Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie. Skript zur Veranstaltung Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie

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1 Skript zur Veranstaltung Fertigungstechnische Grundlagen II: Metalltechnologie Martin Pädagogische Hochschule Weingarten Inhalt 1 Werkstoff Metall Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe Einteilung der Werkstoffe Fertigungsverfahren nach DIN Hauptgruppe 1: Urformen Hauptgruppe 2: Umformen Hauptgruppe 3: Trennen Hauptgruppe 4: Fügen Hauptgruppe 5: Stoffeigenschaften ändern Fertigungshauptgruppe Beschichten Mess- und Prüftechnik Messgeräte Lehren Toleranzen Ein Hinweis zur Zitation: Zahlen in eckigen Klammern beziehen sich auf folgende Literatur: [1] König, Wilfried (1984): Fertigungsverfahren. 2. Aufl. Düsseldorf: VDI-Verl. [2] Wesling, Volker; Reiter, Rolf (o. A.): Fertigungstechnik I. Technische Universität Clausthal. Clausthal. [3] Haffer, Reiner Becker-Kavan Angelika Brandt Finn (2007): Grundkenntnisse industrielle Metallberufe nach Lernfeldern 2. Aufl. Hamburg: Verl. Handwerk und Technik.

2 1 Werkstoff Metall Metalle sind die größte Gruppe chemischer Elemente. Dass Metall als Werkstoff so interessant ist, liegt an seinen Materialeigenschaften. Besonders bedeutsam sind folgende Eigenschaften unter Beanspruchung: Zerspanbarkeit, Verformbarkeit, Schmiedbarkeit, Löt- und Schweißbarkeit, Gießbarkeit; Verhalten unter Zug-, Druck-, Knick-, Biege-, Torsions- und Schubbeanspruchung (s. u.). 1.1 Aufbau und Eigenschaften metallischer Werkstoffe Die Eigenschaften von Stoffen werden durch ihren molekularen Aufbau bestimmt, insbesondere durch die Anzahl der Elektronen in der Außenschale des Atoms Molekularer Aufbau von Metallen Metalle bilden beim Abkühlen aus der Schmelze eine regelmäßige Gitterstruktur, hauptsächlich in Form von Kuben und Hexagonen. Beim Schmelzen verändern die Atome des Moleküls ihren Platz in der Gitterstruktur. Wird die Schmelze schockartig abgekühlt, werden sie teilweise an dieser Stelle fixiert und verspannen das Gitter. Kühlt die Schmelze langsam ab, wandern sie an ihren ursprünglichen Ort zurück. Abbildung 1: Metallgitter: kubisch-flächenzentriert, kubisch-raumzentriert, hexagonal Beim Abkühlen bilden sich zunächst einzelne Kristallkeime, die sich dann wachsend ausbreiten. Die Kornstruktur, die so entsteht, wird Gefüge genannt (vgl. Haffer 2007, S. 316). Die Ausbildung des Gefüges bestimmt wesentlich die mechanischen Eigenschaften des Metalls. Gefüge können durch Anschleifen und Ätzen der geschliffenen Oberfläche unter dem Mikroskop sichtbar gemacht werden. Metalle erstarren i. d. R. als Gemisch aus verschiedenen Elementen. Man spricht in diesem Fall von einer Legierung. In der Werkstofftechnik werden Legierungen gezielt herbeigeführt, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen (z. B. der bekannte Chrom-Vanadium-Stahl).

3 1.1.2 Physikalische Eigenschaften von Metallen Die physikalischen Eigenschaften von Metallen unterscheiden sich teilweise erheblich: Werkstoff Dichte Elastizität Schmelztemperatur Wärmeleitfähigkeit Ausdehnung Elektrische Leitfähigkeit kg/dm3 kp/mm2 Grd Celsius cal/cm*sec*grd m/m*grd m/ohm*mm2 Aluminium 2, ,53 23,8 35 Blei 11, ,083 28,3 4,82 Bronze 8, ,16 17,3 9 Grauguss 7, ,13 9,0 1-2 Kupfer 8, ,94 16,2 60 Messing 8, , Stahl C 15 7, ,12 11,1 9,3 Stahl C 60 7, ,11 11,1 7,9 Vanadium 6, k.a. 8,5 3,84 Zink 7, ,27 29,8 16,9 Zinn 7, ,16 20,5 8,7 Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften ausgewählter Metalle Extremwerte sind in der Tabelle hervorgehoben. Bei genauer Betrachtung werden sie Merkmale der Metalle, die Sie aus Ihrem Allgemeinwissen haben, hier wiederfinden (Kupfer als hervorragender Wärmeleiter hochwertiges Kochgeschirr). 1.2 Einteilung der Werkstoffe Der Begriff Werkstoff drückt aus, dass in einem in der Natur vorgefundenen bzw. gezielt hergestellten Stoff seine Eignung für bestimmte Einsatzgebiete in der Fertigung von Gegenständen gesehen wird. Eine gängige Einteilung der Werkstoffe zeigt folgende Abbildung:

