+ +


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Daher ist man bestrebt, durch Legierungselemente und geeignete

Temperaturführung die Graphiteinlagerungen zu beeinflussen.

Symbole für Graphitstruktur:

L lamellar

S kugelig (spärolitisch)

M Temperkohle

V vermikular

N graphitfrei

Y Sonderstruktur

Symbole für das Grundgefüge:

P Perlit

M Martensit

T vergütet

B black, nicht entkohlend geglüht

W white, entkohlend geglüht

Wanddickenabhängigkeit der Eigenschaften Bei einer Gießkeilprobe wird eine unterschiedliche Kristallisation in

Abhängigkeit der Wanddicke festgestellt.

Grund ist die unterschiedliche tatsächliche Abkühlgeschwindigkeit

welche die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes beeinflusst.

Eigenschaften der Graphiteinlagerungen zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffes: – – –

Tatsächliche Abkühlgeschwindigkeit wird beeinflusst durch : –

–

–

Einsatz zur Erschmelzung von GJL : – – – –


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Gusseisen mit Lamellengraphit - GJL Erschmelzung:

Erfolgt im Schachtofen (Kupolofen) oder im Elektroofen (besonders

bei hohem Anteil an Schrott)

GJL zeichnet sich durch gute Gießbarkeit aus.

Zähigkeit und Verformbarkeit sind im Vergleich zu Stahl deutlich

geringer. Einige Festigkeitskenngrößen lassen sich durch Legieren

gezielt beeinflussen. Mo, Cr, Ni, und Cu steigern die Festigkeit von

niedrig legiertem GJL.

Wärmebehandlung:

Für bestimmte Anforderungen kann GJL einer Wärmebehandlung

unterzogen werden. Günstig dafür ist ein hoher Perlitanteil im Gefüge.

Bei einer Erwärmung über 350°C kann es zu einem bleibenden

„Wachsen“ von Bauteilen kommen.

Eigenschafen und Anwendung:

• gut gießbar

• Druckfestigkeit = 4 * Zugfestigkeit

• Biegefestigkeit = 2 * Zugfestigkeit

• Schwingungsdämpfend (Stahl nicht)

• Gut spanbar

• Gute Korrosionsbeständigkeit

GJL – 150 ferritisch, hohe Dämpfung Getriebegehäuse

GJL - 250 ferritisch-perlitisch,

höhere Belastung, höhere Beanspruchungen Kurbelgehäuse, Werkzeugmaschinen

GJL – 350 zunehmend perlitisch, Dämpfung, Gießbarkeit Grossdieselmotoren, Dampfturbinengehäuse

Gusseisen mit Kugelgraphit - GJS Allgemeines:

Gusseisen mit Kugelgraphit (Sphäroguss) ist eine Eisen –

Kohlenstoff-Silizium-Gusslegierung deren Graphiteinlagerungen

vorwiegen kugeliger Form vorliegt. In diesem Werkstoff werden die Vorteile der guten Gießbarkeit mit

den Festigkeitseigenschaften von Stahl kombiniert.

Die Zugfestigkeit vom GJS liegt in etwa bei jener der allgemeinen

Baustähle und der Vergütungsstähle.

GJL kann wachsen weil:

GJL ist schwingungsdämpfend:


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Erschmelzung:

Die Kugelgestalt des Graphits wird vor allem durch Zugabe von

Legierungselementen erzielt. Es werden vor allem die Elemente =>

- teils in Form von Vorlegierungen – der Schmelze zugegeben.

Als Schmelzanlagen werden vorwiegend elektrisch beheizte Öfen

eingesetzt. Besondere Anforderung hinsichtlich Reinheit werden

an das Einsatzmaterial gestellt.

Wärmebehandlung:

Die Eigenschaften von GJS können durch Wärmebehandlung

weiter verbessert werden. Es können praktisch alle erläuterten

Verfahren angewendet werden. Die gewünschte Eigenschaften

sollten nach Möglichkeit schon beim Abguss erzielt werden, da

nachträgliche Wärmebehandlungen mit teilweise erheblichen

Kosten verbunden sind.

Besonders hochwertiges GJS wird durch Bainitisieren erreicht.

Dabei wird bei der isothermen Umwandlung des Austenits eine

hohe Festigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften erzielt

Besonders Randschichthärten kann gut angewendet werden.

Ausbesserung an Teilen aus GJS durch Warmschweißen möglich.

Intensive Vorwärmung des Werkstücks erforderlich.

Eigenschafen, Anwendung, Bezeichnung:

GJL ist durch seine Gefügestruktur deutlich fester und zäher als

GJL.

Eingesetzt für Motorenbau, Turbinen, Kompressoren und wo

mechanisch und thermisch hoch beanspruchte (Guss-)Teile

gefordert sind.

Unlegiertes Gusseisen: GJS-400-150 (GLS - Rm – A)

Legiertes Gusseisen: GJS-NiMo-4-4 (Bezeichnung wie bei GJL)

Wichtigste Legierungselemente für GJS: * * *

Einsatzstoffe für GJS * * * *


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Gusseisen mit Kugelgraphit - GJM Allgemeines:

Temperrohguss ist ein Eisen – Kohlenstoff-Silizium Werkstoff der

weiß (ledeburitisch) erstarrt. Das Gefüge ist graphitfrei,

Kohlenstoff gelöst oder gebunden. Bei der Wärmebehandlung

Tempern erfolgt eine Zerstörung des Ledeburits und es kommt zu

einer Graphitbildung im festen Zustand. = Temperkohle

Erschmelzung und Behandlung:

Im Schachtofen (Kupolofen) wird Sonderroheisen, Gußbruch und

Stahlschrott einer bestimmten Zusammensetzung erschmolzen.

Da wenig Kohlenstoff gefordert ist, werden gerne elektrisch

beheizte Schmelzanlagen verwendet.

Entkohlende Glühung:

*

*

*

In der Randschichtzone (bei sehr dünnen Bauteilen im gesamten

Querschnitt) wird C entzogen. Es entsteht ein ferritisches Gefüge.

Im Kern größerer Bauteile wird Temperkohle (Graphit) gebildet.

Dadurch entsteht weißer oder entkohlter Temperguss _______

Glühung in neutraler Atmosphäre:

In chemisch neutralem Medium (Schutzgas) werden Rohgussteile

etwa 30 h bei ca. 950°C geglüht.

Der Zementit des Ledeburits zerfällt in Austenit und Temperkohle.

Durch rasche Abkühlung kann die Festigkeit aufgrund eines hohen

Perlitanteiles begünsigt werden.

Durch ein anschließendes Weichglühen kann eine körnige Fe3C

Struktur erreicht werden.

Bei einer langsamen Abkühlung zerfällt der Fe3C des PErlits zu

einer ferritischen Grundmasse. => ________

Erschmelzen von GJM *

*

Einsatzstoffe für GJM

*

*

*

Herstellung von GJM

*

*

*


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Eigenschafen, Anwendung, Bezeichnung:

Für dünnwandige Bauteile, die zäh und stoßfest sein müssen ist

Temperguss besonders geeignet. Besonders genutzt werden die

Eigenschaften von Temperguss bei komplizierten Bauteilen, da die

Giessbarkeit besser ist als bei Stahlguss und die Zähigkeit von GJL

nicht erreicht werden kann.

GJMB-350-10

GJMB-650-2

GJMW-400-5

GJMW-360-12

Stahlguss Allgemeines:

Jede Art von Stahl die in Formen gegossen wurde ist Stahlguss.

Eine Einteilung ergibt die selben Stahlgruppen wie bei Walz- oder

Schmiedestahl.

Durch Legierungselemente werden bestimmte

Gebrauchseigenschaften erreicht. Eine dadurch eingeschränkte

Umformbarkeit, wie diese bei warmumgeformten Stählen eintreten

kann ist durch den Giessvorgang gegenstandslos.

Darin liegt ein großer Vorteil des Stahlguss

Erschmelzung und Behandlung:

Stahlguss wird in Elektroöfen, Siemens-Martin oder Konvertern

erschmolzen und sofort in Formen (Sand, selten Dauerformen)

vergossen.

Durch Gussstruktur wesentlich andere mech. Eigenschaften.

Gießbarkeit ist geringer als bei Grauguss.

Eigenschaften und Anwendung: Stahlguss eingesetzt werden, wenn eine

hohe _____________ bei hoher Zähigkeit und/oder eine hohe

thermische Belastung (> 300°) oder spezielle chemische

Anforderungen an einen Bauteil gestellt werden.

