Technologie der Werkstoffe

Transkript

1 Technologie der Werkstoffe

2 JürgenRuge Helmut Wohlfahrt Technologie der Werkstoffe Herstellung, Verarbeitung, Einsatz 9., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 282 Abbildungen und 62 Tabellen

3 Prof. em. Dr.-Ing. Jürgen Ruge (verst.) Prof. em. Dr.-Ing. Helmut Wohlfahrt Waldbronn, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 1972, 1979, 1983, 1987, 1989, 2001, 2002, 2007, 2013 Dieses Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Thomas Zipsner / Imke Zander Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort zur neunten Auflage Auch diese neunte, erneut überarbeitete Auflage der Technologie der Werkstoffe hat das Anliegen, anhand aufeinander abgestimmter Kapitel die vielfältigen Zusammenhänge zwischen der Herstellung und Verarbeitung der Werkstoffe und ihren Eigenschaften und Anwendungen darzustellen. Dementsprechend zeigen Kapitel über metallische, keramische und polymere Konstruktionswerkstoffe deren jeweils spezifische, herstellungs- und verarbeitungsgeprägte Eigenschaften auf sowie die daraus resultierenden typischen Anwendungsfelder. Der Leser erhält damit Hinweise zur anwendungsorientierten Auswahl von Werkstoffen und Werkstoffzuständen. Im Folgenden beschreiben Kapitel zur Herstellung und Verarbeitung von Werkstoffen die Wege zu werkstofftypischen Halbzeugen und Fertigprodukten. Dabei behalten in einem jetzt gestrafften Kapitel die Herstellungsverfahren von Roheisen und Stahl ihren Vorrang. Zur Erzeugung der Nichteisenmetalle und der nichtmetallischen Werkstoffe finden sich in den Werkstoffkapiteln kurz gefasste Ausführungen. Die spanlosen Formgebungsverfahren für Metalle und für Kunststoffe sowie die Beschichtungs- und Fügeverfahren werden in gebotener Ausführlichkeit behandelt. Kapitel zur Herstellung keramischer Werkstoffe, zur Pulvermetallurgie, zum Kugelstrahlumformen, zum Sprühkompaktieren, zum Fügen durch Umformen sowie zum Kleben von Metallen und Kunststoffen bauen diesen technologischen Schwerpunkt noch aus. Die spanenden Fertigungs- und die Trennverfahren, häufig in gesonderten Vorlesungen behandelt, bleiben auch in dieser Auflage unberücksichtigt. Einführende Kapitel zum Aufbau der Werkstoffe und zu den Möglichkeiten der Prüfung und Veränderung wichtiger Werkstoffeigenschaften, die teilweise sehr kurz gehalten sind, sollen vorab wichtige Grundlagenkenntnisse vermitteln, wie sie für das das Verständnis der speziellen Bedingungen und Abläufe technologischer Prozesse und ihrer Auswirkungen auf die Eigenschaften der Werkstoffe und Halbzeuge nötig sind. Eine umfassende, vertiefte Darstellung der Grundlagen der Werkstoffkunde ist dabei nicht möglich und beabsichtigt, sondern bleibt einschlägigen Lehrbüchern überlassen, wie sie im Kapitel Weiterführende Literatur für metallische, keramische und polymere Werkstoffe ausführlich zitiert sind. Dem raschen Voranschreiten der Normungsarbeit und der technologieorientierten Ausrichtung des Bandes entsprechend, war es das besondere Anliegen, in der neuen Auflage alle einschlägigen Normen mit jeweiliger Angabe des Erstellungsdatums auf dem V

5 VI Vorwort zur neunten Auflage heutigen neuesten Stand zu zitieren. Das Sachwortverzeichnis und die umfangreiche Zusammenstellung weiterführender Literatur, die außer werkstoff- und fertigungsorientierten Lehrbüchern auch Monographien und Handbücher zum aktuellen Wissensstand auf verschiedenen Sachgebieten enthält, wurde überarbeitet und ebenfalls aktualisiert. Damit verbunden ist der Wunsch, den Studierenden über die vorlesungsbegleitende Nutzung hinaus, auch im Gesamtstudium und in der beruflichen Praxis ein sicherer Ratgeber im Studium und bei der täglichen Arbeit zu sein. Die von den Herren Prof. Dr.-Ing. K. Dilger und Dipl.-Ing. M. Frauenhofer erarbeiteten Kapitel zum Kleben von Metallen und Kunststoffen sind wie in der 8. Auflage ausgeführt. Frau Dipl.-Des. B. Wolfrum sei ganz besonders gedankt für die gründliche Erfassung und Sichtung aller einschlägigen Normen. Dem Verlag und insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner und Frau Imke Zander vom Lektorat Maschinenbau spreche ich meinen Dank aus für die angenehme Zusammenarbeit und die hilfreiche Unterstützung bei der Drucklegung. Waldbronn/Braunschweig, im Januar 2013 Helmut Wohlfahrt