4 Werkstoffe Nichtmetalle Metalle Verbundwerkstoffe natürliche Werkstoffe künstliche Werkstoffe Werkstoffe Eisen- NE- Metalle faserverstärkte VSt teilchenverstärkte VSt schichtverstärkte Vst Gussstoffe Stähle Eisen- Schwermetalle Leichtmetalle Edelmetalle Gusseisen Kugelgraphit Temperguss... Allg. Baustähle Automatenst. Vergütungsst. Schnellarbeitsst. Federstähle Blei Kupfer... Alu Titan... Gold Platin... Rostfreie Stähle Abbildung 2: Einteilung der Werkstoffe Gehärtete Stähle... Hier interessiert besonders die Werkstoffgruppe (nicht: chemisch) der Metalle. Sie werden in Eisenund Nichteisenmetalle unterschieden Eisenmetalle Bei der Eisenerzeugung werden zunächst die Eisenanteile aus eisenhaltigem Gestein (Erz) erschmolzen bzw. chemisch reduziert. Das so erzeugte Roheisen wird weiterverarbeitet, um einen Werkstoff mit homogenem Gefüge und definierten Eigenschaften zu erzeugen. Gusseisen Gusseisen enthält zwischen 2 % und 5 % Kohlenstoffanteil. Roheisen, Eisenschwamm und Gussschrott werden mit Koks aufgeschmolzen. Der Koks liefert die Reaktionswärme und den für die erwünschten chemischen Reaktionen erforderlichen Kohlenstoff. Gusseisen hat aufgrund des hohen Kohlenstoffs einen niedrigen Schmelzpunkt und gute Gießeigenschaften, sodass komplexe Formen hergestellt werden können (Getriebegehäuse, Gestelle usw.). Der Kohlenstoff führt dazu, dass der Werkstoff sehr druckfest, aber auch spröde ist. Gusseisen ist daher nicht schmiedbar. Durch Wärmebehandlung (s. u.) kann die Zähigkeit von Gusseisen in Grenzen erhöht werden (Temperguss). Stahl Stahl ist ein Eisenwerkstoff mit einem Kohlenstoffanteil (i. d. R.) bis zu 2%. Durch die Reduktion des Kohlenstoffanteils des Roheisens wird der Werkstoff gut umformbar (z. B. schmiedbar), zerspanbar und schweißbar. Seine Eigenschaften lassen sich durch Wärmebehandlung gezielt beeinflussen. In der Stahlherstellung wird dem Roheisen Kohlenstoff entzogen und Legierungselemente gezielt zugegeben:

5 Legierungselement Beeinflussung der Eigenschaften Kohlenstoff Festigkeit, Härte Schweißbarkeit, Schmiedbarkeit Chrom Härte Korrosionsneigung, Dehnung Nickel Härte, Dehnung, Zähigkeit Korrosionsneigung, Zerspanbarkeit Wolfram Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit Zerspanbarkeit Molybdän Härte, Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit Zerspanbarkeit Tabelle 2: Legierungselemente und ihr Einfluss auf die Stoffeigenschaften Aufgrund der guten Bearbeitungseigenschaften können Stähle vielfältig weiterverarbeitet werden, z. B. durch Gießen, Strangpressen (Endlosprofile), Walzen (Bleche), Ziehen (Drähte). Stähle werden nach unterschiedlichen Kriterien unterscheiden: - Eine Standardeinteilung ist die nach unlegierten Stählen (Beimengungen innerhalb bestimmter Grenzwerte), legierten Stählen (Beimengungen über den Grenzwerten) und nichtrostenden Stählen. - Eine andere Variante unterscheidet Edelstähle (geringe Toleranzen bei der Zusammensetzung; lässt sich nur im Elektro-Lichtbogen-Verfahren herstellen, teuer) von Qualitätsstählen (alle übrigen Stähle; a. a. O., S Früher wurde hier noch unterschieden zwischen Qualitäts- und Massenstählen). - Unterscheidung nach dem späteren Einsatz: o o o o o o Baustähle: Maschinen-, Fahrzeug-, Motorenbau und Konstruktionen im Hochbau. Bsp.: St 37-2, St 44-3, St 52-3, St Baustähle werden gewalzt zu Stäben, Blechen, Bändern, Profilen oder Rohren. Vergütungsstähle: Durch Wärmebehandlung (Vergüten) wird hohe Festigkeit und Zähigkeit erreicht. Einsatzbereiche: Kurbelwellen, Achsen, Schraubstöcke. Automatenstähle: Besonders gute Zerspaneigenschaften, sie bilden u. a. kurze Späne, die sich nicht so stark in Spindeln verfangen. Einsatzstähle: Besonders verschleißfeste Oberflächen bei zähem Innenkörper. Dies wird durch Aufkohlen der Oberfläche mit anschließendem Härten erreicht. Einsatzbereiche: Wellen, Zahnräder, Nockenwellen, Messwerkzeuge. Nitrierstähle: Besonders harte und verschleißfeste Oberflächen durch Stickstoffverbindungen (Nitride) an der Oberfläche. Einsatzbereiche: Werkzeuge, Feinmessgeräte, Kurbelwellen. Werkzeugstähle: Edelstähle mit besonders guter Beeinflussbarkeit der Eigenschaften (Härte, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit). Einsatzbereiche: Werkzeuge.

