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Werkstoffkunde © SC 2012 IV. Werkstoffkunde Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Werkstoffen muss das geeignete Material für jedes Bauteil und Werkzeug so ausgewählt werden, dass es seine Aufgabe optimal erfüllt. Einteilung der Werkstoffe in Werkstoffgruppen Metalle Nichtmetalle Verbund- werkstoffe Eisen- werkstoffe Nichteisen- metalle Stähle Eisen- Guss- Werk- stoffe Schwer- metalle Leicht- metalle Natur- werk- stoffe Künst- liche Werk- stoffe

Werkstoffkunde - psbregenz.at · Eisenerze: Magneteisenstein Fe 3O 4 50 – 70% Eisenanteil USA, England Roteisenstein Fe 2O 3 40 – 60% Eisenanteil USA, England Brauneisenstein

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IV. Werkstoffkunde

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Werkstoffen muss

das geeignete Material für jedes Bauteil und Werkzeug so ausgewählt

werden, dass es seine Aufgabe optimal erfüllt.

Einteilung der Werkstoffe in Werkstoffgruppen

Metalle Nichtmetalle Verbund-werkstoffe

Eisen- werkstoffe

Nichteisen- metalle

Stähle Eisen-Guss-Werk-stoffe

Schwer-metalle

Leicht-metalle

Natur-werk-stoffe

Künst-liche

Werk-stoffe

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Werkstoffe Stähle:

wie Baustahl, Werkzeugstahl, Vergütungsstahl

Aus ihnen werden vor allem Maschinenteile hergestellt, die Kräfte

übertragen: Schrauben, Bohrer und Zahnräder.

Eisen- und Gusswerkstoffe:

wie Stahlguss, Gusseisen und Temperguss sind gut gießbare

Werkstoffe.

Schwermetalle (Dichte > 5 kg/dm³):

sind z. B. Kupfer, Zinn, Zink, Chrom, Nickel, Blei

Besondere Eigenschaften, z. B. Kupfer – elektrische Leitfähigkeit,

Zink, Chrom und Nickel – korrosionsbeständig.

Leichtmetalle (Dichte < 5 kg/dm³):

sind z. B. Aluminium, Magnesium, Titan

Finden vor allem im Fahrzeugbau und in der Luft- und

Raumfahrttechnik Verwendung.

Naturwerkstoffe:

sind in der Natur vorkommende Stoffe wie z. B. Hartgestein oder Holz.

Künstliche Werkstoffe:

dazu gehören: Kunststoffe, Gläser und Keramiken

Sie sind leicht, elektrisch isolierend und elastisch.

Verbundwerkstoffe:

Sind aus mehreren Werkstoffen zusammengesetzt, z. B.

glasfaserverstärkter Kunststoff.

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Roheisen-Herstellung Roheisen ist der Ausgangsstoff für die Stahl- und Gusseisenerzeugung. Eisenerze:

Magneteisenstein Fe3O4 50 – 70% Eisenanteil USA, England Roteisenstein Fe2O3 40 – 60% Eisenanteil USA, England Brauneisenstein 2 Fe2O3 H2O 30 – 50% Eisenanteil USA, D Spateisenstein FeCO3 30 – 40% Eisenanteil Österreich Vorgänge im Hochofen:

1600°C

1300°C

1000°C

800°C

200°C

Winderhitzer

Kaltluft

Heißwind 800 bis 1300°C

Gichtgas

Koks und Möller

Ofenschacht

Gestell

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Erklärung:

Ofen wird schichtweise mit Möller und Koks gefüllt.

(Möller = Gemisch aus Erz und vor allem Kalk)

Die Zuschläge schmelzen zur Schlacke.

Die teilweise Verbrennung des Koks liefert die notwendige Auf-

und Schmelzwärme.

Das entstehende Eisen nimmt Kohlenstoff auf.

Das Eisen schmilzt und sammelt sich im Gestell und wird durch den

Abstich abgelassen.

Die Schlacke schwimmt auf dem Roheisen.

