Fertigungstechnik FET Version 1.27

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2 1 Grundbegriffe Wie groß, wie lange, wie schwer ist etwas? Einheiten Werkstoffe Einteilung Stähle Eisen-Gusswerkstoffe Schwermetalle Leichtmetalle Künstliche Werkstoffe Verbundwerkstoffe Herstellung Auswahl und Eigenschaften Werkstoffauswahl Physikalische Eigenschaften Dichte Schmelzpunkt (Schmelztemperatur) Elektrische Leitfähigkeit Thermische Längenausdehung Mechanisch-technologische Eigenschaften Zähigkeit Sprödigkeit Härte Zugfestigkeit, Streckgrenze, 0,2%-Dehngrenze Fertigungstechnische Eigenschaften Gießbarkeit Umformbarkeit Zerspanbarkeit Schweißbarkeit Härtbarkeit Chemisch-technologische Eigenschaften Das Bezeichnungssystem für Stähle Namen und chemische Symbole der Legierungselemente für Stähle Kurznamen nach Verwendungszweck und Eigenschaften Kurznamen nach der chemischen Zusammensetzung Unlegierte Stähle mit einem Mangangehalt < 1% Legierte Stähle, wenn der Gehalt jedes Legierungselementes < 5% ist Legierte Stähle, wenn der Gehalt eines Legierungselementes > 5% ist Schnellarbeitsstähle Wiederholung mit Beispielen Das Bezeichnungssystem für Eisen-Gusswerkstoffe Gusseisen mit Lamellengrafit (EN-GJL) Gusseisen mit Kugelgrafit (EN-GJS) Temperguss (EN-GJMW und EN-GJMB) Stahlguss Handelsformen der Stähle Toleranzen und Passungen tolerances and fits Maßtoleranzen Allgemeintoleranzen Frei gewählte Toleranzen und Toleranzen nach DIN ISO Lage und Größe der Toleranzfelder Besondere Lagen der Toleranzfelder: H, h, JS und js

3 2.7.2 Passungen System Einheitsbohrung: System Einheitswelle: Passungsauswahl nach DIN Angaben in der Zeichnung Formtoleranzen Lagetoleranzen Angaben in der Zeichnung (für Form- und Lagetoleranzen) Rauheitstoleranzen Mittenrauwert Ra Gemittelte Rautiefe Rz Rz oder Ra? Angaben in der Zeichnung Kann man jeden Ra-Wert nehmen? Wärmebehandlung der Stähle Gefügearten der Eisenwerkstoffe Das Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm (Fe-C-Diagramm) Glühen Härten, Anlassen und Vergüten Härten Anlassen Vergüten Temperaturbereiche für Härten und Anlassen Temperaturverlauf beim Härten und Anlassen (Vergüten) Beispiel: Vergüten eines Körners Vom Eisenerz zum Roheisen Vom Eisen zum Stahl Umweltproblematik der Werk- und Hilfsstoffe Auswahl von Werk- und Hilfsstoffen Energieverbrauch und Umweltbelastung bei der Werkstoffherstellung

4 Fertigungstechnik Einteilung Werkstoffe Messtechnik Fertigung Maschinen und Geräte Verwendung, Bezeichnung, Herstellung Grundlagen, Verfahren zum Prüfen von Längen, Toleranzen, Oberflächen Verfahren zur Herstellung von Teilen Einteilung, Anwendungen 1 Grundbegriffe 1.1 Wie groß, wie lange, wie schwer ist etwas? Was sind physikalische Größen? Das sind Begriffe zum Beschreiben von Eigenschaften oder Zuständen. Wir kennen sie aus dem Alltag: Länge, Druck, Temperatur, Zeit Wie beschreiben wir physikalische Größen? Wir sagen z.b. Die Bank ist lang, Das Motorrad fährt schnell, Das Essen ist sehr heiß, Draußen ist es kalt usw. Damit weiß man ungefähr, was gemeint ist. 1.2 Einheiten Spannung: -2 N Nmm entspricht mm 2 4

5 2 Werkstoffe 2.1 Einteilung Stähle sind Eisen-Werkstoffe mit hoher Festigkeit. Aus ihnen werden vor allem Maschinenteile hergestellt, welche hohe Kräfte aufnehmen und übertragen müssen: z.b. Schrauben, Bolzen, Zahnräder, Profile, Wellen Eisen-Gusswerkstoffe sind Eisen-Werkstoffe, welche gut vergießbar sind. z.b. Maschinengehäuse Schwermetalle 3 Dichte 5 kg dm Sie haben meist bestimmte Eigenschaften wie gute elektrische Leitfähigkeit (z.b. Kupfer Cu). Chrom und Nickel werden als Legierungselemente für die Herstellung von Stahl verwendet, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern Leichtmetalle 3 Dichte 5 kg dm Leichte Werkstoffe mit zum Teil hoher Festigkeit. Sie werden vor allem im Fahrzeugbau verwendet. 5

6 2.1.5 Künstliche Werkstoffe Kunststoffe: Sehr vielseitige Verwendung Keramik: Hart und verschleißfest, z.b. für Schneidplatten Verbundwerkstoffe Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK): Hartmetalle: Hochfest, zäh-elastisch, leicht Für Schneidstoffe 2.2 Herstellung Die metallischen Werkstoffe kommen in der Erdkruste in Erzen vor. Aus diesen werden sie durch verschiedenste Verfahren in reiner Form gewonnen. Geliefert werden die Metalle in Form von Halbzeugen, also als Profile (U-Profil, I-Profil, ) und als Bleche. Daraus werden dann mit Hilfe verschiedener Maschinen die wirklichen Werkstücke gefertigt. Die Naturwerkstoffe wie Holz werden direkt aus der Natur entnommen, die Halbzeuge wie Bretter, Balken werden z.b. in Sägewerken hergestellt. Für die Kunststoffe ist der Grundstoff Erdöl. 2.3 Auswahl und Eigenschaften Werkstoffauswahl Jedes Bauteil einer Maschine unterliegt im Betrieb gewissen Beanspruchungen. Beispiel Bohrmaschine: Bauteil Anforderung geeigneter Werkstoff z.b. Zahnräder: Hohe Festigkeit Vergütungsstahl Bohrer: Große Härte gehärteter Werkzeugstahl Riemen: Elastizität, Festigkeit Kunststoff mit Stahldrahteinlage Gehäuse: schwierige Form, Dämpfung Eisen-Gusswerkstoff Ausgewählt wird der Werkstoff, der die Funktion des Bauteils und die technischen Anforderungen am besten erfüllt dessen Fertigungskosten und Werkstoffpreis am günstigsten sind bei Fertigung und nach Gebrauch die Umwelt möglichst wenig belastet Oft lassen sich natürlich nicht alle Forderungen gleichzeitig gut erfüllen, man muss den besten Kompromiss suchen Physikalische Eigenschaften Dichte Über die Dichte eines Stoffes lässt sich aus dem Volumen die Masse errechnen. 6