Anwendungsbeispiele für GJM

*

*

*

Nachteile des Stahlguss

*

*

*

Zusammenfassung Stahlguss:


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Erstarrung in der Form Allgemeines: Eine gleichmäßige Abkühlung in einer Form ist praktisch nicht

möglich. Da in den Schmelzen auch praktisch immer

Verunreinigungen auftreten existieren zwei Parameter welche die

Eigenschaften eines gegossenen Teiles negativ beeinflussen

können.

Stengelkristalle (Säulenkristalle, Transkristallite)

Bei bestimmten Kristallisationsbedingungen wachsen Körner mit

kristallographischer Vorzugsrichtung in die Schmelze hinein.

Durch eine gerichtete Wärmeabfuhr und eine gegenseitige

Behinderung entstehen lang gestreckte unerwünschte Kristalle.

Dadurch entstehen ungünstige Festigkeitseigenschaften.

Vermeidung von Stengelkristallen:

*

*

Lunker

Sind Hohlräume oder Vertiefungen in einem Gusswerkstück. Sie

sind darauf zurückzuführen, dass Metallschmelzen beim Abkühlen

schwinden.

Die erste Volumenabnahme ist erfolgt bei der Abkühlung der

Schmelze von der Gießtemperatur auf die Kristallisations-

temperatur. Je höher die Gießtemperatur, desto höher die

Gesamtschwindung. In jedem weiteren Schritt der Abkühlung auf

Raumtemperatur erfolgt eine weitere Schwindung.

Schwindungen treten stets auf und werden als Schwindmaß

berücksichtigt. (Werkstoffabhängig)

Außenlunker:

Innenlunker:

Lunker verringern den Querschnitt des Konstruktionsteils und

mindern die Festigkeit zum Teil sehr stark. Werkstoffprüfung

mittels Röntgen oder radioaktiver Strahlung um Gussfehler zu

erkennen. Vermeidung der Lunkerbildung:

*

*

*


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Gasblasen

Könne durch entstehende Reaktionsgase oder durch in der

Schmelze gelöste Gase hervorgerufen werden.

Die Löslichkeit der Gase in den Metallschmelzen sinkt mit der

Temperatur, und die ausgeschiedenen Gase können nicht mehr

entweichen. Verbleibende Gasblasen sind typisch für unberuhigt

vergossenen Stahl (meist durch N2 oder H2 hervorgerufen) Die Ursache für Gasblasen ist nach der Erstarrung schwer

nachweisbar.

Unterschieden wird zwischen Makro- und

Mikrogasblasenporosität. (Mikrolunkerung)

Vermeidung von Gasblasen:

*

*

*

*

Seigerungen

Sind Konzentrationsunterschiede (Entmischungen) die sich sowohl

auf einen Mischkristall als auch auf ein Gussstück beziehen

können.

Kristallseigerungen: Im Mischkristall; kann durch

Diffusionsglühen ausgeglichen werden.

Entstehung der Kristallseigerung:

- Konzentration der Mischkristalle ändert sich während der

Erstarrung temperaturabhängig

- Technische Abkühlgeschwindigkeiten erlauben keinen

konzentrationsaustausch.

Entstehung der Blockseigerung:

- Phospor und Schwefel neigen zur Seigerung. Die

Konzentration von Elemente nehmen zu einem Punkt hin

zu.

- Tritt in Gußstücken häufig auf und kann bei

nachgelagerten Prozessen zu Problemen Führen.

Durch den Wärmestau im Inneren diffundieren die Elemente C, P,

S, und andere zur Mitte (bereich höherer Löslichkeit)

Gasblasen


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Einschlüsse

Am häufigsten sind in Gußwerkstücken Schlackeneinschlüsse zu

finden. Die Schlacke kann in der Schmelze fein verteilt sein und

sich anschließend zu größeren Teilen zusammenballen. Die

Entstehung fein verteilter Schlacke ist von

*

*

abhängig. Fehler beim Gießen führt ebenfalls zu

Schlackeneinschlüssen.

Nichtmetallische Einschlüsse führen zu einer Minderung der

Qualität des Gußerzeugnisses.

Eisenknetwerkstoffe

Stähle sind Eisen–Kohlenstoff Legierungen mit weniger als 2 % C.

Benennung und Eigenschaften

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

Unlegierte Stähle:

Legierte Stähle:

Einteilung nach Gebrauchsanforderungen

Qualitätsstähle: Edelstähle:

System der Stahlnormung

Kurznamen mit Hinweis auf mechanische/physikalische Eigenschaften EN 10027-1

Verwendung Güte- gruppe

Lieferzustand Eignung Überzug Behandlungs-zustand

P Druckbehälterbau S allgemeiner Stahlbau L Rohrleitungsbau E Maschinenbaustähle B Betonbaustähle

JR 27J KR 40J LR 60J

G1 unberuhigt vergossenG2 unberuhigter Stahl nicht zulässig G3 vollberuhigter Stahl

C gut kaltumformbar D gut schmelztauchbarE emaillierbar L für tiefe Temp. W wetterfest

+S feuerverzinkt +ZN elektrolytischer Zink-Nickel Überzug

+A weichgeglüht

+C kaltverfestigt

+N normalgeglüht

Einschlüsse

Verringerung des schädlichen Einflusses von Einschlüssen:


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Kurznamen mit Hinweis auf chemische Zusammensetzung EN 10027-2 • Unlegierte Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt < 1%

werden durch das Symbol C und einer Zahl, welche dem

Hundertfachen des C Gehaltes entspricht gekennzeichnet.

Legierungselemente mit verschiedenen Multiplikatoren

C10

C35

C110

• Hochlegierte Stähle (mind 5% Legierungsbestandteile)

Außer für Kohlenstoff (Faktor 100) gilt immer Faktor 1

für Legierungsbestandteile

System der Werkstoffnummern A.BB CC(DD)

A Werkstoffhauptgruppennummer

BB Gruppennummer

CC Zählnummer

(DD) Reserve

Stahlgruppen

Baustähle Allgemeine Baustähle sind unlegierte und niedriglegierte Baustähle die

• im • •

verwednet werden. Wetterfeste Baustähle (korrosionsträge Baustähle) werden mit etwa 0,6%Cr, 0,4% Cu und etwa 0,3 %Ni legiert. Dadurch bildet sich eine fest haftende Rostschicht die vor der weiteren Korrosion schützt. Hochfeste schweißbare Baustähle (Feinkornbaustähle) Mit steigendem C-Gehalt steigt die Festigkeit, ab 0,22 % C nimmt die Schweißbarkeit jedoch ab. Die Festigkeit wird über die Korngröße beeinflusst. Durch Legierungselemente und entsprechendes Vorgehen bei der Wärmebehandlung kann die Korngröße und somit die Festigkeit beeinflusst werden. Durch den Einsatz höherwertigen Materials kann viel Masseeinsparung erreicht werden. Einsatzstähle Sind kohlenstoffarme, unlegierte oder legierte Stähle die für Einsatzhärtung geeigent sind. Ziel der Wärmebehandlung ist eine verschleißfeste Oberfläche bei zähem Kern und ausreichender Festigkeit. Unterschied zwischen den verschiedenen Typen liegt in der Festigkeit nach der Wärmebehandlung im Kern.


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Vergütungsstähle Als Wärmebehandlungsverfahren werden verwendet: Vergüten

Zwischenstufenvergüten Härtung einer Randschicht

Durch ein entsprechendes Zeit-Temperatur Verhalten bei der Wärmebehandlung können die Eigenschaften einer bestimmten Stahlsorte (Legierung) erheblich beeinflusst werden. Die Legierungselemente beeinflussen in erster Linie den Härteverlauf über den Querschnitt. Nitrierstähle Sind Vergütungsstähle, die durch Legierungselemente: besonders für das Nitrieren geeignet sind. Die angeführten Elemente sind aktive Nitritbildner. Die Nitrier und Carbonitrierverfahren beschränken sich jedoch nicht auf diese Stahlgruppe. Chemisch beständige Stähle Nicht rostende Stähle Sind hoch beständig gegen chemisch angreifende Stoffe (korrosionshemmend). Diese Eigenschaft ergibt sich aus der sprunghaft ansteigenden Korrosionsbeständigkeit ab 12 % (Masse) von Chrom als Legierungsbestandteil. Es bildet sich eine dünne, fest haftende Schutzschicht. (Prinzip der Passivierung) Nach dem Gefügeaufbau wird zwischen ferritischen Stählen (mit Cr, V, Ti) und austenitischen Stählen (Mn, Ni) unterschieden. Voraussetzungen:

• niedriger C-Gehalt • Fe-Cr- Mischkristalle müssen möglichst homogen verteilt

sein Hitze- und zunderbeständige Stähle Werden für Teile verwendet, die chemisch aktiven, heißen Gasen ausgesetzt sind. Cr, Si, Al oxidieren leichter als Fe. Auch bei hohen Temperaturen bildet sich eine diffusionshemmende Oxidschicht (dünne Zunderschicht als Schutzschicht) Erforderliche Eigenschaften der Schutzschicht: Zunderbeständigkeit:

Ein Stahl ist bei einer bestimmten Temperatur zunderbeständig, wenn die verzunderte Metallmenge bei dieser Temperatur

1 g/(m²*h) und bei einer 50 K höheren Temperatur 2 g/(m²*h) nach 120 h Beanspruchung und 4 Zwischenabkühlungen nicht überschreitet.