6 Bezeichnung von Stählen nach DIN EN /-2 Abbildung 3: Beispiel für die Bezeichnung von Stählen [3] Abbildung 4: Das Bezeichnungssystem nach DIN EN [3]

7 Abbildung 5: Das Bezeichnungssystem von Stählen nach DIN EN [3] Nichteisenmetalle Eine Ordnung der NE-Metalle kann der Abbildung oben entnommen werden. Wichtige NE- Metallwerkstoffe sind u. a.: Aluminium Aluminium zeichnet sich durch geringe Dichte, hohe Korrosionsbeständigkeit, gute Festigkeit, Formbarkeit und Zerspanbarkeit und durch gute elektrische und wärmeenergetische Leitfähigkeit aus. Aluminium wird in der Luft- und Raumfahrttechnik und im Automobilbau (Festigkeit, Formbarkeit, geringe Dichte), im Hochbau im Außenbereich (Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit) und auch im Bereich elektrischer Freileitungen eingesetzt. Aluminiumlegierungen werden eingeteilt in Gusslegierungen und Knetlegierungen. Letztere eignen sich für das Walzen, Pressen und Ziehen. Abbildung 6: Bezeichnungssystem für Aluminiumwerkstoffe [3]

8 Kupfer Kupfer zeichnet sich durch hohe Dichte und Korrosionsbeständigkeit, gute Lötbarkeit und Verformbarkeit, gute elektrische und wärmeenergetische Leitfähigkeit, aber durch schlechte Zerspanbarkeit aus. Da Kupfer und seine Oxidationsformen keine gesundheitliche Gefährdung darstellen und da die Oxidschichten sehr stabil sind, wird Kupfer für Brauchwasser- und Heizungsleitungen, aber auch in der Fassadenverkleidung und bei Kochgeschirr verwendet. Außerdem ist es bevorzugter Werkstoff für elektrische Leitungen. Häufig eingesetzte Kupferlegierungen sind - Messing: Legierung aus Kupfer und Zink, die noch korrosionsbeständiger ist, - Bronze: Legierung aus Kupfer und Zinn, die wiederum korrosionsbeständiger als Messing ist, - Rotguss: Legierung aus Kupfer, Zinn und Zink. Zinn Zinn hat eine hohe Dichte, ist gut formbar, sehr korrosionsbeständig und hat einen niedrigen Schmelzpunkt. Es wird als Weichlot eingesetzt, aber auch als Korrosionsschutz in Weißblechen, z. B. bei Konservendosen. Zink Zink hat eine vergleichbare Dichte und ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften wie Zinn, wirkt aber toxisch. Zink wird als Korrosionsbeschichtung eingesetzt, z. B. bei Leitplanken an Straßen. Feuerverzinkung ist ein traditionelles Beschichtungsverfahren. Blei Blei ist ein hochgiftiges Schwermetall mit hoher Korrosionsbeständigkeit, niedrigem Schmelzpunkt (Bleigießen über der Kerzenflamme) und wirkt strahlungsabsorbierend (Bleischürzen beim Röntgen). Es neigt zum Schmieren und ist daher schlecht zerspanbar, wird aber spröden Werkstoffen zugegeben, um deren Zerspanbarkeit zu erhöhen. Titan Titan ist ein Leichtmetall mit hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit. Es wird im Leichtbau eingesetzt, ist aber teuer. 2 Fertigungsverfahren nach DIN 8580 DIN 8580 bietet eine Struktur für die vielfältigen Fertigungsverfahren. Sie werden in die Fertigungshauptgruppen Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern eingeordnet. Einen Überblick über die Haupt- und Untergruppen finden Sie im Skript Grundsachverhalte der Technik. Hier werden Besonderheiten bei der Bearbeitung von Metallen dargestellt.