Roheisen ist ein Zwischenprodukt!!!

Es wird für die Stahlherstellung weiterverarbeitet oder ist Ausgangsstoff für Eisen-Gusswerkstoffe!

Die Schlacke wird in der Bauindustrie verwendet!

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Stahl-Herstellung Roheisen enthält neben etwa 4% Kohlenstoff unerwünschte oder zu

hohe Mengen an Eisenbegleitern. Diese müssen verringert werden.

Diesen Vorgang nennt man Frischen.

Stahlherstellung nach dem LD-Verfahren:

Das LD-Verfahren ist in Linz und Donawitz

entwickelt worden und ist das weltweit

häufigste Verfahren zur Stahlherstellung.

Vorgang:

• Kippbares Stahlgefäß, das feuerfest

ausgekleidet ist.

• Sauerstoff wird durch ein wasserge-

kühltes Rohr mit 10 bar Druck auf das

flüssige Eisenbad aufgeblasen.

Reaktion des Sauerstoffs mit den

Eisenbegleitern Schmelze kocht.

• Kalk wird zugegeben bindet feste

Abbrandprodukte bindet unerwünschte

Eisenbegleiter.

• Nach 15 – 20 Minuten Blaszeit sind die

Begleitelemente des Roheisens auf das

gewünschte Maß reduziert aus

Roheisen wurde Stahl.

Roheisen

Schrott

Sauer-stoff-lanze

Zu-schläge

Schlacken-pfanne

Gieß-pfanne

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Weitere Verfahren zur Stahlherstellung

Bla

s-Ve

rfah

ren LD-Verfahren

Sauerstoff wird mit einer Lanze auf die Eisenschmelze geblasen – Vergleiche dazu den Merkstoff „Stahl-Herstellung“.

LD-AC-Verfahren Weiterentwicklung des LD-Verfahrens. Schlacke wird während des Vorgangs abgegossen und dann wird ein zweites Mal Sauerstoff auf die Eisenschmelze geblasen.

Kaldo-Verfahren Behälter rotiert während des Blasvorgangs.

OBM-Verfahren Sauerstoff wird von unten her mit Düsen in die Schmelze eingeblasen.

Her

dfris

ch-

Verf

ahre

n

Siemens-Martin-Verfahren

Elektroofen-Verfahren

Zur Herstellung von Qualitätsstahl. Die Kosten für dieses Verfahren sind sehr hoch. Daher wird dieses Verfahren kaum angewandt.

Fris

chen

in

Vaku

uman

lage

n

Gießstrahlentgasung

Umschmelzen im Vakuum-Lichtbogen

Zur Herstellung von Edelstählen. Der notwendige Druck wird durch ein Vakuum erzeugt, dadurch können unerwünschte Begleitstoffe einfach abgepumpt werden. Da der Sauerstoff-Anteil aber hoch ist, muss der Stahl anschließend durch Desoxidation nachbehandelt werden.

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Nachbehandlung des Stahls Desoxidation:

Hohlräume in Gussstücken, die nach der Erstarrung entstehen, nennt

man Lunker.

Frei werdender Sauerstoff wird durch Zusatz von Ferrosilicium oder

Aluminium gebunden, sodass keine Gasblasen entstehen.

Der Stahl erstarrt beruhigt.

Vakuumbehandlung:

Die Entgasung kann auch durch die Vakuumbehandlung erfolgen. Dabei

wird der Druck über dem flüssigen Stahl vermindert, die Gasteile

entweichen.

Umschmelzverfahren:

Mit diesem Verfahren werden lunkerfreie und reine Edelstähle erzeugt.

