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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

Eisenwerkstoffe

Stähle

EisenGussWerkstoffe

Nichtmetalle

Nichteisenmetalle

Schwermetalle

Leichtmetalle

Naturwerkstoffe

Werkstoffkunde

Verbundwerkstoffe

Künstliche Werkstoffe

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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. Werkstoffkunde

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Roheisen-Herstellung Roheisen ist der Ausgangsstoff für die Stahl- und Gusseisenerzeugung. Eisenerze: Magneteisenstein Roteisenstein Brauneisenstein Spateisenstein

Fe 3O4 Fe 2O3 2 Fe 2O 3 H 2O FeCO3

50 – 70% 40 – 60% 30 – 50% 30 – 40%

Eisenanteil Eisenanteil Eisenanteil Eisenanteil

USA, England USA, England USA, D Österreich

Vorgänge im Hochofen:

Koks und Möller

Winderhitzer Gichtgas 200°C

800°C

Ofenschacht

1000°C

1300°C

Kaltluft

Werkstoffkunde

Heißwind 800 bis 1300°C

1600°C

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 Aufund 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!

Werkstoffkunde

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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. Roheisen

Stahlherstellung nach dem LD-Verfahren: Das LD-Verfahren ist in Linz und Donawitz entwickelt worden und ist das weltweit häufigste Verfahren zur Stahlherstellung.

Schrott

Vorgang: Sauerstofflanze

Zuschläge

• Kippbares

Stahlgefäß,

das

feuerfest

ausgekleidet ist. • Sauerstoff

wird

durch

ein

wasserge-

kühltes Rohr mit 10 bar Druck auf das flüssige

Eisenbad

Reaktion

des

aufgeblasen.

Sauerstoffs

mit



den

Eisenbegleitern  Schmelze kocht. • Kalk wird zugegeben Abbrandprodukte





bindet feste

bindet unerwünschte

Eisenbegleiter. Schlackenpfanne

• Nach 15 – 20 Minuten Blaszeit sind die Begleitelemente des Roheisens auf das gewünschte

Maß

reduziert



aus

Roheisen wurde Stahl.

Gießpfanne

ku

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Frischen in Vakuumanlagen

HerdfrischVerfahren

Blas-Verfahren

Weitere Verfahren zur Stahlherstellung

Kaldo-Verfahren

Sauerstoff wird mit einer Lanze auf die Eisenschmelze geblasen – Vergleiche dazu den Merkstoff „Stahl-Herstellung“. Weiterentwicklung des LD-Verfahrens. Schlacke wird während des Vorgangs abgegossen und dann wird ein zwe ites Mal Sauerstoff auf die Eisenschmelze geblasen. Behälter rotiert während des Blasvorgangs.

OBM-Verfahren

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

LD-Verfahren LD-AC-Verfahren

Siemens-Martin-Verfahren Elektroofen-Verfahren

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

Zur Herstellung von Edelstählen.

Gießstrahlentgasung Umschmelzen im VakuumLichtbogen

Werkstoffkunde

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: 1) Verwendung: zur Herstellung von Maschinen, Schneidwerkzeuge, Hand- und Fahrzeugen und Geräten sowie Maschinenwerkzeuge, Spritzim Stahl- und Behälterbau gussformen 2) Dazu gehören: • Allgemeine Baustähle • schweißgeeignete Feinkornbaustähle • Automatenstähle • Einsatzstähle • Nitrierstähle • Vergütungsstähle • Federstähle • Sonderstähle

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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 Weiterverarbeitung. Pfannendrehturm

Gießpfanne

Zwischenbehälter Treib-Richtmaschine Kühlkammer

wassergekühlte Kokille

Schneidemaschine

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.

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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 eingelagert  hohe Festigkeit. Verwendung: Zahnräder, Kurbelwellen, Rohrleitungen

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 Werkstücke, 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, Abkühlen.

Halten

auf

Glühtemperatur,

langsames

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 Anlasstemperatur

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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 (=Grundmetall) 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 Edelmetalle:

Legierungsmetalle:

Ag

Silber

Pt

Platin

Zink Au

Gold

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

Werkstoffkunde

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 wenig korrosionsbeständig, ohne Stähle 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 Nihaltige 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,

Korrosionsschutzöl

behandelt

werden

die

anschließend

(Anwendung

z.

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

Ungünstige Eigenschaften: • 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 Polypropylen Polystrol Polyvinylchlorid

(PE) (PP) (PS) (PVC)

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

Phenolharz Melaminharz Harnstoffharz ungesättigte Polyesterharze Epoxitharze Silikonharze

(PF) (MF) (UF) (UP) (EP) (SI)

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

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