9 2.1 Hauptgruppe 1: Urformen Damit sind Verfahren erfasst, bei denen Metalle aus gas- bzw. dampfförmigem (Verchromen), flüssigem bzw. plastischem (Gießen), ionisiertem (Galvanisieren) oder festem (Pressen von körnigem oder pulverförmigem Stoff) Zustand in eine Form gebracht werden Gießen Gießen wird als Sandformguss, Druckguss oder Präzisionsguss (z. B. Wachsausschmelzverfahren) ausgeführt. Maßgenauigkeit, Wanddicke und Oberflächengüte werden weitgehend von den Rahmenbedingungen bestimmt. Beim Erstarren kommt es durch Volumenänderung und ungleichmäßiger Kristallisation zu Gefügefehlern (Einschlüsse, Poren, Risse). Gusswerkstücke sind im Vergleich zu anders hergestellten Werkstücken inhomogen. Bei Gusswerkstoffen werden das Formfüllungsvermögen (Fähigkeit, die Kontur der Gussform wiederzugeben), das Fließvermögen (Fließreichweite bis zum Erstarren) und das Lunkerverhalten (Formwiedergabe nach dem Erstarren) unterschieden (vgl. Wesling und Reiter o. A., S. 35). Für eine hohe Qualität ist eine gussgerechte Gestaltung des Werkstückes notwendig. Das betrifft Ausrundungen, Ausläufe und Fließverläufe. Die Vorgänge im Gusswerkzeug sind komplex und nicht exakt steuerbar. Abbildung 7: Zweiteiliges Modell und Gussstück [1, S. 41] Ober- und Unterkasten werden mit Formstoffen gefüllt, die mechanisch verfestigt werden. Zu den Modellhälften werden eine Eingießöffnung, eine Abgießöffnung und ein Steiger zum Entweichen der Luft geschaffen. Gusswerkstoffe sind Eisen, Stahl, Zink und Messing (z. B. Gasarmaturen) Sintern Das Herstellen aus pulverförmigen Stoffen hat gegenüber dem Gießen die Vorteile der größeren Maßgenauigkeit, der Energieeinsparung und der Möglichkeit, Metalle und Nichtmetalle miteinander zu verbinden. Nachteile sind hohe Kosten, teure Werkzeuge und Pressen (sehr hohe Drücke) und die Tatsache, dass nur Formen ohne Hinterscheidungen hergestellt werden können.

10 Zunächst werden sogenannte Grünlinge gepresst: Nach dem Einfüllen wird das Material durch Vibrieren des Werkzeugs vorverdichtet und anschließend über zwei entgegengerichtete Stempel bis zu 100 kn/cm 2 (100 bar) Druck ausgeübt. Dadurch Verklammern sich die Pulverteilchen. Beim anschließenden Glühen werden die Grünlinge bis knapp unter die Schmelztemperatur des Stoffbestandteils mit der höchsten Schmelztemperatur erhitzt. Überwiegend durch Gitterdiffusion an den Berührungsstellen der Kristalle entsteht eine Verbindung, die dreifache Zugfestigkeit aufweist. Gesintert werden Schneiden aus Hartmetall (aufgelötete Schneiden auf Kreissägeblättern oder Bohrern), Gleitlager, Zahnräder und Magnete. Gesinterte Hartmetalle haben eine hohe Härte, Druckfestigkeit und Wärmeverschleißfestigkeit. In diesen Belastungsarten sind sie Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen überlegen. 2.2 Hauptgruppe 2: Umformen Beim Umformen wird der Werkstoff plastisch umgeformt, ohne die Masse oder den Stoffzusammenhang zu ändern (a. a. O., S. 191). Dabei werden Drücke von wenigen N bis zu 400 MN aufgebaut, was die Herstellung teuer macht. Vorteile dieses Verfahrens sind kurze Fertigungszeiten, hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte und hohe Festigkeit des Werkstücks Varianten des Umformens Beim Umformen verändert sich der kristalline Aufbau des Werkstoffs. Vor dem Umformen ist er nahezu richtungsunabhängig (isotrop). Beim Umformen werden Gitterbereiche gegeneinander verschoben, sodass sich ein gerichtetes Gefüge ergibt (Faserrichtung). Beim Strecken (Zug) von Material wird seine Dicke verringert, beim Stauchen (Druck) wird sie vergrößert. Bis zur Fließgrenze kommt es zu proportionalen Formänderungen im Verhältnis zur Kraft. Ist die Nennzugfestigkeit eines Werkstoffes erreicht, gleiten große Gitterbereiche aneinander vorbei (Wesling o. A., S. 198), der Zusammenhalt des Gitters wird aufgelöst. Unterschieden werden Kalt- und Warmumformen, wobei Kaltumformen einen geringeren Energieaufwand benötigt, es dabei zu keiner Schwindung kommt und Maßgenauigkeit und Oberflächengüte besser sind. Beim Erwärmen wird das Umformvermögen erhöht. Unterteilt werden - das Druckumformen: Walzen, Frei- und Gesenkschmieden, - das Zugdruckumformen: Durchziehen, Tiefziehen, Drücken, - das Zugumformen: Längen, Weiten, Tiefen, - das Biegeumformen, - das Schubumformen: Verschieben, Verdrehen.