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Verwendung der Stähle

Baustähle Werkzeugstähle 1) Verwendung:

zur Herstellung von Maschinen, Fahrzeugen und Geräten sowie im Stahl- und Behälterbau

1) Verwendung:

Schneidwerkzeuge, Hand- und Maschinenwerkzeuge, Spritz-gussformen

2) Dazu gehören: • Allgemeine Baustähle • schweißgeeignete Feinkorn-

baustähle • Automatenstähle • Einsatzstähle • Nitrierstähle • Vergütungsstähle • Federstähle • Sonderstähle

2) Dazu gehören: • Kaltarbeitsstähle • Warmarbeitsstähle • Schnellarbeitsstähle • Hochleistungsschnellstahl

(HSS) • kobaltlegierter Schnellstahl

(HSS-E) • pulvermetallurgisch

hergestellter Schnellstahl (HSS-E-PM)

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Vergießen des Stahls Durch Vergießen erhält der Stahl die Ausgangsform für die Weiter-

verarbeitung.

Blockguss:

Flüssiger Stahl wird in Kokillen (= Gussform) gegossen. Es entsteht ein

Gussblock von ca. 1m Durchmesser.

Strangguss:

Ziel ist, beim Gießen Hohlräume zu vermeiden. Dies geschieht durch

eine kurze, beidseitig offene, wassergekühlte Kupferkokille.

Ideal für Schienen, Rohre, Drähte usw.

Pfannendrehturm Gießpfanne

Zwischenbehälter

wassergekühlte Kokille

Kühlkammer

Treib-Richtmaschine

Schneidemaschine

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Eisen- und Gusswerkstoffe Einteilung der Eisen-Gusswerkstoffe: 1) Grauguss: im Grauguss ist ein Großteil des Kohlenstoffs (C) in

Form von blättchenförmigem Grafit eingelagert.

Verwendung: Schlitten für Werkzeugmaschinen,

Getriebe- und Kurbelgehäuse 2) Hartguss: ist hart und druckfest, aber sehr spröde.

Verwendung: Verschleißteile von Putz- und

Gießereimaschinen 3) Sphäroguss: dem Sphäroguss ist kugelförmiges Grafit einge-

lagert hohe Festigkeit.

Verwendung: Zahnräder, Kurbelwellen, Rohr-

leitungen 4) Temperguss: die Werkstücke aus Temperguss werden nach dem

Gießen lange geglüht (=getempert) lässt sich gut

schmieden.

Verwendung: Fahrzeugbau (z. B.Pleuelstangen,

Lenksäulen) 5) Stahlguss: ist in Formen gegossener Stahl.

Verwendung: mechanisch hoch belastete Werk-

stücke, z. B. Gehäuse von Turbinen,

Schaufelräder

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Wärmebehandlungsverfahren Glühen: Durch die Glühbehandlung können innere Spannungen, die durch Walzen und Schmieden entstanden sind, beseitigt werden.

Wärmebehandlung: Langsames Erwärmen, Halten auf Glühtemperatur, langsames Abkühlen. Härten: Dient dazu, Stahlwerkstücke hart und verschleißfest zu machen.

Wärmebehandlung: Erwärmen, Halten auf Härtetemperatur, Abschrecken und Anlassen.

1) Erwärmen auf Härtetemperatur 2) Halten auf Härtetemperatur 3) Abschrecken 4) Anlassen: Erwärmen auf Anlass- temperatur

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Weitere Verfahren der Wärmebehandlung: Vergüten: Das Werkstück erhält eine große Festigkeit und Zähigkeit.

Verwendung: Wellen, Zahnräder und Schrauben. Randschichthärten: Werkstück rasch Erwärmen und sofort Abschrecken. Tiefer liegende Werkstückbereiche bleiben ungehärtet.

Verwendung: Wellen und Bolzen. Einsatzhärten: Kohlenstoffarmer Stahl wird an der Randschicht mit C angereichert, und ergibt einen zähen Kern und eine gehärtete Randschicht.

Verwendung: Wellen, Zahnräder, Bolzen, Zapfen. Nitrieren: Anreicherung mit Stickstoff zur Härtesteigerung und Erhöhung der Verschleißfestigkeit.

Verwendung: Wellen, Zahnräder, Bolzen, Zapfen.

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Legierungs- und Begleitelemente Als Legierung bezeichnet man die Vereinigung eines Metalls (=Grund-

metall) mit einem oder mehreren metallischen oder nichtmetallischen

Elementen.