7 Es gilt folgende Formel:!! m V Masse Volumen Dichte Einheiten: kg m kg dm 3 3 Masse: kg, g Volumen: m,mm Dichte, 3 3 Beispiele: Schmelzpunkt (Schmelztemperatur) Elektrische Leitfähigkeit Gute elektrische Leiter: Isolierwerkstoffe (leiten keinen Strom): Silber, Kupfer, Aluminium Kunststoffe, Keramik, Glas Thermische Längenausdehung Darunter versteht man die Eigenschaft aller festen Stoffe, sich bei steigender Temperatur auszudehnen. Unterschiedliche Werkstoffe werden bei gleicher Temperatur-Steigerung unterschiedlich länger Mechanisch-technologische Eigenschaften Zähigkeit Als zäh bezeichnet man einen Werkstoff, der sich elastisch-plastisch verformen lässt, dieser Verformung aber einen großen Widerstand entgegensetzt. Beispiele für zähe Werkstoffe: Baustähle oder die nichtrostenden Stähle Sprödigkeit Als spröde bezeichnet man einen Werkstoff, wenn er bei schlagartiger Beanspruchung in Bruchstücke zerspringt. 7

8 Beispiele für spröde Werkstoffe: Keramiken, Glas, unsachgemäß gehärteter Stahl Härte Als hart bezeichnet man einen Werkstoff, wenn er dem Eindringen eines Prüfkörpers einen großen Widerstand entgegensetzt. Beispiele für harte Werkstoffe: Gehärteter Stahl, Hartmetalle, keramische Werkstoffe Zugfestigkeit, Streckgrenze, 0,2%-Dehngrenze Um die Festigkeit verschiedener Werkstoffe vergleichen zu können, fertigt man aus ihnen Stäbe mit einem runden Querschnitt und untersucht, bei welcher Zugkraft diese reißen. Man vergleicht nicht die Zugkraft, sondern die Spannung:!! Z F S0 Einheiten: 2 Kraft: N Querschnitt: mm Zugspannung mm 2 N Bei der Zugbelastung eines Stabes macht man folgende Beobachtung: Zunächst dehnt sich der Stab. Bis zu einer gewissen Belastung geht der Stab wieder auf seine ursprüngliche Länge und Form zurück, wenn die Belastung weggenommen wird. Erhöht man die Belastung darüber hinaus, so verformt sich der Stab zunächst bleibend (die Verformung geht bei Entlastung nicht mehr zurück) und schließlich bricht er. Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Daraus werden die beiden folgenden wichtigen Größen abgeleitet:!! 8

9 Streckgrenze R e : Zugfestigkeit R m : Die Zugspannung, bis zu welcher der Werkstoff elastisch bleibt Die Zugspannung, bei welcher der Werkstoff reißt. Beispiel: -2-2 Der Stahl S235JR hat eine Streckgrenze R 235 Nmm und eine Zugfestigkeit R 360 Nmm. e m Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Beim Zugversuch unterscheidet man Materialien mit ausgeprägter Streckgrenze R e wie den Stahl S235JR. 9

10 Die beiden Werte R m und R e sind sehr wichtig und klar zu unterscheiden, da sie je nach Beanspruchungsart als Basis für die zulässigen Spannungen genommen werden. Bei Werkstoffen, die keine sehr ausgeprägte Streckgrenze haben (siehe das folgende Spannungs- Dehnungs-Diagramm einer Aluminium-Legierung), hat man als Ersatz für die Streckgrenze die sogenannte 0,2%-Dehngrenze eingeführt. Das ist die Spannung, bei der eine bleibende Dehnung von 0,2% auftritt. l Längenänderung l Längenänderung, in %: 100 l ursprüngliche Länge l ursprüngliche Länge 0 0 Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Für die 0,2%-Dehngrenze hat man folgendes Symbol eingeführt: R p0,2 10

11 2.3.4 Fertigungstechnische Eigenschaften Gießbarkeit Die Gießbarkeit ist gegeben, wenn der Werkstoff eine dünnflüssige Schmelze bildet, welche die Gussform gut ausfüllt und beim Erstarren keine Hohlräume bildet. Gut gießbar sind z.b. die verschiedenen Gusseisensorten und Aluminium-Gusslegierungen Umformbarkeit Die Umformbarkeit ist die Fähigkeit eines Werkstoffes, sich unter Krafteinwirkung durch plastische Verformung zu einem Werkstück formen zu lassen. Beispiele: Schmieden, Walzen, Tiefziehen Gut umformbar: z.b. kohlenstoffarme Stähle Nicht umformbar: Eisen-Gusswerkstoffe Zerspanbarkeit Zerspanbarkeit liegt vor, wenn ein Werkstück mit spanenden Verfahren wie Drehen, Fräsen oder Schleifen gefertigt werden kann. Die meisten metallischen Werkstoffe sind gut zerspanbar Schweißbarkeit Die Schweißbarkeit beschreibt die Eignung eines Werkstoffes für das Schweißen (Verbinden zweier Werkstücke durch lokales Schmelzen und nachfolgendes Erstarren). Gut schweißbar sind unlegierte und niedrig legierte Stähle Härtbarkeit Die Härtbarkeit eines Werkstoffes ist die Fähigkeit, durch eine gezielte Wärmebehandlung eine Steigerung seiner Härte und Festigkeit zu erlangen Chemisch-technologische Eigenschaften Die wichtigste dieser Eigenschaften ist die Korrosionsbeständigkeit, der Widerstand gegen Rosten. Darauf muss besonders geachtet werden, wenn die Werkstoffe aggressiven Medien und hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Nicht korrosionsbeständig an feuchter Luft oder Industrieatmosphäre sind unlegierte oder niedrig legierte Stähle sowie Gusseisen: Sie rosten. Korrosionsbeständig sind z.b. die nichtrostenden Stähle sowie viele Kupfer- und Aluminium- Werkstoffe. 11

12 2.4 Das Bezeichnungssystem für Stähle Namen und chemische Symbole der Legierungselemente für Stähle Kurznamen nach Verwendungszweck und Eigenschaften Die Kurznamen geben Hinweise auf den Verwendungszweck und die mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Sie werden aus Haupt- und Zusatzsymbolen zusammengesetzt. Hauptsymbole: 2 Kennbuchstabe und Streckgrenze in Nmm Kennbuchstabe Einsatzzweck Merkregel S Stähle für den Stahlbau S wie Stahlbau E Maschinenbau E wie engineering (Englisch: Maschinenbau) R Stähle für Schienen R wie rails (Englisch: Schienen) P Stähle für Druckbehälter P wie pressure (Englisch: Druck) L Stähle für Leitungsrohre L wie Leitung usw. Stähle für den Stahlbau (Kennbuchstabe S, Beispiele S235, S355J2) werden zu Profilen und Stabstählen warm gewalzt. Beispiele für Schienenstähle: Mindestzugfestigkeit Bezeichnung Bemerkung 680 Nmm -2 R 200 Kohlenstoff-Mangan-Stahl (C-Mn) 1080 Nmm -2 R 320 Cr Legierter Stahl (1% Cr) 12

