werkstoffkunde - psbregenz.at · eisenerze: magneteisenstein fe 3o 4 50 – 70% eisenanteil usa,...
Post on 17-Oct-2019
0 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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 © SC 2012
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 © SC 2012
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
Werkstoffkunde © SC 2012
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!
Werkstoffkunde © SC 2012
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
Werkstoffkunde © SC 2012
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.
Werkstoffkunde © SC 2012
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.
Werkstoffkunde © SC 2012
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)
Werkstoffkunde © SC 2012
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
Werkstoffkunde © SC 2012
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
Werkstoffkunde © SC 2012
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
Werkstoffkunde © SC 2012
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.
Werkstoffkunde © SC 2012
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…).
Werkstoffkunde © SC 2012
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!
Werkstoffkunde © SC 2012
Aluminium
Werkstoffkunde © SC 2012
Kupfer
Werkstoffkunde © SC 2012
Titan
Werkstoffkunde © SC 2012
Magnesium
Werkstoffkunde © SC 2012
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
Werkstoffkunde © SC 2012
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.
Werkstoffkunde © SC 2012
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.
Werkstoffkunde © SC 2012
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.
Werkstoffkunde © SC 2012
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.
Werkstoffkunde © SC 2012
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
top related