11 2.2.2 Formen des Druckumformens Walzen Walzen ist stetiges oder schrittweises Druckumformen mit drehenden Werkzeugen. Wird über Dorne gewalzt, können Rohre geformt werden. Wichtige Kenngrößen sind die Flächenpressung, die Fließspannung, der Formänderungswiderstand und die Reibung, die erforderlich ist, damit der Werkstoff von den Walzen ergriffen wird. Abbildung 8: Formen des Walzens [1] Freiformen und Gesenkformen Ein klassisches Beispiel für das Druckumformen ist das Schmieden. Es kann als Freiformen erfolgen, wenn die Werkzeuge nicht die zu erzeugende Form enthalten (Schmieden mit Hammer und Amboss). Beim Gesenkschmieden wird das Teil in ein geformtes Werkzeug gedrückt. Beispiele für das Freiformen sind das Recken, Breiten und Stauchen, für das Gesenkformen das Formpressen und das Anstauchen im Gesenk. Abbildung 9: Gesenkschmiedewerkzeug und Formteil [1] Eindrücken Beim Eindrücken dringt ein Werkzeug in die Oberfläche des Werkstücks ein. Beispiele sind das Körnen, das Prägen von Schrift oder das Walzprägen z. B. von Gewinde. Durchdrücken Beim Durchdrücken wird ein Werkstoff durch eine formgebende Werkzeugöffnung gedrückt (Wesling S. 206). Ein wichtiges Verfahren ist das Strangpressen, mit dem Stäbe, Rohre und Profile gepresst werden. Werden Einzelteile gepresst, spricht man vom Fließpressen Formen des Zugdruckumformens Durchziehen Beim Durchziehen wird der Werkstoff durch eine formgebende Matrize (mater Mutterform) ge- Abbildung 10: Formen des Gleitziehens [2]

12 zogen. So werden Stäbe, Drähte, Rohre und Profile gezogen. Tiefziehen Beim Tiefziehen wird ein Blech mit einer Patrize (Vaterform) in eine Matrize gezogen, wobei es im Idealfall zu keiner Änderung der Wanddicke kommt. Karosserien im Fahrzeugbau werden zum Teil tiefgezogen Formen des Zugumformens Längen Hauptzweck des Längens ist das Streckrichten verformter Stäbe, Profile, Rohre und Bleche. Eine auch in der Schule angewandte Form ist das Streckrichten von Kupferadern aus elektrischen Leitungen. Soll ein Kabel gerade gemacht werden, spannt man das eine Ende ein und zieht am anderen Ende mit einer Zange. Wenn die Fließgrenze erreicht ist, streckt sich der Draht und wird gerade gerichtet. Weiten und Tiefen Dabei werden vorhandene Hohlkörper weiter verformt. Weiten und Tiefen wird bei großen Blechteilen eingesetzt Formen des Biegeumformens Beim Biegen treten nicht nur Form- sondern auch Längenänderungen und Stoffeigenschaftsänderungen auf (fester, härter, spröder). Die Gefahr der Rissbildung erhöht sich durch die Faktoren Dicke des Materials, Biegeradius, Biegewinkel (an den Außenschenkeln gemessen) und Verlauf der Biegekante im Vergleich zur Walzrichtung (parallel zur Walzrichtung: erhöhte Rissbildungsgefahr). Stauchungszone: gestauchtes Gefüge, Ausbauchung Dehnungszone: gestrecktes Gefüge, Rissbildung Abbildung 11: Biegezonen Neutrale Zone: keine Gefügeoder Längenänderung Erfahrungswerte für Mindestbiegeradien: Werkstoff Blechdicke in mm 1 1,5 2,5 3 4 Stahl bis R m = 490 N/mm 2 1, AlCuMg-Legierung 2, CuZn-Legierung 1,6 2, Kupfer (weichgeglüht) 1,6 2, ,5

13 Bei der Planung eines Biegeteils wird, ausgehend von der gewünschten Form, ein Abwickelmodell erstellt. Es zeigt die Form des Blechstücks vor dem Biegen. Die Berechnung der sogenannten gestreckten Länge (Maß vor dem Biegen) erfolgt durch Addition der geraden Längen und der Längen, die sich an den Radien der neutralen Zone ergeben. Am Beispiel der Abbildung: l = 2 l l l 3 + l 4 Die Werte für l 2 und l 4 ergeben sich aus der Berechnung der Radien. Abbildung 12: Berechnung der gestreckten Länge [3] Ein Problem bilden Ausbauchungen des Blechs in Ecken. Um Formfehler zu vermeiden, werden sie mit Ausklinkungen versehen. Das können Bohrungen sein, aber auch Vielecke (vgl. Abbildung). In der Abbildung wurde fertigungsorientiert bemaßt: Die linke Kante und die Mittellinie dienen jeweils als Maßbezugslinie. Die Bemaßung von der Mittellinie aus gewährleistet, dass nach dem Biegen die stehenden Seiten symmetrisch sind. Abbildung 13: Ausklinkungen an Blechteilen; Bemaßung von Biegeteilen [3] Beim Biegen von Profilen besteht eine erhöhte Gefahr der Querschnittsveränderung. Gegenmaßnahmen sind bei kantigen Profilen (L, U) Ausklinkungen, bei Rohren der Einsatz von Biegevorrichtungen oder das Füllen mit Sand (Enden abdichten). 2.3 Hauptgruppe 3: Trennen Die Hauptgruppe Trennen wird weiter unterteilt in Zerteilen, Spanen mit geometrisch bestimmter und unbestimmter Schneide, Abtragen, Zerlegen und Reinigen Formen des Zerteilens Scherschneiden Beim Scherschneiden (spanloses Schneiden) wird das Werkstück zunächst durch den Druck des Stempels (elastisch) gebogen, dann beginnt es in die Form der Schneidplatte zu fließen, anschließend kommt es zur Rissbildung und Trennung (vgl. folgende Abbildung).