13 Zusatzsymbole: Davon gibt es 2 Gruppen. Gruppe 1 enthält für die unlegierten Stähle Symbole für die Kerbschlagzähigkeit. Symbol JR JO J2 geprüfte Kerbschlagzähigkeit bei 20 C 0 C 20 C Gruppe 2 bezeichnet besondere Eigenschaften, z.b. die besondere Eignung eines Stahles zum Kaltumformen. C besonders kaltumformbar L für tiefe Temperaturen W wetterfest Die Kerbschlagzähigkeit ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen schlagartige (dynamische) Beanspruchung. Eine gekerbte Probe wird von einem herabfallenden Pendelhammer durchschlagen. Wie weit der Pendelhammer nach dem Durchschlagen der Probe nach oben geht, ist ein Maß für die Kerbschlagzähigkeit. Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Beispiele: S235 2 Stahl für Stahlbau mit einer Streckgrenze R e von 235 Nmm S235JR wie S235, aber mit bestimmter, bei 20 Celsius geprüfter Kerbschlagzähigkeit S355J2W 2 Stahl für Stahlbau mit einer Streckgrenze R e von 355 Nmm, mit bestimmter, bei 20 Celsius geprüfter Kerbschlagzähigkeit, wetterfest. E295 2 unlegierter Stahl für Maschinenbau mit einer Streckgrenze R e von 295 Nmm Wetterfest : Durch Zusatz bestimmter Legierungselemente wird erreicht, dass solche Stähle im Freien auch dann nicht rosten, wenn sie nicht lackiert werden. 13

14 2.4.3 Kurznamen nach der chemischen Zusammensetzung Vier Gruppen: Unlegierte Stähle mit einem Mangangehalt < 1% Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Bei einigen Zusatzsymbolen ist in Klammer eine Merkregel für den verwendeten Buchstaben angegeben. Beispiele: C35E Unlegierter Stahl ( C ) mit Mangangehalt < 1%, C-Gehalt 0,35% und einem vorgeschriebenen maximalen Schwefelgehalt ( E ), etwa bis 0,01%. Diese Stähle werden z.b. als Vergütungsstähle verwendet. Vergüten ist eine Wärmebehandlung zum Erzeugen besonders hoher Festigkeit und zugleich Zähigkeit. Streckgrenze R p0,2 ab 320 N/mm - ² Zugfestigkeit R m ab 550 N/mm - ² C45U Unlegierter Stahl ( C ) mit Mangangehalt < 1%, C-Gehalt 0,45% zur Verwendung für Werkzeuge ( W ) Streckgrenze R p0,2 ab 370 N/mm - ² Zugfestigkeit R m ab 630 N/mm - ² Legierte Stähle, wenn der Gehalt jedes Legierungselementes < 5% ist Schnellarbeitsstähle fielen auch in diese Gruppe, werden aber anders bezeichnet. Der Kurzname besteht aus: Kennzahl für den 100fachen Kohlenstoffgehalt den chemischen Symbolen der Legierungselemente (direkt aneinander geschrieben) den mit Faktoren multiplizierten Gehalten der Legierungselemente (durch Bindestriche getrennt) Die Gehalte der einzelnen Legierungselemente werden gemäß nebenstehender Tabelle mit verschiedenen Faktoren multipliziert. Dies hat den Zweck, vernünftig große Zahlen für die Bezeichnung zu erhalten. Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel 14

15 Beispiele: 16MnCr5 115CrV3 Legierter Stahl mit 0,16% C und 1,25% Mn. Der Cr-Gehalt ist nicht angegeben. Aus Tabelle Multiplikationsfaktoren: C-Gehalt: 16/100=0,16, Mn-Gehalt: 5/4=1,25 Streckgrenze R p0,2 ab 440 N/mm - ² Zugfestigkeit R m ab 640 N/mm - ² Legierter Stahl mit 1,15% C und 0,75% Cr. Der V-Gehalt ist nicht angegeben. Aus Tabelle Multiplikationsfaktoren: C-Gehalt: 115/100=1,15, Cr-Gehalt: 3/4=0, Legierte Stähle, wenn der Gehalt eines Legierungselementes > 5% ist Der Kurzname besteht aus: Kennbuchstaben X für hochlegierte Stähle Kennzahl für den 100fachen Kohlenstoffgehalt den chemischen Symbolen der Legierungselemente (direkt aneinander geschrieben) den direkt in Prozent angeschriebenen Gehalten der Legierungselemente (durch Bindestriche getrennt) Beispiele: X10CrNi18-8 X210CrW12 Legierter Stahl mit 0,1% C, 18% Cr und 8% Ni. Streckgrenze R p0,2 z.b. 400 N/mm - ² Zugfestigkeit R m z.b. 710 N/mm - ² Legierter Stahl mit 2,1% C und 12% Cr. Der W-Gehalt ist nicht angegeben Schnellarbeitsstähle Der Kurzname besteht aus: den Kennbuchstaben HS für Schnellarbeitsstähle den Gehalten der Legierungselemente (Reihenfolge W, Mo, V, Co), direkt in Prozent, durch Bindestriche getrennt Beispiel: HS Schnellarbeitsstahl mit 6%W, 5% Mo, 2% V und 5 % Co Bemerkung: HS kommt von high speed. HS-Werkstoffe werden hauptsächlich in der spanenden Fertigung auf Werkzeugmaschinen als Schneidstoff für Werkzeuge verwendet. Gegenüber modernen Hartmetall- oder Keramik-Schneidplatten sind die Schnittgeschwindigkeiten bei HS-Werkzeugen zwar niedriger, aber sie sind unempfindlicher gegen Stöße und Schwingungen, die bei den härteren Schneidwerkstoffen teils oft zu Brüchen (z. B. an der Schneide) führen. HS-Bohrer: Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel 15

16 2.4.4 Wiederholung mit Beispielen Wie merkt man sich die Bezeichnungen am besten? 1. Buchstabe X hoch legierter Stahl X38CrMoV5-3 X210CrW12 0,38% C, 5% Cr, 3% Mo 2,1% C, 12% Cr Fängt mit 2-stelliger Zahl an niedrig legierter Stahl Tabelle mit Faktoren! Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Faktor 4 zum Merken z.b. CroCoManNiSiWo-4 Al, Cu, Mo, Pb, Ta, Ti, V Faktor 10 zum Merken z.b. AlCuMoPebeTaTiVa Cr3 0,17% C, 0,75% Cr (Faktor 4) 32CrMoV5-3 0,32% C, 1,25% Cr, 0,3% Mo (Faktoren 4 Cr, 10 Mo) 1. Buchstabe C unlegierter Stahl C80U C35E C45S 0,8% C für Werkzeuge 0,35% C maximaler Schwefelgehalt vorgeschrieben 0,45% C für Federn Fängt mit einem Buchstaben außer C und X an Stahl nach Verwendungszweck und Eigenschaften S275JO E335W Stahlbau, R e = 275 Nmm -2, geprüfte Kerbschlagzähigkeit bei 0 C Maschinenbau, R e = 335 Nmm -2, wetterfest 2.5 Das Bezeichnungssystem für Eisen-Gusswerkstoffe Gusseisen mit Lamellengrafit (EN-GJL) Gusseisen mit Lamellengrafit (Grauguss): Ein Großteil des Kohlenstoffs ist als mikroskopisch feiner, blättchenförmiger Grafit im Gefüge eingelagert. C-Gehalt: Ca. 2,5% bis 3,7% Eigenschaften: Gute Gleiteigenschaften, leichte Zerspanbarkeit, gute Schwingungsdämpfung, gut vergießbar. Festigkeit begrenzt, Zähigkeit gering. Druckfestigkeit etwa 4x so groß wie Zugfestigkeit. Verwendung: Ständer und Schlitten für Werkzeugmaschinen, Getriebe- und Kurbelgehäuse 16