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Warmfeste Stähle Unter „hitzebeständig“ wird allgemein nur die Korrosionsneigung bei hohen Temperaturen verstanden. Eine scharfe Trennung von den Festigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen kann nicht angegeben werden, denn oft sind beide Eigenschaften gefordert. Warmfeste und hochwarmfeste Stähl besitzen gute mechanische Eigenschaften bei hoher Temperatur und lang andauernden Beanspruchungen. Auswahlkriterien: • • • Es existiert eine Vielzahl von Stahlsorten die speziell auf eine Anwendung zugeschnitten ist (z.B.Turbinenschaufeln) Stähle für niedrige Temperaturen Die meisten Baustähle lassen sich bei niedriger Temperatur schlechter verformen, so dass die Gefahr des Sprödbruches besteht. Steilabfall der Zähigkeitswerte in Abhängigkeit der Temperatur im Kerbschlagbiegeversuch. Kaltzähe Stähle besitzen auch bei niedrigen Temperaturen eine ausreichende Kerbschlagzähigkeit. Der Steilabfall der Kurve wird durch die Wirkung der Legierungselemente weiter in den kalten Bereich verschoben. Anwendungsgebiete: Arbeitsstähle Unter dem Begriff Arbeitsstähle werden Stähle für Werkzeuge und Stähle mit ähnlichen Beanspruchungen zusammengefasst. Anforderungen an Werkzeuge: • hart und verschleißfest • bei spanender Bearbeitung müssen Schneiden auch bei hoher

Temperatur schneidhaltig bleiben. • bei umformenden Werkzeugen sind Zähigkeit und

Schlagunempfindlichkeit erforderlich • zusätzlich thermische Belastung bei Warmarbeitswerkzeugen Unlegierte Kaltarbeitsstähle Können für Oberflächentemperaturen bis eingesetzt werden. Höhere Temperaturen würden den Anlassbereich überschreiten und dadurch das martensitische Gefüge zerstören. Legierte Kaltarbeitsstähle Durch entsprechende Legierungselemente können die Eigenschaften variiert werden und entsprechende Anwendungsgebiete abgedeckt werden. Kohlenstoffgehalte vom Einsatz- über Vergütungsstahl bis Werkzeugstahl

Warmfestigkeit:


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Warmarbeitsstähle Legierte Stähle für Werkzeuge mit denen Stoffe bei Temperaturen > 300°C, meist jedoch rot glühend bearbeitet werden Hauptanforderungen an Warmarbeitsstähle: • hohe Warmfestigkeit und Warmverschleißfestigkeit • hohe Anlassbeständigkeit • gute Zähigkeit • hohe Wärmeleitfähigkeit bei geringer Wärmedehnung • Maßbeständigkeit bei häufigem Temperaturwechsel

Schnellarbeitsstähle Sind hoch legierte Werkzeugstähle. Die Härte nimmt beim Anlassen teilweise zu (Anlass- oder Sekundärhärte), da • der Martensit sich entspannt,

• es zu Carbidausscheidungen und

• zu einer Umwandlung von Restaustenit zu Martensit kommt

Schnellarbeitsstähle haben eine hohe Schneidhaltigkeit die nur durch jene von Carbidmetalle oder Schneidkeramik übertroffen wird. Wälzlagerstähle Die hohen örtlichen Belastungen von Wälzkörpern, Ringen und Scheiben bei Wälzlagern (Zug-, Druck und Verschleiß-beanspruchungen) ähneln jenen von Werkzeugen sehr. Diese Stähle sind wie legierte Werkzeugstähle aufgebaut. Federstähle Haben einen hohen Kohlenstoffgehalt, sind mit Si, Mn, Cr legiert und erhalten nach der Formgebung eine Wärmebehandlung. Dadurch werden eine hohe Elastizität und somit ein entsprechender Federweg sichergestellt.


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Werkstoffverarbeitung Die Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe können in 6 Hautgruppen (nach DIN 9580) eingeteilt werden: 1. Urformen

2. Umformen

3. Trennen

4. Fügen

5. Beschichten

6. Stoffeigenschaftändern

Da für die Herstellung eines Bauteils meist mehrere Möglichkeiten zur Verfügung stehen sind für die Auswahl des Herstellungsverfahrens verschiedene Kriterien zu berücksichtigen. Diese sind (unter anderen): • Stückzahl

• Stückgröße (Abmessungen)

• Eigenschaftsanforderungen

(mechanische Eigenschaften)

• Maßgenauigkeit

• Erforderliche Nacharbeit

• Oberflächengüte

• Eigenspannungen

• Verzug

• Prüfaufwand

• Werkstoffausnutzung

• Lieferzeit

In vielen Fällen stehen die Formgebungsverfahren Gießen, Sintern, Schmieden, Fließpressen und Zerspanen in Konkurrenz. Gießverfahren: Sintern (pulvermetallurgische Herstellung): Schmieden: Fließpressen: Zerspanen: Im Zuge der Konstruktion eines Bauteils sind bei der Auswahl des Werkstoffes sowohl das Fertigungsverfahren als auch die Verarbeitbarkeit (Schweißbarkeit, Gießbarkeit, Umformbarkeit) des Werkstoffes zu berücksichtigen.


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Giessen

Überblick über die Gussverfahren

Nach der Art der verwendeten Modelle wird zwischen Verfahren mit Dauermodell und solchen mit verlorenem Modell unterschieden. Die Modelle haben eine ähnliche Gestalt wie das herzustellende Formteil, sind jedoch um etwas größer als das zu erzeugende Werkstück. Für die Entnahme von Gussstücken aus den Formen werden Schrägen angebracht. Zur Herstellung von Hohlräumen werden Kerne vorgesehen. Dafür werden bei den Modellen Kernmarken angebracht.

Handformen

Form: Modell: Modelle für mehrmaligen Gebrauch, Modelle und Kernkästen aus Hartholz-Furnierplatten, aus Schnittholz oder aus Schaumkunststoff. Verfahrenscharakteristik: Handformen ist die Herstellung einer Sandform ohne Benutzung einer Formmaschine bezeichnet. Die Form besteht aus den Formaußenteilen für die Außenkontur und den Forminnenteilen für die Forminnenkontur. Hohlräume im Gussstück entstehen durch in die Form eingelegte Kerne. Ablauf:


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Maschinenformen

Form: Modell: Modelle und Kernkästen überwiegend aus Hartholz-Furnierplatten, aus Metall, aus Kunststoff

Verfahrenscharakteristik: Das Maschinenformen ist gekennzeichnet durch einen teil- bzw. vollautomatischen Fertigungsvorgang zur rationellen Herstellung gießfertiger Sandformen. Das Abgießen wird oft in die Fertigungsstraße mit einbezogen. Die wesentlichen Stationen:

• • • •

Die Entleerstation gibt die Formgußstücke frei. Die Formstation kann aus einem Formautomaten für komplette Formen oder aus mehreren bestehen, die Ober- und Unterkasten getrennt herstellen. Es gibt auch kastenlose Formanlagen. Hier wird nur während der Formherstellung mit einem Rahmen gearbeitet, der nach Verdichten des Sands abgezogen wird.

Maskenformen

Form: Modell: Modelle für vielfachen Gebrauch, heizbare Metallmodelle und Metallkernkästen Verfahrenscharakteristik: Maskenformen sind einige mm dünne Formmasken. Der Formstoff wird auf das beheizte Metallmodell aufgeschüttet. Dadurch härten die im Formstoff enthaltenen Kunstharze aus und verfestigen die Form. Es entsteht eine selbst tragende, stabile Maskenform. Die Maskenform wird oft in einem Stück gemeinsam geformt und danach getrennt. Nach Einlegen der Kerne werden beide Formhälften zusammengeklebt. Das Maskenformverfahren wird in unterschiedlichen Mechanisierungs- und Automatisierungsstufen eingesetzt. Dieses Verfahren wird nicht nur zur Herstellung von Gießformen für Maskenguss, sondern auch für die Fertigung von Maskenhohlkernen für Sand- und Kokillenguss angewendet. Diese Kerne werden auf speziellen Kernformmaschinen hergestellt. Der Maskenformguss besitzt hohe Maßgenauigkeit bei ausgezeichneter Oberflächengüte.