6 Vorwort zur ersten Auflage Die Werkstofftechnologie ist ein Teilgebiet der Werkstoffwissenschaften. Der Ausdruck Technologie als Begriff bedarf dabei einer neuen Definition, da er z. Z. in unterschiedlicher Bedeutung verwendet wird. Hier soll unter Werkstofftechnologie die Lehre von der Erzeugung und Verarbeitung der Werkstoffe zu Halb- und Fertigfabrikaten verstanden werden. Das Buch wendet sich in erster Linie an Studenten der Ingenieurwissenschaften und lehnt sich an eine entsprechende Vorlesung an, die vom Verfasser am Institut für Schweißtechnik und Werkstofftechnologie der TU Braunschweig gehalten wird. Der Zwang zur Stoffbegrenzung führt dazu, dass die Nichteisenmetalle trotz ihrer Bedeutung nur gestreift werden können. Da die Maschinenbaustudenten in den ersten Semestern vorwiegend mit naturwissenschaftlichen Grundlagen konfrontiert werden, hinter denen die Ingenieurwissenschaften zunächst zurücktreten müssen, wurde besonderer Wert darauf gelegt, die Fragen der Werkstofftechnologie möglichst praxisnah zu gestalten. Dies kommt insbesondere zum Ausdruck in der Behandlung der für die Massenfertigung bedeutsamen spanlosen Umformverfahren, der Gießereitechnik und der Materialprüfung. Dagegen konnten die spangebenden Umformverfahren und die Schweißtechnik nicht berücksichtigt werden. Das außergewöhnlich umfangreiche Bildmaterial soll das Verständnis für den dargebotenen Stoff erleichtern und dem Studenten unnötige Zeichenarbeit ersparen. Herrn Dr.-Ing. W. Herrnkind sowie meinen Mitarbeitern, den Herren Dipl.-Phys. H.-D. Wallheinke und H. Wösle sei für ihre Unterstützung bei Abfassung und Korrektur des Manuskriptes herzlich gedankt, desgleichen Frau G. Köter für die Anfertigung der Gefügeaufnahmen und Herrn P. Schindler für die Herstellung der zahlreichen Zeichnungen. Dem Verlag schließlich, insbesondere Herrn A. Schubert, gilt mein besonderer Dank für sorgfältige Drucklegung und angenehme Zusammenarbeit. Braunschweig, im Juli 1971 Jürgen Ruge VII

7 Inhaltsverzeichnis 1 Der Begriff Werkstofftechnologie AufbauderWerkstoffe Submikroskopische Betrachtung kristalline und nichtkristalline Strukturen Kristallisationsformen metallischer Werkstoffe [ ] Bindekräfte [2.1,2.2,2.4,2.6,2.10,2.20] Platzwechsel, Gitterstörungen, Diffusion [2.1,2.2,2.4,2.6,2.10,2.20] Mikroskopische Betrachtung Entstehung von Kristallen und Kristallgefügen Literatur Eigenschaften der Werkstoffe Ermittlung von Werkstoffeigenschaften (Werkstoffkennwerten) als Aufgabe der Werkstoffprüfung Prüfverfahren mit Zerstörung des Werkstückes Prüfung der physikalischen Eigenschaften Prüfung der mechanisch-technologischen Eigenschaften [ ] Prüfverfahren ohne Zerstörung des Werkstückes Prüfverfahren zur Ermittlung von Werkstoffeigenschaften Prüfverfahren zur Ermittlung der Werkstoffbeschaffenheit Prüfverfahren zur Fehlerdetektion Literatur Veränderung von Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe Legieren und Legierungen Struktur der Legierungen [ ] Zustandsschaubilder für Zweistofflegierungen (Binäre Systeme) Zustandsschaubilder für Dreistofflegierungen (Ternäre Systeme) Die Eisen-Kohlenstoff-Schaubilder [4.4] Wärmebehandlung von Stahl IX

8 X Inhaltsverzeichnis Ausgangsgefüge vor der Wärmebehandlung Wärmebehandlungsverfahren (DIN EN :93, [5 7, 9 11]) Thermomechanische Behandlungen Kaltverformen Versprödungserscheinungen bei Erwärmung und/oder Verformung (Alterung) Ausscheidungs- oder Abschreckalterung Verformungs- oder Reckalterung Blausprödigkeit Korngrenzenversprödung Literatur Metallische Werkstoffe Kennzeichnung metallischer Werkstoffe Kennzeichnung der Stähle durch symbolische Buchstaben und Zahlen nach DIN EN als Ersatz für DIN V /Z [ ] Kennzeichnung der Gusseisensorten (DIN EN 1560:11, [5.6]) Kennzeichnung der NE-Metalle [5.1,5.7,5.8] Werkstoffkennzeichnung durch Werkstoffnummern nach DIN EN :92 und DIN/DIN-Entwurf :63/12, [5.3] Luftfahrtnormen Stähle als Konstruktions- und Werkzeugwerkstoffe Einteilung der Stähle nach DIN EN : Weiche Stähle zum Kaltumformen Baustähle für den Stahl- und Maschinenbau,hack für Druckbehälter und Rohre [5.10, ] Unlegierte und niedriglegierte Stähle für Wärmebehandlungen [5.16] Unlegierte und legierte Stähle mit hoher Verschleißfestigkeit [5.16] Nichtrostende Chrom- und Chrom-Nickel-Stähle [ ] Stahlguss als Konstruktionswerkstoff Gusseisensorten als Konstruktionswerkstoffe Möglichkeiten der Gefügeausbildung Gusseisen mit Lamellengraphit (GG nach DIN 1691/Z oder EN-GJL nach DIN EN 1561:11) Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG nach DIN 1693/Z oder EN-GJS nach DIN EN 1563:11, [5.23]) Gusseisen mit Vermiculargraphit (GGV oder EN-GJV nach DIN EN 1560:11)