17 Bezeichnung Entweder nach der Zugfestigkeit oder nach der Brinellhärte in jeweils 6 Stufen: EN-GJL-100 Grauguss (Gusseisen mit Lamellengrafit), Zugfestigkeit R m =100 Nmm -2 EN-GJL-150, EN-GJL-200, EN-GJL-HB 155 Grauguss (Gusseisen mit Lamellengrafit), Brinellhärte 155 EN-GJL-HB 175, EN-GJL-HB 195, Gusseisen mit Kugelgrafit (EN-GJS) Sphäroguss (Sphäroguss): Der Kohlenstoff ist als kugelförmiger Grafit im Gefüge eingelagert. C-Gehalt: Ca. 2,5% bis 3,7% Wenn sich der Kohlenstoff in kugeliger Form ablagert, führt das zu vorteilhafteren mechanischen Eigenschaften. Wie man den Kohlenstoff dazu bringt, sich in kugeliger Form abzulagern, wurde durch umfangreiche Versuche ermittelt: Durch die Zugabe von Magnesium. Eigenschaften: Hohe Festigkeit, gute Bruchdehnung. Verwendung: Große Zahnräder, Kurbelwellen, Pumpen- und Turbinengehäuse Bezeichnung Mit der Zugfestigkeit und teilweise der Bruchdehnung EN-GJS-500 Sphäroguss, Zugfestigkeit R m =500 Nmm -2 EN-GJS Sphäroguss, Zugfestigkeit R m =350 Nmm -2, Bruchdehnung 22% Temperguss (EN-GJMW und EN-GJMB) Ausgangsstoff für Temperguss ist eine Eisenschmelze mit ca. 3% C, 1% Si und 0,5 % Mn. Daraus werden dünnwandige Gussteile hergestellt Temperrohguss. Diese Teile werden lange Zeit (mehrere Tage) geglüht, wodurch entweder EN-GJMW (W wie white) Weißer Temperguss oder EN-GJMB (B wie black) Schwarzer Temperguss entsteht. Weißer Temperguss wird entkohlend geglüht, es wird in der Randzone Kohlenstoff entzogen. Gefüge am Rand metallisch hell. Schwarzer Temperguss wird nicht entkohlend geglüht. Schwarzkörniges Gefüge über den ganzen Querschnitt. Eigenschaften: Beide Temperguss-Sorten sind wesentlich zäher als Gusseisen mit Lamellengrafit. Bezeichnung An EN-GJMW oder EN-GJMB wird die Zugfestigkeit in Nmm -2 und die Bruchdehnung in % angefügt. Beispiel: EN-GJMW Weißer Temperguss, Zugfestigkeit R m =450 Nmm -2, Bruchdehnung 7% 17

18 Verwendung: Vor allem im Fahrzeugbau: Pleuelstangen, Lenksäulen, Schaltgabeln. Außerdem Hebel, Fittings, Ventilgehäuse usw Stahlguss Stahlguss ist in Formen gegossener Stahl. Er ist in der Herstellung wesentlich aufwändiger als Grauguss, vereinbart aber die Vorteile des Stahls mit den Möglichkeiten der Gießereitechnik. C-Gehalt 0,15 bis 0,45%. Bezeichnung GS für nicht hochlegierte Stähle, dazu Rm entweder die Zugfestigkeit geteilt durch 10, also 10 Beispiele GS-38 (Stahlguss, R m =380 Nmm -2 ) GS-52 (Stahlguss, R m =520 Nmm -2 ) oder die Stahlbezeichnung Beispiele GS-46MnSi4 GS-17CrMoV5-5 G für hochlegierte Stähle, dazu die Stahlbezeichnung Beispiel G-X130CrSi29 Verwendung: Für hoch belastete Teile des Großmaschinenbaus (Turbinengehäuse, Pressenständer und Kranhaken), aber auch kleinere Werkstücke für Maschinen. 2.6 Handelsformen der Stähle 18

19 Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel 2.7 Toleranzen und Passungen tolerances and fits Maß-, Form- und Lagegenauigkeit sowie Oberflächengüte der Bauteile einer Konstruktion müssen aufeinander abgestimmt sein. Aus Fertigungsgründen müssen immer Abweichungen von den Nenngrößen zugelassen werden. Vier Arten von Toleranzen: Maßtoleranzen Formtoleranzen Lagetoleranzen Rauheitstoleranzen Abbildung Maßtoleranzen 19

20 Allgemeintoleranzen Wenn keine besondere Maßgenauigkeit erforderlich ist, dann werden die Maße nach den im Schriftfeld angeführten Allgemeintoleranzen (früher Freimaßtoleranzen ) nach DIN ISO 2768 gefertigt. Die Angabe erfolgt durch einen Text im Schriftfeld, welcher die zulässigen Abweichungen von den Nennmaßen für bestimmte Maßbereiche definiert. Beispiel: Allgemeintoleranz m heißt für Längen von mm, dass die Abweichung vom angegebenen Maß (Nennmaß) 0,3 mm betragen darf. Varianten: Allgemeintoleranz 2768 [f m c (v)] [H K L] f m c v: fein, mittel, grob oder sehr grob (kaum gebräuchlich) für Längen- und Winkelmaße H K L: fein, mittel, grob für Form und Lage Weitere Beispiele: Allgemeintoleranz 2768 c Allgemeintoleranz 2768 mk Allgemeintoleranz 2768 fh Längen und Winkel: Grob, Form und Lage: Keine Angabe Längen und Winkel: Mittel, Form und Lage: Mittel Längen und Winkel: Fein, Form und Lage: Fein Siehe z.b. Friedrich 5-34, Roloff / Matek RMT TB Frei gewählte Toleranzen und Toleranzen nach DIN ISO 286 Frei gewählte Toleranzen sind Angaben wie 50 0,2 : Hier muss das Maß zwischen 49,8 und 50,2 liegen 0,3 62 0,1 : Hier muss das Maß zwischen 62,1 und 62,3 liegen Für Toleranzen nach DIN ISO 286 müssen zunächst einige Begriffe geklärt werden Lage und Größe der Toleranzfelder 20