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Feingießen Form: Modell: Verfahrenscharakteristik: Kennzeichnend sind die verlorenen Modelle, die einteiligen Gießformen und das Gießen in heiße Formen (bei Stahl ca. 900°C). Eine Gusshaut im herkömmlichen Sinn entsteht nicht. Die Modelle werden in Einfach- oder Mehrfachwerkzeugen gespritzt. Die Modelle werden mit meist gleichfalls gespritzten Gießsystemen zu sog. Trauben zusammengefügt Diese Trauben erhalten dann zähflüssige keramische Überzüge, die durch chemische Reaktionen aushärten. Nach dem Ausschmelzen werden die Formen gebrannt. In die noch heiße Form (nach dem Brennen) wird das Gießen durchgeführt. => *

*

*

*

Druckguss

Form: Modell:

Verfahrenscharakteristik:

Warmkammer-Verfahren: Druckgussmaschine und Warmhalteofen für die Schmelze bilden eine Einheit. Das Gießaggregat befindet sich in der Schmelze. Bei jedem Gießvorgang wird ein genau vorbestimmtes Volumen Schmelze in die Form gedrückt Anwendung bei:

Kaltkammer-Verfahren: Druckgussmaschine und Warmhalteofen für die Schmelze sind getrennt. Die Schmelze wird nach Entnahme aus dem Ofen in die kalte Druckkammer gefüllt und in die Form eingedrückt. Anwendung bei:

*

*

*

a b bis d b Gießkammer füllen; c Gießkolben drückt Schmelze in Form; d Gußstück auswerfen; 1 Druckgießform, 2 Gießkolben, 3 Tiegel mit Schmelze, 4 Gießbehälter, 5 Auswerfen, 6 bewegliche Formhälfte, 7 feste Formhälfte, 8 Gießkammer, 9 Gießkolben, 10 Gußstück, 11 Gießrest


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Schleuderguss

Form: Modell: Verfahrenscharakteristik: Im Schleudergießverfahren werden Hohlkörper, die einen rotationssymmetrischen Hohlraum haben und deren Achse mit der Drehachse der Schleudergießeinrichtung zusammenfällt, hergestellt. Die Außenform des Gussstücks wird bestimmt durch die Kokillenform. Die Innenform bildet sich unter Einwirkung der Fliehkraft der rotierenden Form. Die Gussstück-Wanddicke wird bestimmt von der Menge des zugeführten flüssigen Metalls. Blockgießen

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von Halbzeugen.

Dabei werden Blöcke, Brammen, u.a. in Dauerformen hergestellt, die durch Umformen (Walzen, Schmieden, Pressen, Drahtziehen usw.) zu einem Halbzeug (Blech, Profil, Draht) oder Rohteil (Schmiede- oder Pressteil) weiterverarbeitet werden. Es wird zwischen fallendem Guss (Kopfguss) und steigendem Guss (Bodenguss) unterschieden.

Strangguss Dabei werden Halbzeuge oder Vorprodukte für das Umformen hergestellt. Das ist das Urformwerkzeug (Durchlaufkokille, Gießwalze, Gießband, Gießrad) ist stets kleiner als das durch Urformen hergestellte Produkt. Die Durchlaufkokille kann horizontal oder vertikal durchlaufen werden. Der Stangguss kann entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich weiter verarbeitet werden. Im diskontinuierlichen Fall wird periodisch abgelängt und weiter verarbeitet. Im kontinuierlichen Fall wird das Halbzeug direkt weiter zu einem Produkt verarbeitet.


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Beim kontinuierlichen Strangguss wird durch verschiedene Verfahren ein unterschiedlich dickes Halbzeug erstellt welches direkt zu einem Fertigprodukt weiter verarbeitet wird. Bandguss Beim Gießen zwischen einer Gießwalze bzw. einem Gießrad, die das Profil des gewünschten Bands oder Drahts enthalten, und einem endlosen Gießband (Bilder a und c) erstarrt die zugeführte Schmelze des metallischen Werkstoffs zwischen der Gießwalze bzw. dem Gießrad und dem Gießband und tritt dann ins Freie aus. Beim Gießen in Bänderkokillen (zwei endlose umlaufende Gießbänder) findet die Erstarrung unter Benutzung weiterer umlaufender Einrichtungen zur seitlichen Begrenzung des Erzeugnisses zwischen diesen Gießbändern statt (Bild b); anschließend tritt der erstarrte Strang als ein Band in Freie aus. Gussgerechte Gestaltung Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften von Gusswerkstoffen sind folgende Regeln zu beachten:


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e


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Pulvermetallurgie - Sintern

Die Pulvermetallurgie befasst sich mit der Gewinnung von Pulvern aus Metallen, Metalllegierungen und Metallverbindungen (z.B. Carbiden, Boriden, Siliciden, Nitriden, Oxiden und Metallen) und deren Verarbeitung zu Halbzeugen und Fertigteilen. Bei diesem Urformverfahren werden Pulver mit Korngrößen – je nach Herstellungsverfahren – unter 0,5mm (etwa 0,1 bis 500µm) in Formwerkzeugen zumeist mechanisch verdichtet und i.allg. bei hohen Temperaturen durch Sintern unter Schutzgas zu Fertigteilen verfestigt. Das Pressen wird bei Raumtemperatur, verschiedentlich aber auch bei höheren Temperaturen (Heißpressen) in Formen aus verschleißfestem bzw. auch warmfestem Stahl vorgenommen. Die Sintertemperatur (zum Zusammenwachsen der Teilchen durch Diffusion) liegt bei Einstoffsystemen etwa in der Größenordnung von 3/4 bis 4/5 der absoluten Schmelztemperatur des Metalls, bei Mehrstoffsystemen oft oberhalb des Schmelzpunkts der niedrigstschmelzenden Komponente. Hauptgründe für den Einsatz der Pulvermetallurgie:

• Wirtschaftliche Herstellung von Massenteilen begrenzter Größe

• Herstellung von Werkstoffen mit bestimmte

Eigenschaftskombinationen

• Herstellung von Gefügen bestimmter Porosität

• Herstellung hochschmelzender Metalle

Schritte der Herstellung von pulvermetallurgischer Produkte: • Pulverherstellung • Formgebung


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• Sintern

• Nachbehandeln

Umformen

Allgemeines Zur Herstellung von Halbzeugen und Formteilen wird die genutzt. Im unteren bis mittleren Temperaturbereich kommt es bei Verformung zu Werkstoffverfestigungen, im oberen Temperaturbereich kann des zu Entmischungsvorgängen kommen. Kalt- und warm umgeformte Bauteile besitzen einerseits unterschiedliche Eigenschaften und andererseits eine Gefügestruktur. Bei der Kaltumformung werden die Fasern in eine Verformungsrichtung gestreckt => Bei der Warmumformung ergibt sich unter der Voraussetzung eines ausreichend großen Verformungsgrades ein rekristallisiertes, feinkörniges Gefüge. Werden inhomogene Werkstoffe (Seigerungen etc) warm verformt, so ordnen sich die verschiedenen Gefügebereiche aufgrund ihres unterschiedlichen Gefügeverhaltens zu Verformungsrichtungen in gestreckten Zeilen an. Diese Gefügezeiligkeit wird auch als => Besonders bei höher belasteten Teilen ist auf den Faserverlauf besonders zu achten. Dies gilt in besonderem Maße bei schlag-, und schwingbeanspruchten Teilen. Die Fasern sollen in diesem Fall stets in Beanspruchungsrichtung verlaufen, da in Querrichtung eine erhöhte Rissempfindlichkeit aufgrund verminderter Zähigkeits- und Dauerfestigkeitswerte besteht. Bei nachträglichen zerspanenden Bearbeitungen dürfen die Fasern eines Werkstücks nicht so „angeschnitten“ werden, dass sie die Werkstückoberfläche in einem hoch beanspruchten Bereich durchbrechen.