14 Abbildung 14: Phasen beim Scherschneiden [2, S. 78] Niederhalter verhindern das Aufbiegen oder Aufstellen des Bleches und damit ein zu starkes Einfließen des Schnittrandes (Kanteneinzug). Ein Schnitt weist drei Zonen auf. In Richtung vom Stempel zur Schneidplatte sind das die Zone des Kanteneinzugs (Grat), die Glattschnittzone und die Bruchzone. Zweiteilige Schneidwerkzeuge beim offenen und beim geschlossenen Schnitt werden folgendermaßen benannt: Abbildung 15: Werkzeuge bei offenem und geschlossenem Schnitt [2, 79] Große Unterschiede ergeben sich danach, ob drückend oder ziehend geschnitten wird. Beim drückenden Schneiden wirkt die Schnittkraft senkrecht zur Schneide, sodass sie auf der ganzen Länge ansetzt. Hier sind größere Kräfte nötig. Beim ziehenden Schneiden (Handblechschere, Tafelblechschere) setzt die Schneide an der Kante des Blechs an und dringt längs zur Schneide ein. Es werden Ausschneiden/Lochen, Abschneiden, Einschneiden und Ausklinken unterschieden. Jeweils liegen andere Vorgänge zugrunde, sind andere Werkzeuge erforderlich und unterscheiden sich die Schneidergebnisse. So ergeben Ausklinkungen durch Einschneiden Überschneidungen in den Ecken. Formgebende Werkzeuge mit drückendem Schnitt vermeiden das. Zerlegen Das Zerlegen (Demontieren, Entleeren, Ablöten, Auflösen von Klebeverbindungen usw.) folgt ebenfalls technischen Richtlinien. Beim Entleeren muss beispielsweise darauf geachtet werden, dass keine Verschmutzung der Umgebung stattfindet, v. a. bei toxischen Stoffen, dass Druckunterschiede beachtet werden usw. Bei einer Demontage, der anschließend eine Montage folgt, werden i. d. R. Explosionszeichnungen angefertigt ( Skript: Technische Kommunikation Technisches Zeichnen).

15 Abtragende Fertigungsverfahren Zu diesen Verfahren gehört das thermische (Plasmaschneiden, Schneidbrennen mit Gasen (Acetylen, Methan, Propan), Funkenerosion, Laserschneiden usw.), das chemische (Ätzen) und das elektrochemische (elektrochemisches Senken bei hochwarmfesten Werkstoffen, z. B. bei Turbomaschinen) Abtragen. Trennen mit Hochdruckwasserstrahlen Bei diesem Verfahren wird mit Drücken bis 400MPa gearbeitet. Reines Wasserstrahlschneiden wird hauptsächlich in der Kunststoff-, Textil- und Lebensmittelbearbeitung eingesetzt. Beim Abrasiv- Wasserstrahlschneiden werden Schleifstoffe zugegeben, damit können auch Glas und Metalle geschnitten werden Spanendes Trennen mit geometrisch bestimmten Schneiden Formen des spanenden Trennens (bei dem Späne abfallen) sind sicher die am häufigsten eingesetzte Verfahrensvariante. Beim Eindringen des Schneidkeils wird der Werkstückstoff zunächst gestaucht und dann geschert, sodass sich ein Span ablöst. Die Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug werden in die Schnittbewegung, den Vorschub und die Zustellung unterteilt ( Skript Grundsachverhalte der Technik). Nach der Schneidengeometrie wird Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide (Drehen, Bohren, Frä- Abbildung 16: Spanentstehung [2, 106] sen, Räumen, Sägen, Feilen) von Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide (Schleifen, Honen, Läppen) unterschieden. Abbildung 17: Technologische Größen des Systems spanende Bearbeitung [2, 110]

16 Die Oberflächengüte wird von folgenden Parametern beeinflusst [1, 177]: Werkstoff des Schneidteils Ein idealer Werkstoff hätte optimale Ausprägungen in den Bereichen Härte, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Warmhärte, Oxidationsbeständigkeit, Diffusions- und Klebeneigung (a. a. O., S. 112). Nun stehen sich diese Eigenschaften teilweise entgegen, gegenläufige Eigenschaften sind z. B. Härte und Zähigkeit oder Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Abbildung 18: Eigenschaften von Schneidstoffen [2] Aus der Abbildung kann die Kompromissbildung bei der Auswahl von Schneidstoffen im Zusammenhang verschiedener Parameter entnommen werden. Interessanterweise tauchen die Kosten