Verbesserung bestimmter Eigenschaften des Grundmetalls! Legierungselemente sind absichtlich zugesetzte Elemente, un-

erwünschte Elemente (=Verunreinigungen) nennt man Begleitelemente.

Wir unterscheiden zwischen

• Legierungen mit Nichtmetallen (z. B. mit Kohlenstoff, Stickstoff,

Schwefel oder Phosphor…)

• Legierungen mit Nichteisenmetallen (z. B. mit Aluminium, Kupfer,

Magnesium…).

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Nichteisenlegierungen Durch Legieren lassen sich die Eigenschaften des Grundmetalls gezielt

verbessern bzw. man erzielt neue Eigenschaften.

Einteilung der Nichteisenmetall-Legierungen:

Gusslegierungen

Knetlegierungen

Chemische Symbole:

Metalle: Al Aluminium Cu Kupfer

Mg Magnesium Ni Nickel

Pb Blei Sn Zinn

Zn Zink

Edelmetalle: Ag Silber Au Gold

Pt Platin

Legierungsmetalle: Wolfram (W), Kobalt (Co), Chrom (Cr),

Cadmium (Cd)...

Umwelt!

Schwermetalle, wie Cadmium, Blei und Quecksilber

gefährden die Gesundheit der Menschen, wenn sie

in feinstofflicher Form in die Luft, den Boden oder in

das Wasser gelangen!

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Aluminium

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Kupfer

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Titan

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Magnesium

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Korrosionsarten 1) Definition:

a) Korrosion = Angriff und Zerstörung metallischer Werkstoffe

b) korrosive Mittel sind Stoffe, die die Korrosion begünstigen, z. B. Wasser, Chemikalien, Raumluft

2) Arten:

a) Elektrochemische Korrosion

Elektrochemische Korrosion feuchter Stahloberflächen:

In feuchten Räumen oder bei feuchter Witterung wird die

Oberfläche von Metallbauteilen mit einem Film überzogen. Die

ganze Stahloberfläche wird dadurch zerfressen.

Elektrochemische Korrosion an Korrosionselementen:

Die Korrosion beruht auf denselben Vorgängen, die in einem

galvanischen Element ablaufen:

• Besteht aus zwei Elektroden mit unterschiedlichen

Metallen, die sich in einer elektrisch-leitenden Flüssigkeit

(=Elektrolyt) befinden.

• Das unedlere Metall löst sich und wird korrodiert.

• Es herrscht eine kleine Spannung, die von der Größe des

Werkstoffes abhängt.

Mg – Al – Mn – Zn – Cr – Fe – Cd – Co – Ni – Sn – Pb – Cu unedel edel

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b) Chemische Korrosion

Bei der chemischen Korrosion reagiert der Werkstoff direkt mit

dem angreifenden Stoff, ohne Mitwirkung von Wasser.

Hochtemperaturkorrosion: Diese Korrosion tritt z. B. beim

Schmieden, beim Glühen und beim Härten von Werkstücken

auf.

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Korrosionsschutz Gezielte Werkstoffauswahl: Unlegierte Stähle, niedriglegierte Stähle

wenig korrosionsbeständig, ohne Schutz nur in trockenen Räumen beständig

Nichtrostender Stahl im Allgemeinen korrosionsbeständig, Gefahr nur durch aggressive Chemi-kalien

Aluminium, Aluminiumlegierungen im Allgemeinen gut korrosionsbeständig, Ausnahme: Cu-haltige Al-Legierungen

Kupfer, Cu-Legierugen sehr gut beständig, besonders Ni-haltige Cu-Legierungen

korrosionsschutzgerechte Konstruktion:

• Vermeidung von Kontaktkorrosionsstellen durch gleiche Werkstoffe

in einer Bauteilgruppe, andernfalls durch Isolierzwischenschichten.

• Vermeidung von Spalten z. B. durch Verwendung

Schweißverbindungen statt Schraubverbindungen

• Schaffung möglichst glatter Oberflächen durch Abschleifen oder

Polieren.