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Verfahrensparameter •

•

•

•

•

Zur Kombination der Vorteile des Warmverformens sowie des Kaltverformens sind weitere Verfahren entwickelt worden. Halbwarmumformen:

Erfolgt bei erhöhter Temperatur, jedoch noch unter der Warmumformtemperatur. Es ergibt sich ein erniedrigter Formänderungswiderstand wodurch ein höherer Umformgrad als beim Kaltumformen erreicht werden kann. Weiters können dadurch bessere Oberflächen, genauere Abmessungen und höhere Festigkeiten als beim Warmumformen erreicht werden. Warm-Kaltumformen: Formteil wird möglichst weit warm vorgeformt, entzundert und danach kalt fertig geformt. Ist wirtschaftlich, sofern damit somit eine teure Zerspanung entfallen kann. Formänderungsvermögen: Maximaler Verformungsgrad eines Werkstoffes der bis zum Eintreten des Bruches oder instabiler Verformungsverhältnisse wie Einschnüren, Beulen oder Knicken erreicht werden kann. Abhängig von:

Reibung und Schmierung: Spannungen im Werkstück können oft nicht ermittelt werden, da sich aus der Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug zusätzliche Spannungen ergeben. Ist für den Umformvorgang ist die Reibung deshalb von hoher Bedeutung, da dadurch eine erhebliche Vergrößerung der erforderlichen Umformkräfte und des Werkzeugverschleißes verursacht wird und es zu ungleichmäßigen Verformungen im Werkstück kommen kann. Schmiermittel: Voraussetzungen für den Schmiermitteleinsatz:


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Umformverfahren

Die Einteilung der Umformverfahren erfolgt nach den => durch die eine plastische Verformung eines Werkstücks überwiegend verursacht wird. Nahstehende Beanspruchungsarten werden von einander unterschieden: • Druck – Umformen

• Zugdruck – Umformen

• Zug – Umformen • Biege – Umformen • Schub – Umformen Eine weitere Einteilungsmöglichkeit der Umformverfahren ist die nach der => • •

Grundsätzlich können alle Verfahren als • • • durchgeführt werden.

Walzen Das Walzen dient vorwiegend zur Herstellung von Halbzeugen wie Bleche, Stangen, Profilen, Rohre. Walzen wird jedoch auch zur Herstellung von Gewinden oder zum Fest- oder Glattwalzen von Werkstückoberflächen verwendet. Die beim Walzen auftretenden Druckspannungen erlauben einen großen Umformgrad. Der maximale Umformgrad hängt meist nicht vom Umformvermögen des Werkstoffes ab, sondern von der geometrischen Gestaltung der Walzen. Das Walzen ohne zusätzliche Stoß- bzw. Zugkraft am Werkstück kann nur erfolgen, wenn die Reibung zwischen Blech und Walzen ausreicht das Blech zwischen den Walzen hindurch zu ziehen. Stichabnahme: Ist eine große Stichabnahme gefordert, so müssen große Walzen verwendet werden um einerseits den Walzwinkel a klein zu halten und andererseits das Einziehen des Blechs sicherzustellen. Das Walzgerüst besteht in diesem Fall aus 2 Walzen mit großem Durchmesser. Bei kleineren Stichabnahmen können Walzen mit kleineren Durchmessern verwendet werden um die Walzkraft auf eine kleinere Kontaktzone aufzubringen und somit bei niedrigeren Walzdrücken den gleichen Walzdruck aufbringen zu können. Um ein Verbiegen dünnen Walzen zu verhindern müssen die Arbeitswalzen durch Hilfswalzen gestützt. (Stützwalzen) Speziell beim Kaltwalzen treten hohe Formänderungswiderstände auf, sodass eine größere Anzahl von Stützwalzen erforderlich ist.


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Für die Herstellung von Rohren durch Walzen werden verschiedene Verfahren angewendet. Beim Schrägwalzen von Rohren wird mittels kegelig geformter Walzen eine Rundstange über einen Dorn zu einem Rohr gestreckt. Das Walzen von Rohren erfolgt meist als Warmumformung. Nachbearbeitung: Die Herstellung von Draht erfolgt bis zu einem Durchmesser von ca. 5 mm durch Walzen. Darunter liegende Durchmesser werden durch Ziehen hergestellt. Dabei herrschen in der Umformzone weitgehend Druckspannungen vor. Die maximale Formänderung je Zug ist durch die Zugspannung im reduzierten Querschnitt des Drahtes begrenzt, da die Umformkraft vom Werkstück selbst übertragen werden muss. Schmieden Die Grundverfahren des Schmiedens zählen zu den Fertigungsverfahren Trennen, Umformen, Fügen. Es sind Verfahren für • Querschnittsänderungen

• für Richtungsänderungen

• zum Erzeugen von Hohlräumen

• zum Trennen

• und Fügen

Die Rohteile sind beim Warmschmieden auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt (bei Stahl 850 bis 1250°C), sodass keine bleibende Verfestigung des Werkstückwerkstoffs auftritt. Es wird zwischen Freiform- und Gesenkschmieden unterschieden. Die Verfahren des Gesenkschmiedens sind Anstauchen oder Formpressen mit und ohne Grat).


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Grundtypen von Vorgängen beim Füllen von Schmiedegravuren

Freiformschmieden: Wird in der Regel für Einzel- und Kleinserienfertigung von Teilen mit einer Masse zwischen 1kg und 350t eingesetzt. Durch Freiformschmieden hergestellte Werkstücke müssen meist spanend fertig bearbeitet werden. Bei der spanenden Bearbeitung ist darauf zu achten, dass der durch das Schmieden erzeugte Faserverlauf nicht (zu stark) zerstört wird. Mit der Genau- bzw. Präzisionsschmiedetechnik können komplizierte Werkstücke mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Dabei müssen die Gesenkhohlräume vollständig ausgefüllt werden. Dies kann nur durch sehr geringe Verformungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Mit der konventionellen Schmiedetechnik kann dies nicht erreicht werden, da das Schmiedestück im kalten Gesenk rasch abkühlen würde und somit das Verformungsvermögen absinken würde. Um dies zu verhindern wird das Gesenk beim Genauschmieden auf Umformtemperatur des Werkstücks erwärmt und muss auf dieser Temperatur gehalten werden.

• Heißgesenkschmieden

• Isothermgesenktschmieden

Schmiedemaschinen Schabottehämmer

•

•

Gegenschlaghämmer


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Strangpressen Um Nicht-Eisen-Metalle zu Halbzeugen zu verarbeiten wird meist, fast ausschließlich, das Strangpressen angewendet. Wird als *

*

durchgeführt. Meist wird das Strangpressen als Warmverformung durchgeführt. Dabei wird ein vorgewärmter Block in einen vorgewärmten Zylinder (Aufnehmer) geladen und mittels Kolben durch die Öffnung einer Matrize, welche die Form des zu erzeugenden Halbzeugs hat, gepresst. Der Spannungszustand im zu verformenden Werkstück entspricht dem einer hydrostatischen Beanspruchung. Es können sehr große Umformgrade erreicht werden. Um die hohen Belastungen aufnehmen zu können wird der Presszylinder meist aus mehreren Ringen, welche auf einander aufgeschrumpft sind, hergestellt. Im Zylinder kommt es aufgrund der hohen Verformungsarbeit zu hohen Temperaturen. Wichtig ist, dass die Temperatur genau überwacht wird: Aufgrund unterschiedlicher Reibung zwischen Block und Zylinderwand über den gesamten Querschnitt kommt es zu unterschiedlichen Verformungen und damit auch zu unterschiedlichen Gefügeausbildungen. Dadurch ergeben sich verschiedene mechanische Eigenschaften in Längs- und Querrichtung des Profils=> Einfachere Form des Strangpressens ist das direkte Pressen. Vorteile des indirekten Pressens: *

*

*

*

*

Nachteile des indirekten Pressens:


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Fließpressen

Ist ein wichtiges Verfahren der Massivumformung mit zunehmender Bedeutung. Vom prinzipiellen Aufbau ist es dem Strangpressen ähnlich.

Wesentlicher Unterschied liegt darin, dass das Fließpressen ein diskontiuierliches Verfahren ist. Es werden dabei rotationssymmetrische Formteile, vorwiegend durch hergestellt.

Daher sind gut umformbare Werkstoffe für die Anwendung dieses Verfahrens besonders wichtig.

Das Fließpressen wird teilweise mit dem Gesenkschmieden

kombiniert, wobei Zwischenschritte durch Fließpressen erfolgen.

Es werden die Verfahren *

* sowie Kombinationen davon eingesetzt. Vorteile des Fließpressens: *

*

*

Tiefziehen

Ist neben dem Streckziehen das wichtigste Blechumformverfahren. Bei beiden wird aus einem ebenen Blech ein dünnwandiger Hohlkörper hergestellt. Beim Tiefziehen wird das Blech durch den Niederhalter nur so fest gehalten, dass das Blech nach fließen kann, jedoch keine Falten aufgeworfen werden.

Bei kleinen Teilen, bei relativ dickwandigen Teilen bzw. bei Teilen mit einem geringen Tiefziehverhältnis kann auf den Niederhalter auch verzichtet werden.

Tiefziehen wird gerne als zwei- oder mehrstufiger stufiger Prozess

durchgeführt. Dabei werden in einem zweiten Schritt Werkstücke durch Tiefziehen fertig gestellt.