17 nicht auf, woraus man entnehmen kann, dass die Kostenersparnis durch eine optimale Gestaltung der technologischen Größen die Kosten für das Material schnell aufwiegt. So können bei Hartmetall 50% höhere Schnittgeschwindigkeiten gewählt werden als bei Schnellarbeitsstahl (HSS). In Deutschland werden bevorzugt Hartmetalle (Marktanteil 50%) und HSS (45%) eingesetzt, Schneidkeramiken spielen mit 4% eine marginale Rolle. Werkzeugstahl Werkzeugstähle haben einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,6-1,5%. Ihre Eigenschaften erhalten sie durch gezielte Wärmebehandlung (Härten, Anlassen; s. u.). Die wichtigsten Legierungselemente können dem Bezeichnungssystem der Abbildung entnommen werden. Diese Elemente verbessern u. a. die Durchhärtbarkeit deutlich. Abbildung 19: Bezeichnung von HSS [2, 116] Hartmetalle Hartmetalle werden aus Pulvergemischen hergestellt. In eine metallische Bindephase werden harte, aber spröde Karbide eingebracht, gepresst und gesintert. Schneidkeramiken Schneidkeramiken zeichnen sich durch hohe Druckfestigkeit, chemische Beständigkeit und Schmelztemperatur aus, reagieren aber empfindlich bei Zug-, Biege- und Schlagbeanspruchung. Hauptsächlich werden Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) und Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ) eingesetzt. Diamant und Bornitrid Diamant ist aufgrund seiner Härte sehr spröde. Er führt zu Oberflächenrauheiten von nur 0,1 m selbst bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Bohrnitrid ist das zweithärteste Material und hat eine deutlich höhere Wärmefestigkeit als Diamant. Es wird zur Bearbeitung von gehärtetem Stahl und von hochwarmfesten Legierungen (Ni, Ko) verwendet. Zusammenfassung Die Abbildung zeigt die Eigenschaften im Überblick. Abbildung 20: Übersicht mechanisch-technologischen Eigenschaften [2, 124]

18 Hilfsmittel und Prozessparameter Durch Schmierung und Kühlung können das Ergebnis und die Standzeit der Schneiden positiv beeinflusst werden. Die Abbildung zeigt die Einteilung der Kühlschmiermittel (vgl. auch Skript Grundsachverhalte der Technik ). Wichtige Prozessparameter sind Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Zustellung. Beim Schruppen kann die Schnittgeschwindigkeit um 50 % bis 100 % gegenüber dem Schlichten erhöht werden, bei Zustellung (Schnitttiefe) und Vorschub können die Werte bis zum Faktor 10 erhöht werden. Auch die Auswahl des Fertigungsverfahrens bestimmt das Arbeitsergebnis maßgeblich. Die Abbildung zeigt die erreichbaren Maßgenauigkeiten und Oberflächengüten. Abbildung 21: Kühlschmiermittel [2, 125] Abbildung 23: Maßgenauigkeit und Rautiefen unterschiedlicher Verfahren in m [2, 128] Werkzeugverschleiß entsteht durch mechanische Beschädigungen, Abplatzen von Pressschweißstellen bei Aufbauschneiden, Abrieb, Diffusion und Verzunderung. Die Standzeit gibt die Zeit in Minuten an, über die die Schneide Ergebnisse nach definierten Bedingungen liefert. Die Spanformen lassen Rückschlüsse über die Qualität des Ergebnisses zu (Spanraumzahl R: Verhältnis von Transportvolumen zum Werkstoffvolumen). Die Zerspankraft addiert sich aus Trenn-, Verformungs- und Reibungskräften beim Schneiden. Sie wird beeinflusst durch Schnittgeschwindigkeit, Spandicke, Werkzeuggeometrie, Werkstoff, Schneidstoff usw. Bei Stählen wirkt sich das Gefüge stark aus. Ferrit neigt Abbildung 22: Spanformen [2, 139]

19 zum Verkleben und damit zum Bilden von Aufbauschneiden und geringer Oberflächengüte. Zementit ist zu spröde zum Zerspanen. Fertigungsverfahren Drehen Drehen wird eingesetzt für Werkstücke mit zylindrischen Grundformen. Beim Drehen führt das Werkstück die Drehbewegung aus, das Werkzeug bewegt sich in Vorschubrichtung. Nicht abgebildet ist das Gewindedrehen. Abbildung 24: Drehverfahren [2, 169] Fertigungsverfahren Fräsen Beim Fräsen wird Planfräsen (Verfahren s. Abb. rechts [1, 258], Schraubfräsen, Wälzfräsen, Formfräsen und Profilfräsen unterschieden. Das Planfräsen ist das häufigste Einsatzgebiet. Je nach Lage der Werkzeugachse zum Werkstück wird zwischen Umfangfräsen und Stirnfräsen unterschieden. Beim Gleichlauffräsen dreht sich das Werkzeug in Richtung des Vorschubs. Hier erfolgt keine eindeutige Spanabnahme (a. a. O., S. 255), dafür Reiben und Quetschen. Gleichlauffräsen führt zu größerer Oberflächengüte. Gegenlauffräsen ist günstig bei harter Oberfläche, allerdings können Bleche von der Aufspannfläche angehoben werden und flattern. Eine höhere Anzahl an Schneiden verringert die Belastung pro Schneide und führt zu besserer Überlappung der Bahnen. Allerdings sinkt die Größe des Spanraums und steigt die Temperatur am Werkstückstoff.