21 Abbildung 2 Nulllinie: Nennmaß N: oberes Abmaß (ES, es): unteres Abmaß (EI, ei): Dem Nennmaß entsprechende Bezugslinie f. Abmaße und Toleranzen Maß, welches die Größe angibt, ohne Toleranzen, z.b. 50 mm Differenz zwischen Höchstmaß und Nennmaß Differenz zwischen Mindestmaß und Nennmaß Die Abkürzungen ES und EI stammen aus dem Französischen: écart supérieur (oberer Abstand) und écart inférieur (unterer Abstand) Grundabmaß: Das Abmaß, welches die Lage des Toleranzfeldes zur Nulllinie festlegt (oberes oder unteres Abmaß, das der Nulllinie am nächsten liegt) Wird durch die Buchstaben A-Z (Bohrung) und a-z (Welle) festgelegt. Zusätzlich gibt es Sonderformen durch Angaben zweier Buchstaben (z.b. JS) Höchstmaß G o : Größtes zugelassenes Maß Bohrung: GoB N ES, Welle: GoW N es Mindestmaß G u : Kleinstes zugelassenes Maß Bohrung: G N EI, Welle: G N ei ub uw Beispiele: Toleranzfeld: 0,3 30 0,1 G o = 30,3 G u = 30,1 0, ,04 G o = 67,02 G u = 66,96 Das Feld zwischen Mindestmaß und Höchstmaß. Es wird bestimmt durch die Größe der Toleranz und deren Lage zur Nulllinie. Grundtoleranz: 2 IT (internationale Toleranz). Größe des Toleranzfeldes. In Abbildung sind die Größen der Toleranzfelder für die Welle mit IT W, die Größen 21

22 der Toleranzfelder für die Bohrung mit IT B bezeichnet. Grundtoleranzgrade: Toleranzfaktor (i, I): Toleranzklasse: IT 1 (sehr genau, sehr enges Toleranzfeld) bis IT 18 (sehr ungenau, sehr großes Toleranzfeld). Im allgemeinen Maschinenbau werden IT 6 bis IT 11 verwendet. Die Angabe erfolgt lediglich durch die Zahl, z.b. 6 oder 7 Als Funktion des Nennmaßbereiches festgelegter Faktor zur Errechnung der Grundtoleranz IT (i für N < 500 mm, I für N > 500 mm) Angabe aus dem Buchstaben für das Grundabmaß und der Zahl des Grundtoleranzgrades. Beispiele: H7: Bohrung H8: Bohrung, gleiche Lage des Toleranzfeldes aber etwas ungenauer n7: Welle h9: Welle, andere Lage des Toleranzfeldes, wesentlich ungenauer Wir sehen uns nun einige Fälle an: Toleranzgrade Friedrich 5-36 (Grundtoleranzgrade) Wir betrachten 7 und sehen, dass 7 je nach Nennmaß etwas anderes heißt: Für Nennmaß über 18 bis Nennmaß 30 ist Toleranzgrad 7 gleichbedeutend mit 21 μm, also 0,021 mm. Der Unterschied zwischen Mindest- und Höchstmaß ist also bei 24H7 (Bohrung) 0,021 mm. Der Unterschied zwischen Mindest- und Höchstmaß ist bei 29g7 (Welle) ebenfalls 0,021 mm. Für Nennmaß über 30 bis Nennmaß 50 ist Toleranzgrad 7 gleichbedeutend mit 0,025 mm. Tabelle 1 Für Nennmaß über 50 bis Nennmaß 80 ist Toleranzgrad 7 gleichbedeutend mit 0,030 mm. Aus der Tabelle lässt sich leicht ablesen, dass Toleranzgrad 6 genauer (0,019 mm) als Toleranzgrad 7 und Toleranzgrad 8 ungenauer (0,046 mm) als Toleranzgrad 7 ist. Damit ist klar, wie man die Größe des Toleranzfeldes in Abhängigkeit von Nennmaß und vom Toleranzgrad berechnet. Die Lage des Toleranzfeldes ist ein weiterer wichtiger Punkt. Sie wird durch das Grundabmaß mit A-Z (Bohrung) und a-z (Welle) (siehe oben) definiert. A beschreibt bei gleichem Nennmaß eine große Bohrung, Z eine kleine. a beschreibt bei gleichem Nennmaß eine kleine Welle, z eine große Besondere Lagen der Toleranzfelder: H, h, JS und js H und h sowie JS und js sind spezielle Toleranzen: H Bohrung mit Abmaßen genau auf Nennmaß und etwas größer. h Welle mit Abmaßen genau auf Nennmaß und etwas kleiner. 22

23 JS js Bohrung mit Nennmaß plus / minus gleichen Abmaßen. Welle mit Nennmaß plus / minus gleichen Abmaßen. Beispiele: 44H11 heißt Bohrung mit 44 44h11 heißt Welle mit JS11 heißt Bohrung mit 44 44js11 heißt Welle mit Abbildung 3 Hinweis: Die Toleranzen sind symmetrisch zur Mittellinie. In der Abbildung sind sie nur auf einer Seite gezeichnet Passungen Eine Passung ist eine Kombination von Toleranzen Um Konstruktion und Fertigung kostengünstig zu gestalten, wurden die Systeme Einheitsbohrung und Einheitswelle entwickelt System Einheitsbohrung: Für die Bohrung wird das H-Toleranzfeld verwendet, z.b. H7 Um die gewünschte Funktion zu gewährleisten, wählt man das Toleranzfeld der Welle z.b. f6, g6 oder h6 für eine Spielpassung, k6, m6 oder n6 für eine Übergangspassung oder r6 oder s6 für eine Übermaßpassung (früher Presspassung genannt) 23

24 Aus Friedrich 5-36: System Einheitsbohrung und System Einheitswelle Abbildung System Einheitswelle: Für die Welle wird das h-toleranzfeld verwendet, z.b. h6 Um die gewünschte Funktion zu gewährleisten, wählt man das Toleranzfeld der Bohrung z.b. F7, G7 oder J7 für eine Spielpassung, K7, M7 oder N7 für eine Übergangspassung oder R7 oder S7 für eine Übermaßpassung (früher Presspassung) Ob man Einheitsbohrung oder Einheitswelle verwendet, hängt vor allem von den vorhandenen Fertigungseinrichtungen ab. Maße von Bohrungen sind generell etwas aufwändiger zu verwirklichen sind als Maße von Wellen. Als Spielpassung wird eine Passung bezeichnet, bei der stets Spiel ( Luft ) zwischen Welle und Bohrung ist. Die Welle ist immer kleiner als die Bohrung. Das Spiel kann sich zwischen Mindestspiel P SM und Höchstspiel P SH bewegen. Als Übermaßpassung wird eine Passung bezeichnet, bei der auf keinen Fall Spiel ( Luft ) zwischen Welle und Bohrung ist. Die Welle ist immer größer als die Bohrung. Das Übermaß kann sich zwischen Mindestübermaß P ÜM und Höchstübermaß P ÜH bewegen. Das kann man grafisch so darstellen (Quelle: Europa-Lehrmittel) 24

25 Abbildung 5 Als Übergangspassung wird eine Passung bezeichnet, bei der je nach Istmaßen Spiel ( Luft ) oder kein Spiel auftreten kann. Hier gibt es ein Höchstspiel P SH und Höchstübermaß P ÜH Passungsauswahl nach DIN 7157 Ein großer Vorteil der Toleranzen nach DIN ISO 286 besteht darin, dass man sehr einfach geeignete Passungen für die gewünschte Funktionalität ermitteln kann. Der Vorgang bei der Konstruktion ist damit der folgende: Bestimmen der erforderlichen Größe der Bauteile über die Belastungen mittels einer Berechnung Auswahl einer geeigneten Passung je nach vorliegender Anwendung Berechnen der Abmaße für Welle und Bohrung je nach Größe und Toleranzklasse 25