Tiefziehen lässt sich auch

gut mit dem Streckziehen kombinieren. Der wesentliche Unterschied zwischen den Verfahren liegt darin begründet, dass bei Streckziehen der Niederhalter das Blech fest hält und die Verformung des Bleches mit einer Abnahme der Blechstärke verbunden ist.


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Korrosion und Korrosionsschutz Korrosion (lat. corrodere = Zernagen) ist ein chemischer / elektrochemischer Vorgang welcher eine Zerstörung von Werkstoffen zur Folge hat. Neben der Korrosion treten noch folgende Arten der Werkstoffzerstörung auf:

• Überbeanspruchung:

• Abnutzung – mechanisch

o

o

o

• Abnutzung – chemisch / eletrochemisch

Metalle sind durch den Herstellprozess aus einer thermodynamisch stabilen Lage in einen unstabilen Zustand versetzt worden. Die Rückreaktion nennt man Korrosion. Namen von Korrosionsprodukten:

• bei Eisenwerkstoffen

• bei Zink und Zinklegierungen

• bei Kupfer

• bei durch hohe Temperatur entstandene Oxide

Wichtige Parameter der Korrosion: •

•

Chemische Korrosion

Bei der chemischen Korrosion werden Metalle durch trockene Gase, Schmelzen oder organische Substanzen direkt angegriffen und aufgelöst. Die das Metall umgebenden Medien sind meist elektrisch schlecht leitend (Nichtleiter) Legierungen aus Fe-Cr bzw. Fe-Si-Al besitzen eine dünne fest haftende Schicht welche chemisch beständig ist. => zunderfreie Werkstoffe Chemische Reaktion kann auch in einen Metallteil innerhalb eines Werkstücks sein O2 diffundiert in das Werkstück Chemische Korrosion tritt seltener auf als elektrochemische Korrosion, die beiden Vorgänge können jedoch gleichzeitig erfolgen.

Chemische Korrosion: Aggressive Medien Zunderschichten:


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Elektrochemische Korrosion

Wird ein Metall durch ein elektrisch leitendes Medium – Elektrolyt – angegriffen, so ist die Korrosion ein überwiegend elektrochemischer Vorgang. Die Gesamtreaktion besteht aus:

*

*

Für deckschichtfreie Metalle ist die elektrochemische Spannungsreihe maßgebend.

Sind zwei verschiedene Metalle (Zn und Cu) leitend mit einander verbunden, so wird das unedlere Metall (Zn) durch die Abgabe von Elektronen ionisiert und geht in Lösung. Die Elektronen fließen zum edleren Metall, das entweder Ionen der eigenen Art aufnimmt oder Wasserstoff freisetzt.

Stehen zwei Metalle mit unterschiedlichem Potential in metallischer

Verbindung, so spricht man von Daher sollte man bei der Konstruktion

von Maschinen und Anlagen darauf achten, dass Kontaktstellen von Metallen bzw. Legierungen mit großer Potentialdifferenz vermieden werden.

Beim Rosten von Stahl mit Sauerstoffkorrosion kommt es zu einer

Am Außenrand eines Tropfens bildet sich, durch guten Sauerstoffzutritt

begünstigt eine Oxidschicht. Diese hat, wie alle Eisenoxide ein edleres Potential als Eisen und ist gegen Angriff geschützt.

Sie wirkt als Kathode des Lokalelements. In der Mitte des Tropfens hat der Sauerstoff weniger Zutritt löst sich das

Eisen anodisch auf. Durch die Bildung von Eisenionen werden Elektronen frei wodurch an der kathodischen Oxidhaut entweder Wasserstoffionen entladen oder aus Sauerstoff und Wasser Hydroxidionen gebildet werden.

Anodenreaktion: Fe Fe++ + 2e Fe++ + O2 + H2O 4 Fe+++ + 4 OH-

Fe(OH)3 FeOOH + H2O Nicht immer entspricht das Korrosionsverhalten von Metallen wie aus

der aus Spannungsreihe anzunehmen wäre. So erweisen sich manche scheinbar unedle Metalle wie Aluminium (Al) und Zink (Zn) in feuchter Luft oder chloridfreien Salzlösungen als besonders beständig.

Der Grund liegt in der Bildung von besonders beständigen Oxidschichten. Prinzip der

Die Bedingungen unter denen die Schichten beständig sind müssen beibehalten werden.

Elektrochemische Korrosion


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Schutzschichten aus Reaktionsprodukten (Passivierungsarten) • extrem dünne Oxidschicht (bis ca. 10 nm)

sind elektronenleitfähig und haben Edelmetallcharakter Beispiele:

• dichte Oxidschichten (ca. 100 nm)

sind nicht elektronenleitfähig; der Ladungsaustausch zwischen Metall und dem Elektrolyt wird durch die dichte Schicht unterbunden Beispiele:

• dicke Schichten

sind aufwachsende Schichten mit komplizierter Struktur wie sie bei Carbonatschichten auf Cu und Zn auftreten. Weiters gehören die schützenden Rostschichten auf wetterfesten Stählen zu dieser Gruppe.

Erscheinungsformen der Korrosion

Gleichmäßiger Abtrag (Ebenmäßiger Angriff) Dabei wird das Metall annähernd parallel zur Oberfläche abgetragen, sodass

der Querschnitt eines Bauteils gleichmäßig geschwächt wird. Diese Erscheinungsform der Korrosion kommt am häufigsten vor und kann relativ einfach überwacht werden.

Die wichtigsten / häufigsten Wirkmedien sind Wasser und verunreinigte Luft.

Ungleichmäßiger Abtrag

• Spaltkorrosion Spalte in metallischen Bauteilen sowie Spalte zwischen metallischen Bauteilen führen, sobald ein Elektrolyt vorhanden ist, zu intensiver, lokaler Korrosion. Da in den Spalten der Elektrolyt durch Kapillarwirkung festgehalten wird bildet sich ein länger wirkendes Korrosion erzeugendes Element aus

• Kontaktkorrosion Berühren sich verschiedene Metallische Werkstoffe unmittelbar, so wirkt unter dem Einfluss eines Elektrolyts das unedlere als Anode, das edlere als Kathode. Beispiele: * Bei einem verzinkten Stahlseil wird unter Feuchtigkeitseinwirkung das unedlere Zink aufgelöst. Schutz des Stahls auch bei nicht porenfreier Zink – Schicht. * Bei einem vernickelten Stahlseil wird unter Feuchtigkeitseinwirkung das unedlere Grundmaterial (Fe) bei vorhanden sein von Poren aufgelöst.

• Selektive Korrosion

Unter diesem Begriff versteht man alle Arten der Korrosion bei denen ein lokaler Angriff erfolgt. Beispiel: Zwei verschiedene Phasen im Gefüge eines metallischen Werkstoffes liegen vor (zwei Mischkristalle unterschiedlicher Konzentration)

Passivierung:


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• Lochfraßkorrosion

Es erfolgt eine örtliche Korrosion welche über die Bildung von Grübchen oder Narben hinausgeht und zu kraterförmigen bzw. nadelstichförmigen Vertiefungen führt. Dabei kann es zu Durchlöcherungen eines Bauteils kommen. Es kann zu einem korrosionsbedingten Bruch eines Bauteils ohne vorher deutlich sichtbare Anzeichen kommen.

• Interkristalline Korrosion

Dabei erfolgt der Angriff auf das Metall entlang der Korn- und Phasengrenzen, wobei der Grund für den Angriff bei den Konzentrationsunterschieden zwischen dem Kern und dem Rand des jeweiligen Kristalls liegt. Dabei kann es zu einer so starken Schwächung der Kristalle kommen, dass ein Kornzerfall auftritt.

Korrosion und mechanische Beanspruchung

• Spannungsrißkorrosion Sobald eine chemische Beanspruchung und eine statische (mechanische) Spannung gemeinsam auftreten, kommt es zu intra- oder transkristallinen (durch die Kristalle durchgehend) Aufreißen von metallischen Werkstoffen

• Schwingungsrißkorrosion

Bei einem gemeinsamen Wirken einer dynamischen Beanspruchung und einer chemischen Beanspruchung wird die Dauerschwingfestigkeit eines Werkstoffes erheblich reduziert. Der Bruch des Werkstücks tritt bei relativ geringen Spannungsausschlägen ein.

Korrosionsschutz

Um Korrosion an Werkstücken zu verhindern können Maßnahmen durchgeführt werden wodurch * Werkstücken bzw. Bauteilen und angreifendem Medium oder * Reaktionsbedingungen Beeinflusst werden. Maßnahmen des Korrosionsschutzes können einzeln oder in geeigneter Weise in Kombination eingesetzt werden.