9 Inhaltsverzeichnis XI Temperguss (GT nach DIN 1692/Z oder EN-GJM nach DIN EN 1562:12) Hochlegiertes Gusseisen (DIN EN :11, DIN EN :12) Nichteisenmetalle als Konstruktions-/Funktionswerkstoffe Leichtmetalle als Konstruktionswerkstoffe [ ] Schwermetalle als Konstruktionsund Funktionswerkstoffe [5.32, ] Hartmetalle als Werkzeugwerkstoffe Literatur Nichtmetallische Werkstoffe Reine und abgewandelte Naturstoffe Keramische Werkstoffe als Konstruktions- und Funktionswerkstoffe Herstellung keramischer Werkstoffe [ ] Eigenschaften keramischer Werkstoffe (DIN EN 843, [6.4,6.6,6.10]) Arten keramischer Werkstoffe (DIN EN :09, [ ]) Polymerwerkstoffe als Konstruktions- und Funktionswerkstoffe Herstellung der Polymerwerkstoffe [6.11] Der innere Aufbau der Polymerwerkstoffe [6.15, ] Eigenschaften der Polymerwerkstoffe [3.4,6.13,6.15,6.21, ] Die wichtigsten Polymerwerkstoffe und ihre Anwendung [ ] Weichmacher (DIN EN ISO :99), Gleitmittel, Füllstoffe (DIN EN ISO :11), Antistatika [6.30] Schaumstoffe Faserverstärkte Kunststoffe (DIN , -2:94, DIN , -2:95, [ ]) Metallisieren von Polymerwerkstoffen Literatur Herstellung von Eisen und Stahl Erzeugung von Roheisen Der Hochofen Erzeugnisse des Hochofens Entwicklungen im Hochofenbau und Hochofenbetrieb Gasreduktionsverfahren zur Herstellung von Roheisen Stahlherstellung Chemische Vorgänge beim Frischen Frischverfahren Sekundärmetallurgie Produktionszahlen, Energieeinsatz, Umweltschutz, Nachhaltigkeit Vergießen von Stahl

10 XII Inhaltsverzeichnis Blockguss Strangguss [7.1,7.2, ] Literatur Verarbeitung metallischer Werkstoffe Warmformgebung Werkstoffverhalten beim Umformen [ ] Verfahren zur Warmformgebung [7.1, ] Kaltformgebung Merkmale der Kaltformgebung Verfahren der Kaltformgebung [8.15,8.16] Gießereitechnik Gusswerkstoffe und Besonderheiten beim Gießen Gießereiöfen Gießverfahren mit verlorenen Formen Gießverfahren mit Dauerformen Nachbehandlung Regeln für den Konstrukteur und Gießerei-Ingenieur Pulvermetallurgie Pulverherstellung Formen und Pressen der Pulver Brennen (Sintern) der Pulver Nachbehandlungen Sprühkompaktieren Beschichten Metallische Überzüge Nichtmetallische Überzüge Fügen von Metallen: Schweißen, Löten, Kleben, Umformen Schweißen von Metallen (DIN :08, DIN :03 [3.7, ]) Löten von Metallen (DIN :03, DIN ISO 857-2:07, [ ]) Kleben von Metallen (K. Dilger, M. Frauenhofer) [8.76, ] Fügen durch Umformen [8.4,8.76,8.86,8.87] Literatur Verarbeitung der Polymerwerkstoffe Formgebung Umformverfahren für Thermoplaste [ ] Urformverfahren für Thermoplaste [9.1, ] Umformverfahren für Duroplaste [9.1]

11 Inhaltsverzeichnis XIII 9.2 Spanen Schweißen und Kleben von Polymerwerkstoffen Schweißen von Polymerwerkstoffen (DIN :77, [ ]) Kleben von Polymerwerkstoffen (K. Dilger, M. Frauenhofer) (VDI 3821:78, [ , ]) Literatur Sachverzeichnis Zitierte Normen und Richtlinien