26 Aus Friedrich 5-41: Passungsauswahl nach DIN 7157 Roloff / Matek 41 Abbildung 6 Diese Passungen sind so gewählt, dass sie im Bereich des allgemeinen Maschinenbaus unabhängig von den vorliegenden Maßen zur gewünschten Funktion der Bauteile führen. H7 / h6 ist für die oben genannte Anwendung geeignet, ergibt aber je nach vorliegenden Maßen evtl. unterschiedliche Abmaße Angaben in der Zeichnung Beachte: Die Abmaße sind in den Tabellen in μm eingetragen, in der Zeichnung werden sie in mm eingetragen! Abbildung 7 Die Fertigung muss bei Angaben der Toleranzen nach DIN ISO 286 die Toleranzen aus Tabellen aufsuchen. 26

27 Beispiel: Ermittle für Nenndurchmesser 68 mm die Abmaße für Bohrung u. Welle für die Passungen. Stelle die Passungen grafisch dar. H7 / n6 Bohrung: 30 0 (Zeichnung: 0,03 0 ), Welle: (Zeichnung 0,039 0,020 ) C11 / h9 Bohrung: (Zeichnung: 0,34 0,15 ), Welle: 0 74 (Zeichnung: 0 0,074 Bei H7 / n6 treten ein Höchstspiel und ein Höchstübermaß auf. Bei C11 / h9 treten ein Höchstspiel und ein Mindestspiel auf. ) Abbildung 8 Eine Welle im Sinne von Passungen muss nicht immer eine runde Welle sein. An dem Beispiel links kann man gut sehen, dass es auch andere Geometrien gibt, wo man von Innenteil und Außenteil sprechen kann. Beispiel: Ermittle für Nenndurchmesser 40 mm die Abmaße für Bohrung u. Welle für die Passungen. Stelle die Passungen grafisch dar. H7 / g6 Bohrung: 25 0 Welle: 9 25 (Zeichnung 0,009 0,025 ) (Zeichnung: 0,025 0 ), Abbildung 9 27

28 Abbildung Formtoleranzen Formabweichungen werden durch Angabe einer Formtoleranz begrenzt. Es können verschiedene, die Form betreffende Eigenschaften toleriert werden: Geradheit, Ebenheit, Rundheit Formtoleranzen sind nur dann anzugeben, wenn eine ausreichende Genauigkeit durch Einhalten der Allgemeintoleranzen nicht gewährleistet ist. Beispiele: Aus Roloff / Matek Maschinenelemente / Tabellen 39 Abbildung 11 Literatur: Roloff / Matek Maschinenelemente: 26, Maschinenelemente Tabellen: 39 Friedrich

29 2.7.4 Lagetoleranzen Lageabweichungen werden durch Angabe einer Lagetoleranz begrenzt. Es können verschiedene, die Form betreffende Eigenschaften toleriert werden: Parallelität, Rechtwinkeligkeit, Position Lagetoleranzen sind nur dann anzugeben, wenn eine ausreichende Genauigkeit durch Einhalten der Allgemeintoleranzen nicht gewährleistet ist. Beispiele: Aus Roloff / Matek Maschinenelemente / Tabellen 40 Abbildung 12 Literatur: Roloff / Matek Maschinenelemente: 26, Maschinenelemente Tabellen: 40 Friedrich Angaben in der Zeichnung (für Form- und Lagetoleranzen) Abbildung 13 29

30 2.7.6 Rauheitstoleranzen Roughness tolerances Mittenrauwert Ra Average roughness value Der arithmetische Mittenrauwert bzw. Mittenrauwert Ra ist das arithmetische Mittel der Absolutbeträge der Profilabweichungen ( Rauheitsprofil) über die Messstrecke l m. Abbildung 14 Es ist gleichbedeutend mit der Höhe eines Rechtecks der Länge l m, flächengleich mit der zwischen Rauheitsprofil und Mittellinie eingeschlossenen Fläche Gemittelte Rautiefe Rz Single surface roughness depth Die gemittelte Rautiefe Rz ist das arithmetische Mittel aus den Einzelrautiefen 5 aneinander grenzender Einzelmessstrecken. Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Es ist also Rz 5 Abbildung Rz oder Ra? Im allgemeinen Maschinenbau wird überwiegend Ra verwendet, allerdings gibt es keine Vorschrift dazu. Es wird daher empfohlen, Ra zu verwenden, wenn nichts Besonderes dagegen spricht. Man kann die beiden Werte auch umrechnen, allerdings nicht mit einem konstanten Umrechnungsfaktor. Siehe dazu z.b. Roloff / Matek Maschinenelemente Tabellen: Angaben in der Zeichnung Grundsymbole: keine Aussage über die mit Querstrich: mit Kreis: 30

31 Art der Bearbeitung spanende Bearbeitung spanende Bearbeitung vorgeschrieben nicht erlaubt Zusatzangaben am Grundsymbol: Abbildung 16 a: Mittenrauwert Ra oder gemittelte Rautiefe Rz b: Zweiter Wert für Mittenrauwert Ra oder gemittelte Rautiefe Rz (falls nötig) c: Fertigungsverfahren, Behandlung, Beschichtung d: Symbol für Oberflächenrillen und ausrichtung, z.b. X=gekreuzt e: Bearbeitungszugabe in mm Beispiele: Oberfläche ist spanend mit einem Ra-Wert von 3,2 μm zu bearbeiten. maximaler Mittenrauwert von 3,2 μm Abbildung 17 Oberfläche ist spanend mit einem Ra-Wert zwischen 0,8 μm und 3,2 μm zu bearbeiten. Abbildung 18 Oberfläche ist spanlos mit einem Ra-Wert von 3,2 μm zu bearbeiten. Abbildung 19 Oberfläche ist spanend oder spanlos mit einem Ra-Wert von 3,2 μm zu bearbeiten. Oberfläche ist durch Schleifen mit einem Ra-Wert von 1,6 μm zu bearbeiten. Rillenrichtung senkrecht zur Projektionsebene der Ansicht, in der das Symbol angewendet wurde. Oberfläche ist durch Schleifen mit einem Ra-Wert von 0,8 μm zu bearbeiten. Bearbeitungszugabe 0,1 mm. Abbildung 20 31

32 Oberfläche ist durch Schleifen mit einem Ra-Wert von 0,8 μm zu bearbeiten. Die Rillenrichtung ist senkrecht zur Projektionsebene der Ansicht. Abbildung 21 Rillenrichtung: parallel zur senkrecht zur in 2 schrägen Richtungen Abbildung 22 zur Projektionsebene der Ansicht Kann man jeden Ra-Wert nehmen? Nein. Es muss einer aus der folgenden Tabelle verwendet werden: Mittenrauwerte Ra in μm ,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025 Tabelle Schruppen Schlichten Drehen In der Tabelle ist der Bereich gekennzeichnet, den man in etwa mit Drehen erreichen kann. Schruppen : Ausdruck für Bearbeitungsverfahren zur Herstellung relativ grober Oberflächen Schlichten : Ausdruck für Bearbeitungsverfahren zur Herstellung relativ feiner Oberflächen 2.8 Wärmebehandlung der Stähle Durch Wärmebehandlung können die Eigenschaften von Stahl und Gusseisen verändert werden. Auf diese Weise lassen sich Härte Festigkeit und Bearbeitbarkeit verbessern. Ursachen für die Verbesserung der Eigenschaften sind Veränderungen des Werkstoffgefüges. 32