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Arten des Korrosionsschutzes: • aktiver Korrosionsschutz: • temporärer Korrosionsschutz • passiver Korrosionsschutz

Aktiver Korrosionsschutz: Werkstoff und Konstruktion

Temperatureinfluss

Die Temperatur ist bei vielen chemischen Reaktionen eine wesentliche Einflussgröße für den Verlauf derselben.

Besonders zu beachten ist, dass manche Metalle in einem bestimmten Temperaturbereich eine besondere Unbeständigkeit – bei ansonst guter bis sehr guter Korrosionsbeständigkeit – zeigen.

Kathodischer Schutz

Durch => wird der zu schützende Teil zur Katode gemacht. Die erforderlichen Elektronen werden aus dem äußeren Stromkreis geliefert.

Zusammen mit dem feuchten Erdreich bildet die

Anode ein => Da sich die Anode auflöst spricht man von einer

=>


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Beeinflussung des Korrosionsmediums

Der Einfluss korrosiver Bestandteile kann vielfach verringert werden. Die dabei meist angewendeten Verfahren sind:

•

•

•

•

Passiver Korrosionsschutz

Als Vorbereitung für alle Verfahren des passiven Korrosions-schutzes ist eine sorgfältige Oberflächenbehandlung erforderlich. Die wichtigsten Schritte dabei sind:

•

•

•

Beschichtungsverfahren / Beschichtungsstoffe

Schutzschichten auf Metallen können auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Die wichtigsten sind:

1.

2.

3.

4.

5.


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Zu 1: Tauchverfahren

Werden Metallschmelzen auf ein Werkstück aufgebracht so spricht man vom =>

Zu 2: Anwendung fester oder staubförmiger Medien

Neben dem Aufdampfen werden das zur Erzeugung von Schutzschichten das => eingesetzt.

Zu 3: Verwendung von Elektrolytlösungen •

•

•

•


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Zu 4: Emailieren Es wird die Emailschicht als Schlicker (aufgeschlämmtes

Emailpulver) in flüssiger Form oder als Pulver auf ein Werkstück aufgetragen. Das Werkstück wird gebrannt bei =>

Dabei entsteht die glasartige, nichtmetallische Schutzschicht bestehend aus:

Zu 5: Beschichtung mit Anstrichstoffen Anstichstoffe bestehen meist aus mehreren Komponenten). Der

Anstrich selbst besteht aus mehreren Schichten: •

•

•

Arten des Aufbringens von Anstrichstoffen


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Werkstoffprüfung

Allgemeines

Die Werkstoffprüfung dient • •

Prüfverfahren können unterschieden werden nach der Art des

Ergebnisses. Liegt dieses als Zahlenwert bzw. Kennwert vor, so können diese

Ergebnisse in die Berechnung mit einfließen. Liegen diese Ergebnisse in einer Form von Bildern vor, so können

durch einen Bildvergleich Aussagen zur Qualität einer Probe vorgenommen werden.

Eigenschaften und Beanspruchungen

Bei der Beanspruchung eines Werkstücks darf sich dieses zur Aufrechterhaltung seiner Funktion in der Regel ausschließlich elastisch verformen.

Um einen Bauteil korrekt dimensionieren zu können ist es erforderlich einerseits dessen Beanspruchung und andererseits die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes zu kennen.

Arten der Beanspruchungen und deren Unterscheidung

• mechanisch –

• zeitlich –

• thermische Beanspruchung

• chemische Beanspruchung

Der Beanspruchung eines Werkstücks aus einem bestimmten

Werkstoff wirkt bei mechanischer Belastung die Festigkeit und die

Formbarkeit entgegen.

Zahlenwerte für Berechnungen Zahlenwerte für Vergleiche: Bildhafte Vergleiche:

Festigkeit: Formbarkeit:


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Probenentnahme

Für die meisten Prüfverfahren sind normgerechte Proben erforderlich. Die Eigenschaften von Stahl hängen häufig von der Lage der Probe ab. Diese Tatsache tritt bei Halbzeugen häufig auf und betrifft sehr oft die Zähigkeit.

Zugversuch

Mit dem Zugversuch wird das Werkstoffverhalten bei einachsiger, stetig wachsender Beanspruchung ermittelt.

Die ermittelten Werte gelten zwar nur für statische Beanspruchungen, dienen jedoch für den grundlegenden Vergleich von Werkstoffen.

Vereinfachte Darstellung einer

Universalprüfmaschine mit hydraulischem Antrieb und einer mechanischen Kraftanzeige. Diese ist für Zug-, Biege- und Druckproben einsetzbar.


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Versuchsauswertung, Kenngrößen

Spannung

Dehnung

Typische Spannungs-Dehnungs Kurven

Spröde Werkstoffe:

Zähe Werkstoffe:

Einfluss der Temperatur auf den Spannungs-Dehnungsverlauf


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Härteprüfung

Die Prüfung der Härte eines Werkstoffs gehört zu den am häufigsten angewendeten Verfahren der Werkstoffprüfung.

Begründung: Härte:

Härteprüfverfahren

Statische Eindringverfahren dynamische Härteprüfung indirekte Härteprüfung

Härteprüfung nach Brinell

Bei der Härteprüfung nach Brinell, wird eine Kugel aus gehärtetem Stahl oder aus Hartmetall mit einer bestimmten Last in den Prüfkörper gedrückt.

Härtewert HB


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Härteprüfung nach Vickers

Dabei wird eine Diamantpyramide mit 136° unter einer bestimmten Prüflast in den Prüfkörper gedrückt. Auch bei der Härteprüfung nach Vickers wird die Verformungsgröße (Diagonale des Eindrucks nachgemessen.

Die Härte ergibt sich wieder aus Kraft / Oberfläche des Eindruck.

HV = Härteprüfung nach Rockwell

Der Eindringkörper ist ein Diamantkegel mit Spitzenwinkel von 120° und einen Spitzenradius von 0,2 mm.

Im Gegensatz zu den anderen Verfahren wird bei der Prüfung nach Rockwell die Eindringtiefe gemessen.

Dynamische Härteprüfverfahren


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Kerbschlagbiegeversuch

Zweck: => Durch hohe Beanspruchungsgeschwindigkeit und mehrachsige

Zugspannungszustände kann der Übergang vom Zähbruch zum Sprödbruch bei bestimmten Temperaturen ermittelt werden, wobei die Höhe der Kerbschlagarbeit und die Lage der Übergangs-temperatur als Vergleichsmaß für die Werkstoffzähigkeit gilt.

Prüfprinzip: In der Probe entsteht ein plötzlicher 3-achsiger Spannungs- zustand mit einer wesentlichen Spitze am Kerbgrund. Kann ein Werkstoff die Spannungsspitze nicht durch plastische Verformung ausgleichen, so kommt es zum Bruch (bzw. Rissbildung)


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Einfluss auf den Kerbschlagbiegeversuch Bei Kurven mit Steilabfall werden folgende Gebiete /

Zonen unterschieden: •

•

•

Dauerschwingprüfung

Die im Zugversuch ermittelten Werkstoffkennwerte gelten nur für => Dauerschwingfestigkeit:


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Gestaltfestigkeit: Wird beeinflusst von: Prüfprinzip: Bauteile werden (teilweise) vorgespannt und in einer geeigneten Prüfeinrichtung (über einen längeren Zeitraum) schwingend beansprucht.


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Zerstörungsfreie Prüfverfahren

•

•

•

•


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Durchstrahlungsverfahren

Bei der Durchstrahlungsprüfung wird die Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung, einen Film belichten zu können angewendet.

Beim Durchtritt von Strahlung durch einen Körper nimmt die Intensität ab. Unterschiedliche Schwärzungen am Film werden durch unterschiedliche Iintensitätsabnahmen (im Werkstück) hervorgerufen. Diese unterschiedlichen Intensitätsabnahmen deuten auf einen Hohlraum (z.B. Lunker, Schlackeneinschluss) hin.

=> Es können künstliche und natürliche Strahlungsquellen eingesetzt

werden. Die Erzeugung von => erfolgt in

einer Röhre in der Vakuum herrscht. Aus einer hoch erhitzten Elektrode treten, nachdem an der Katode eine Hochspannung angelegt wurde, Elektronen aus. Diese treffen unter mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode auf. Beim Abbremsen wird ca.1% der Energie in Strahlung umgesetzt.

Natürliche Radioaktivität


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Anwendungen der Durchstrahlungsprüfung Da mit der Durchstrahlungsprüfung Gasblasen, Hohlräume,

Dopplungen, Risse etc. festgestellt werden können bietet sich das Verfahren zur Prüfung von =>

Da Streustrahlen den Kontrast vermindern muss bzw. kann durch

den Einsatz bestimmter Filme und deren spezieller Entwicklung dem Rechnung getragen werden, da verminderter Kontrast die Fehlererkennbarkeit vermindert.