• Ausschluss von Spannungsspitzen im Bauteil durch Vermeidung

von scharfkantigen Kerben oder schroffen Übergängen.

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Korrosionsschutz während der spanenden Fertigung: Gleich nach der Fertigung muss das mit dem Kühlschmierstoff dem

Werkstoff anhaftende Wasser entfernt werden. Dies geschieht durch

Tauchen in Korrosionsschutzöl.

Korrosionsschutz auf Eisen-Werkstoffen: Je nach den erforderlichen Eigenschaften der zu schützenden

Werkstückoberflächen und den angreifenden korrosiven Stoffen kommen

unterschiedliche Beschichtungen zum Einsatz:

Korrosionsschutz blanker Stahlteile:

Geschliffene oder polierte Flächen werden eingeölt oder eingefettet

(Korrosionsschutzöl oder Korrosionsschutzfett), wie z. B. bei

Gleitbahnen, Spindeln, Zahnräder, aber auch Messwerkzeugen.

Korrosionsschutz durch chemische Oberflächenbehandlung:

Beim Brünieren entstehen durch Tauchen in heiße Salzbäder

tiefschwarze Eisenoxidschichten, die anschließend mit

Korrosionsschutzöl behandelt werden (Anwendung z. B. bei

Werkzeugen. Zum Phosphatieren wird das Stahlbauteil in ein heißes

Zinkphosphat-Bad getaucht. Dadurch entsteht nicht nur ein

Korrosionsschutz, sondern auch ein korrosionsmindernder Haftgrund

für Anstriche, wie z. B. bei PKW-Karosserien.

Korrosionsschutzanstriche: Korrosionsschutzanstriche werden z. B. auf Maschinengehäusen, Blechverkleidungen oder Stahlkonstruktionen angebracht. Die zusammenhängende Schicht schützt das Bauteil meist für viele Jahre vor dem Kontakt mit der Umgebung. Das Aufbringen des Schutzanstriches kann durch Streichen, Spritzen oder Tauchen erfolgen.

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Korrosionsschutz auf Aluminium-Werkstoffen:

Die natürliche Korrosionsbeständigkeit des Aluminiums kann durch

anodische Oxidation zusätzlich verbessert werden. Dazu wird das

Bauteil als Anode in ein Schwefelsäure-Elektrolyse-Bad gehängt. Auf

dem Aluminium bildet sich eine harte, korrosionsbeständige, fest

haftende Oxidationsschicht aus Al203. Diese ungefähr 20 µm

(Nanometer) dicke Eloxalschicht ist durchscheinend, sodass das

Aluminium seinen ursprünglichen Glanz behält.

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Kunststoffe Kunststoffe sind synthetisch erzeugte, organische Werkstoffe (aus Rohstoffen wie z. B. Erdöl). Eigenschaften: Günstige Eigenschaften: Ungünstige Eigenschaften:

• geringe Dichte • elektrisch isolierend • wärmedämmend • gut umformbar und bearbeitbar • einfärbbar • korrosionsbeständig

• keine hohe Festigkeit • z. T. unbeständig gegen

Lösungsmittel • geringe Wärmebeständigkeit • z. T. brennbar • Problemmüll, da nur teilweise

wiederverwertbar (Recycling) Einteilung der Kunststoffe: 1) Thermoplaste: Sie sind warm umformbar und schweißbar

• Polyethylen (PE) • Polypropylen (PP) • Polystrol (PS) • Polyvinylchlorid (PVC)

2) Duroplaste: Sie sind unschmelzbar, nicht schweißbar, nicht verformbar, unlösbar

• Phenolharz (PF) • Melaminharz (MF) • Harnstoffharz (UF) • ungesättigte Polyesterharze (UP) • Epoxitharze (EP) • Silikonharze (SI)

3) Elastomere: Sind gummiartige Kunststoffe, z. B. für Fahrzeugreifen, Schläuche, Gummifedern...

• Synthesekautschuk