33 2.8.1 Gefügearten der Eisenwerkstoffe Fertigungstechnik FET Version 1.27 Eisenwerkstoffe enthalten aus der Herstellung einen gewissen Anteil an Kohlenstoff (C). Der C-Anteil beeinflusst die Eigenschaften von Eisen sehr stark. Der Grund: Je nach C-Anteil ändert sich der innere Aufbau des Eisens, das Gefüge. Technisch reines Eisen bildet ein Gefüge aus abgerundeten Körnern (Ferrit oder -Eisen) Bild a) Ferrit ist weich, leicht umformbar und magnetisierbar.!! Stahl : Eisen mit 0,1 2 % Kohlenstoff Gusseisen: Eisen mit 2,5-3,7 % Kohlenstoff Stahl enthält Kohlenstoff nicht in reiner Form, sondern als Eisenkarbid Fe 3 C (Zementit) hart und spröde. Der C-Gehalt von 0,8 % wird das Eutektikum genannt. Untereutktoide Stähle (C-Gehalt < 0,8 %): Zementit scheidet sich in Form dünner Streifen (Streifenzementit) in manchen der Ferritkörner aus. Die Struktur solcher Ferritkörner nennt man Perlit. Bild b) Eutektoide Stähle (C-Gehalt = 0,8 %): Alle Ferritkörner sind mit Streifenzementit durchzogen (Perlit- Gefüge). Bild c) Übereutektoide Stähle (C-Gehalt > 0,8 %): Weil sich der Kohlenstoff nicht mehr als Streifenzementit ausscheiden kann (alle Ferritkörner sind schon zu Perlit geworden), bildet sich Zementit zusätzlich an den Korngrenzen (Korngrenzenzementit). Bild d) Je größer der Zementitanteil im Stahl, umso härter, aber auch umso spröder ist der Stahl. Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Gusseisen (C-Gehalt 2,5 3,7 %): Gusseisen enthält zusätzlich zum Kohlenstoff einen hohen Silicium-Anteil. Das bewirkt, dass sich der überwiegende Teile des Kohlenstoffs nicht als Zementit Fe 3 C, sondern als reiner Kohlenstoff C in Form von Graphitlamellen ausscheidet. 33

34 2.8.2 Das Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm (Fe-C-Diagramm) Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Eisenwerkstoffe haben bei Raumtemperatur und bis über 723 C wie zuvor besprochen unterschiedliche Gefüge. Bei Erwärmung über 723 C treten noch andere Gefügearten auf. Im Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm kann man sehen, welche Gefügeart ein Eisenwerkstoff je nach Kohlenstoffgehalt und Temperatur hat. Die strichlierten und durchgezogenen Linien begrenzen die Gefügebereiche und werden Gefügebegrenzungslinien genannt.!!beim Überschreiten bzw. Unterschreiten einer Gefügebegrenzungslinie wandelt sich das Gefüge um. Anmerkungen: Ledeburit (benannt nach dem deutschen Metallurgen Karl Ledebur, ) ist ein Gefüge, das aus Austenit und Zementit besteht. Ledeburit kommt nur in Gusseisen vor. 34

35 Wiederholung: Was kann man aus dem Fe-C-Diagramm ablesen? Welches Gefüge hat Eisen mit 0,8% Kohlenstoff bei Temperaturen über bzw. unter 723 C? Welche Gefügebestandteile enthält Gusseisen bei Raumtemperatur? Welche Gefügeanteile kann man für einen Stahl mit 0,4% C aus dem Fe-C-Diagramm ablesen? Wie verändert sich das Gefüge von Stahl mit 1% Kohlenstoff beim Erwärmen von 20 C auf 1000 C? In welchem Temperaturbereich schmelzen Stahl und Gusseisen je nach C-Gehalt vollständig? Glühen Langsame Erwärmung, Halten der Temperatur, langsame Abkühlung. Glühen dient im allgemeinen zum Erzielen eines feineren Gefüges für Stahl. Temperaturbereiche: 600 C bis 1250 C, je nach Verfahren. Beispiele: Normalglühen bei ca. 600 C verringert durch Gießen, Walzen, Schmieden oder Schweißen entstandene innere Spannungen. Weichglühen bei gut 700 C macht den Werkstoff leichter umformbar und spanbar. Weichglühen bei Temperaturen oberhalb der GSK-Linie im Fe-C-Diagramm ergibt ein gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge Härten, Anlassen und Vergüten Härten ist eine Wärmebehandlung, durch die Stähle hart und verschleißfest werden. Nur Stähle und nur solche mit mehr als 0,2% C können gehärtet werden, Gusseisen nicht. Verfahren: Härten Härten ist das Erwärmen auf Härtetemperatur und anschließendes plötzliches Abkühlen (Abschrecken). Durch das Abschrecken wird der Stahl hart, aber auch spröde. Bei unlegierten Stählen liegt die Härtetemperatur etwa 40 C über der GSK-Linie im Fe-C- Diagramm. Bei legierten Stählen liegt die Härtetemperatur meist etwas höher. Das Abschrecken erfolgt meist durch Eintauchen der Werkstücke in Wasser oder Öl (langsamere Abkühlung). 35

36 Anlassen Zum Vermindern der Sprödigkeit nach dem Härten werden gehärtete Werkstücke oft auf die Anlasstemperatur erwärmt, eine Zeit lang auf dieser gehalten und anschließend langsam abgekühlt Vergüten Unter Vergüten versteht man die Kombination aus Härten und Anlassen Dadurch entstehen Bauteile hoher Festigkeit und Zähigkeit Temperaturbereiche für Härten und Anlassen Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Temperaturverlauf beim Härten und Anlassen (Vergüten) Vergüten ist ein hintereinander geschalteter Prozess von Härten und Anlassen: Langsames Erwärmen auf Härtetemperatur Eine Zeit lang Halten der Härtetemperatur (oberhalb der Linie GSK im Fe-C-Diagramm) Schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur Langsames Erwärmen auf Anlasstemperatur Eine Zeit lang Halten der Anlasstemperatur (ca C) Langsames Abkühlen auf Raumtemperatur Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Beispiele für den Einsatz von gehärtetem Stahl: Feilen, Sägen, Messer, Scheren, Bohrer, Zahnräder, Nockenwellen, Werkzeuge, Wälzlager 36

37 2.8.5 Beispiel: Vergüten eines Körners Fertigungstechnik FET Version 1.27 Ein Körner dient zum Anbringen einer Vertiefung in einem Werkstück. Er besteht aus einer gehärteten Spitze und einem Schaft (Griff). Mit einem Hammerschlag auf das Ende des Schafts kann man die Vertiefung auch auf einer glatten Fläche recht genau positionieren. Damit ist gewährleistet, dass der Bohrer beim Fertigen einer Bohrung nicht verläuft bzw. ausweicht. Die Spitze muss also hart und zäh sein das klingt nach Vergüten. Wie kann man das machen? Verfahren 1:Wir erhitzen die Spitze und schrecken den ganzen Körner ab damit wird die Spitze zwar hart, aber spröde. Verfahren 2:Wir erhitzen die Spitze, schrecken nur die Spitze ab und lassen den Körner langsam auskühlen damit wird die Spitze auch hart, aber nach dem Abschrecken erwärmt die im Schaft gespeicherte Wärme auch die Spitze wieder und danach kühlt die Spitze langsam ab das ist genau das, was wir unter Vergüten beschrieben haben. 37