Da die Wellenlänge einen bestimmenden Einfluss auf den Kontrast hat, können auch „weichere“ (größere Wellenlänge) Strahlen eingesetzt werden. z.B. Röntgenstrahlung statt Gammastrahlung.

Durchstrahlung mit Gammastrahlen

Vorteile Nachteile *

*

*

*

*

*

*

*

*


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Ultraschallverfahren

Die Prüfung mittels Ultraschall zählt zur Gruppe der akustischen Prüfverfahren. Diese werden wie folgt unterteilt:

•

•

•

Definition Ultraschall: Die Methoden zur Ultraschallprüfung werden wie folgt unterteilt:

•

•

Die Grundlage des Verfahrens ist der =>


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Magnetpulververfahren

Dieses Verfahren ermöglicht den Nachweis von feinen Rissen . Bindefehlern oder Werkstofffehlern unmittelbar an der Oberfläche.

Voraussetztung:

Magnetisierungsmethoden


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Kunststoffe

Allgemeines

Kunststoff sind Werkstoffe, die im wesentlichen aus makromolekularen organischen Substanzen bestehen => und deren Eigenschaften sich daraus ableiten.

Polymere können aus natürlichen Stoffen gewonnen werden => oder werden künstlich erzeugt. Ausgangsprodukte dafür sind:

•

•

•

Allgemeine Einteilung der Kunststoffe

Mechanische Eigenschaften


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Mechanische Eigenschaften

Verhalten bei konstanter Belastung

Verhalten bei wechselnder oder schwellender Belastung

Dichte

Isolierwirkung (Thermisch & elektrisch)


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Korrosionsbeständig Gestaltung und Fertigung/Formgebung

Makromoleküle


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Aufbau und Struktur von Makromoleküle der Kunststoffe


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Vernetzung Sofern nicht ausschließlich zwischen den Bausteinen einer

Molekülkette eine Atombindung erfolgt, sondern diese auch zwischen manchen Molekülen zweier Ketten stattfindet spricht man von

=> Dies kann durch nachstehende Punkte ausgelöst:

•

•

•

Vernetzung von Kunststoffen nennt man auch =>

•

•

Mechanisch – thermisches Verhalten von Kunststoffen


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Auswahl verschiedener Kunststoffe

Thermoplaste: • PE

• PVC

• PS

• PP

• PA

Duroplaste: • PF

• EP

• PUR

• MF

Polyethylen

Ist ein lichtdurchlässiger, milchig bis weißer thermoplastischer Kunststoff, zäh, chemisch sehr beständig, schweißbar, bedingt klebbar und kostengünstig.

Anwendungen:

Polyvinylchlorid

Die Werkstoffeigenschaften werden wesentlich vom Polymerisationsgrad bestimmt. PVC ist ein ausgesprochener Massenkunststoff und wird als Hart - PVC und Weich – PVC eingesetzt.

Hart – PVC: zäh-hart, chemisch gut beständig, meist nur zwischen

+20°C und +60°C eingesetzt Anwendungen: Weich-PVC: Bindungskräfte werden durch Weichmacher vermindert.

Bei sinkender Festigkeit wird PCV weich und gut formbar. Die Einfriertemperatur wird zu tieferen Werten verschoben.

Anwendungen:


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Polyamide

Mit Polymaiden wird eine große Gruppe von Polykondensaten mit einer großen Variationsbreite von Eigenschaften. Aufgrund der gut fließenden Schmelze können auch komplizierte Bauteile durch Spritzguss hergestellt werden.

Anwendungen:

Phenol-Formaldehyd

Sind Duroplaste die aus Phenolen und Aldehyden (mit verschiedenen Katalysatoren) entstehen. Je nach Herstellungsprozess entstehen verschiedene Harze mit – je nach Vernetzungsgrad - unterschiedlichen mechanischen und thermoelastischen Eigenschaften.

•

•

• •

Epoxidharze

Eigenschaften: Anwendungen:

Polyurenthane

Eigenschaften: Anwendungen:


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Übersicht über die Verarbeitung von Kunststoffen

Aufgrund der unterschiedlichen Arten von Kunststoffen muss bei der Einteilung der Verarbeitungsverfahren von Kunststoffen eine Unterteilung hinsichtlich der unterschiedlichen Arten von Kunststoffen vorgenommen werden.

Verarbeitungsverfahren für thermoplastische Kunststoffe: • Urformen: • Umformen:

Verarbeitungsverfahren für duroplastische Werkstoffe

•

•

•

Verarbeitungsverfahren für elastomerer Werkstoffe

•

•

•

Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe - Urformen

Gießen Aufgrund der Molekülgröße von thermoplastischen Kunststoffen

besitzen diese meist eine zu hohe Viskosität um eine Form ohne Druck vollständig ausfüllen zu können. Dadurch wir das Verfahren des Giessens auf wenige Produkte eingeschränkt:

Extrudieren Verfahrensbeschreibung: Das Verfahren des Extrudierens hat bei der Verarbeitung von

Kunststoffen eine mit dem Walzen bzw. Strangpressen bei Metallen vergleichbare Bedeutung.

Extrudieren wird zur Herstellung folgender Halbzeuge verwendet:


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Plasifizierextruder: Schmelzextruder: Einzugszone: Umwandlungszone: Ausstoßzone: Der aus dem Extruder austretende Strang wird von einer Vorrichtung

aufgenommen und durch eine Kühlstrecke gezogen. Aufgrund der Entlastung des Werkstoffs nach dem Austritt aus der

Matrize kommt es zu einer Vergrößerung der Abmessungen => Die Strömung der hochviskosen Schmelze ist im Regelfall laminar.

Wird die Geschwindigkeit der Schmelze in der Matrize zu hoch kommt es zu örtlichen Turbulenzen die an der Oberfläche des Materials sichtbar sind =>

Arten von Extrudern:


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Spritzgießen: Für die Herstellung von Formteilen aus Kunststoffen stellt das

Spritzgießen das am häufigsten eingesetzte Verfahren dar. Komplexe Bauteile können sehr maßgenau mit hoher

Fertigungsgeschwindigkeit meist ohne Nacharbeit hergestellt werden. Verfahrensablauf: Unterscheidung zum Extrudieren:

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Prinzipieller Aufbau:

Umspritzen:


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Kalandrieren Das mit dem Walzen vergleichbarer Verfahren unterscheidet sich am

mesiten dadurch, dass beim Kalandrieren kein vorgeformtes Band, sondern eine Masse aufgegeben wird:

Kalandrieren dient zur Herstellung von:

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Vorteile des Kaladrierens:

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Obwohl Kalandrieren diese Vorteile hat wird dieses Verfahren wegen der hohen Anlagekosten nur für PVC und die Elastomerverarbeitung eingesetzt.

Sintern Die Herstellung von Kunststoffteilen durch Sintern ist dem

Verfahren der Pulvermetallurgie ähnlich. Granulat wird in eine Form gepresst und unter Temperatur gesintert. Anwendung bei:

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Durch Sintern verarbeitete Kunststoffe:

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Schäumen Ein hoher Anteil der Kunststoffe wird durch Schäumen berarbeitet.

Diese kommen zu folgenden Zwecken zur Anwendung:

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Prinzipiell können alle Kunststoffe geschäumt werden; das Schwergewicht jedoch liegt in der Anwendung von Polystyrol und Ployurethan.

Die Schaumbildung erfolgt dadurch, dass der Kunststoff im flüssigen oder thermoplastischen Zustand mittels Treibmittel zu gasgafüllten Zellen aufgeschäumt wird. Die Zellwände werden durch eine Polyreaktion (PUR, PF) oder durch Erstarren fest (PS)

Die Treibmittel können aufgrund physikalischer oder chemischer Wirkung arbeiten.

Schäumverfahren

• Styroporverfahren:

• Schäumbare Thermoplastschmelzen


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• Schäumbare Reaktionsflüssigkeiten

Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe - Umformen

Blasen Mit diesem Verfahren können sowohl einseitig offene Hohlkörper als

auch kontinuierlich Folien hergestellt werden. Blasfolien sind den extrudierten Folien unterlegen (Oberfläche,

Dickentoleranz)=> Warmformen Verstecken

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Skriptum Werkstoffkunde und Fertigungstechnik 2 Jahrgangtgm.1hilfe.at/files/WSFT_II.pdf · Gefügediagramm im Fe-Fe3C Diagramm . 2DHWI WERKSTOFFKUNDE UND FERTIGUNGSTECHNIK 2006/2007