38 2.8.6 Vom Eisenerz zum Roheisen Roheisen wird aus Eisenerzen gewonnen. Fertigungstechnik FET Version 1.27 Das Gerät zur Herstellung von Roheisen wird Hochofen genannt. Die Höhe einer solchen Anlage kann bis zu 100 Meter betragen. Der Hochofen wird schichtweise mit einem Gemisch von Erz Zuschlägen und Koks beschickt. Koks wird in sogenannten Kokereien aus Braun- oder Steinkohle hergestellt. Dabei wird vor allem der für die Eisenherstellung stark nachteilige Schwefel reduziert. Erze bestehen u.a. aus chemischen Verbindungen von Eisen und Sauerstoff. Wichtige Erze: Name Chem.Formel Eisengehalt bis Magnetit (Magneteisenstein): Fe 3 O 4 70% Hämatit (Roheisenstein): Fe 2 O 3 60% Siderit (Spateisenstein): FeCO 3 40% Zuschläge sind bei basischen Erzen (SiO 2 -Gehalt bis 52%): Feldspat, Tonschiefer (Silikate und Aluminate) sauren Erzen (SiO 2 -Gehalt über 63%): Kalkstein, Dolomit (Karbonate) Die Zuschläge nehmen beim Schmelzen die erdigen Bestandteile der Erze auf. Die Eisenoxide sollen zu Eisen reduziert werden, d.h. der Sauerstoff soll ihnen entzogen werden. Koks verbrennt teilweise durch die eingeblasene Heißluft und liefert die Schmelzwärme reduziert die Erze Das entstandene Roheisen nimmt Kohlenstoff auf, wodurch sein Schmelzpunkt auf etwa 1400 C herabgesetzt wird. Das flüssige Roheisen sammelt sich im Hochofen unten an. Das taube Gestein des Erzes (ohne Eisen) schwimmt gebunden durch die Kalksteinzusätze als Schlacke auf dem geschmolzenen Roheisen. Beides wird durch entsprechende Öffnungen in gewissen Zeitabständen abfließen gelassen. Diese Vorgänge werden Roheisenabstich und Schlackenabstich genannt. Die Schlacke wird entsorgt oder im Straßenbau verwendet. Die Auskleidung muss vor allem im unteren Bereich höchsten Temperaturen standhalten. Es werden dazu feuerfeste Werkstoffe (sehr teuer) verwendet, die vor allem Oxide enthalten (Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid). 38

39 Wiederholung: Woraus und mit welchem Gerät wird Roheisen gewonnen? Maximale Größe des Geräts? Womit wird der Hochofen beschickt? 3 Erze mit chemischer Formel und Eisengehalt Welche Zuschläge gibt es für welche Erze? Was ist Reduzieren der Eisenerze? Welche Aufgaben hat der Koks? Was ist Schlacke? Wie nennt man das Abfließen von Roheisen und Schlacke? Der Hochofen: Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel 39

40 2.8.7 Vom Eisen zum Stahl Stahl wird aus Roheisen gewonnen. Roheisen enthält neben Eisen auch 4% Kohlenstoff C und zu hohe Mengen an Silicium Si, Mangan Mn, Schwefel S und Phosphor P Das Reduzieren des C-Gehaltes und der anderen Elemente nennt man Frischen. Zum Frischen gibt es 3 hauptsächlich angewandte Verfahren: Sauerstoff-Aufblas-Verfahren (LD-Verfahren) LD kommt von Linz-Donawitz. Das Verfahren wurde von der österreichischen Firma Voest- Alpine entwickelt. Aufblasen von Sauerstoff auf das flüssige Roheisen. Die geforderten Legierungselemente werden vor dem Abgießen des Stahls zugegeben. Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Inertgase (Stickstoff, Argon) sind solche, welche sich nur sehr träge an chemischen Reaktionen beteiligen. Durch zusätzliches Einblasen dieser kann die Geschwindigkeit der metallurgischen Reaktionen erhöht werden. Kombinierte Verfahren Aufblasen von Sauerstoff auf das flüssige Roheisen und zusätzlich Einblasen von Gasen durch den Boden des Konverters. Heute hauptsächlich gebräuchlich. Elektrostahl-Verfahren 40

41 Quelle: Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel Damit können alle Stahlsorten hergestellt werden. Wegen der hohen Temperaturen bis 3500 C können auch schwer schmelzbare Legierungselemente wie Wolfram und Molybdän eingeschmolzen werden. 3 Umweltproblematik der Werk- und Hilfsstoffe In metallverarbeitenden Betrieben werden neben den weitgehend unschädlichen Werkstoffen wie z.b. Stählen, Aluminiumwerkstoffen und Kunststoffen, auch gesundheitsschädliche und umweltbelastende Werk- und Hilfsstoffe eingesetzt. Beispiele sind etwa Kaltreiniger, Kühlschmierstoffe und Härtesalze. Diese Stoffe sollen möglichst vermieden werden. Man ist stets auf der Suche nach Verfahren, welche denselben Effekt mit weniger schädlichen Stoffen liefern. Durch Aufarbeiten und Wiederverwendung (Recycling) sollten Abfälle und Verbrauchsstoffe wieder in die Fertigung zurückgeführt werden. Die nicht verwertbaren Reste müssen auf Deponien entsorgt werden. 3.1 Auswahl von Werk- und Hilfsstoffen Es sollten möglichst nur solche eingesetzt werden, die nicht gesundheitsschädlich sind und ohne Schädigung der Umwelt zu verarbeiten und entsorgen sind. 3.2 Energieverbrauch und Umweltbelastung bei der Werkstoffherstellung Energieverbrauch Aus der Tabelle sieht man, dass für recyclebare Werkstoffe der Energieverbrauch bei der Wiedererzeugung drastisch geringer als bei der ersten Erzeugung ist. Besonders die Herstellung von Aluminium und Kupfer erfordert sehr viel Energie. Recycling bei Metallen ist daher sehr wichtig. Metallschrott wird bereits überwiegend recycelt. Bei Kunststoffen ist man noch auf der Suche nach geeigneten Verfahren. 41

42 Umweltbelastung Durch Stäube und Abgase entstehen starke Umweltbelastungen, welche durch aufwändige Abgasreinigungsanlagen auf ein erträgliches Maß gesenkt werden müssen. Bei Kunststoffen gibt es große Unterschiede bezüglich Umweltverträglichkeit bei der Herstellung. Allen Kunststoffen gemein ist jedoch die hohe Lebensdauer und die Eigenschaft, dass sie praktisch nicht zerfallen die Erde wird mit Kunststoffen gefüllt, die man nie wieder los wird ( Plastic Planet ). 42

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