20 Fertigungsverfahren Bohren Beim Bohren gibt es nur die umlaufende Schnittbewegung und den Vorschub. Die verschiedenen Verfahren zeigt die Abbildung. Werkzeuge Die Schneidenanordnung von Metallbohrern kann der Abbildung entnommen werden. Die Hauptschneiden weisen in Vorschubrichtung. Die Querschneide hat einen negativen Spanwinkel. Sie verformt den Werkstoff und drängt ihn zu den Hauptschneiden. Form und Steigung der Drallnuten bestimmen die Größe des Spanwinkels (a. a. O., S. 291). Dieser variiert von der Mitte nach außen (s. Abb.). Abbildung 25: Bohrverfahren [2, 164] Abbildung 27: oben: Aufbau eines Universalbohrers; unten: Drallwinkel [1] Abbildung 26: Schneidvorgänge an den Hauptschneiden [1, 294] Universalbohrer haben einen Drallwinkel von 18 o bis 30 o, Bohrer für harte/spröde Werkstoffe einen kleineren und Bohrer für weiche Werkstoffe einen größeren Drallwinkel.

21 Beim Zerspanen entstehen große Kräfte und sehr hohe Temperaturen. Der Abbildung kann entnommen werden, dass die Schnitttemperatur über 1000 o C liegen kann. An der schematischen Darstellung des Gefüges lässt sich erkennen, dass der Stahl in der Fließzone in einen flüssigen Zustand kommt. Verfestigt er sich an der Schneide, kommt es zu einer Aufbauschneide. Beim Bohren mit großen Durchmessern reduziert man die Kräfte, indem vorgebohrt wird. Dies erfolgt annäherungsweise mit einem Durchmesser, der etwas größer ist als die Querschneide des größeren Bohrers. Dadurch wird auch verhindert, dass die untere Werkstückschicht vom Bohrer so verformt wird, dass die Schneiden kurz vor dem Durchbohren nicht greifen können. Abbildung 28: Bedingungen beim Zerspanen [1, 78] Technologien Um die Schnittgeschwindigkeit zu ermitteln, wird zweistufig vorgegangen. Datenblättern zum Werkstückstoff wird die Schnittgeschwindigkeit entnommen.

22 Anschließend kann in einem v c -d-nomogramm die Drehgeschwindigkeit abgelesen werden. Fertigungsverfahren Gewindeschneiden Innengewinde Beim Handgewindeschneiden wird i. d. R. mit einem dreiteiligen Gewindebohrersatz gearbeitet. Mit dem Vorschneider werden 55% des Materials geschnitten, mit dem Mittelschneider 25% und der Fertigschneider nimmt die letzten 20% weg. Der Kernlochdurchmesser kann über eine Faustformel ermittelt werden: Bohrdurchmesser= 0,8 * Nenndurchmesser. Oder aber er wird in Tabellen abgelesen: Gewinde Außendurchmesser in mm Steigung Kerndurchmesser = Bohrung in mm M M M M M M Tabelle 3: Bestimmung des Kernlochdurchmessers

23 Außengewinde Rechts sind die Nenngrößen des Gewindes einer Schraube angegeben. Beim Schneiden wird so vorgegangen: Planfeilen der Stirnseite, anfasen, Schneideisen in Schneideisenhalter einsetzen, schmieren, Werkzeug orthogonal ansetzen, schneiden. Die Angaben zum Spanbrechen differieren. Häufig wird empfohlen, nach 2-3 Umdrehungen kurz zurückzudrehen, damit die Späne brechen. In der Ausbildung wird das Spanbrechen teilweise für unsaubere Oberflächen der Gewindeflanken verantwortlich gemacht. Fertigungsverfahren Sägen Beim Sägen wird die Gesamtkraft am Sägeblatt auf die Anzahl der im Eingriff befindlichen Zähne verteilt: Je mehr Zähne im Eingriff, desto geringer ist die Kraft pro Zahn. Nachteil einer feinen Zahnteilung ist aber der geringe Spanraum. Eine Teilung von t=0,8 mm (Abstand von Zahnspitze zu Zahnspitze) ist gut für Werkzeugstahl und Stahlguss, t=1,1 mm für Baustahl, Messing und Gusseisen, t=1,7 mm für Aluminium, Kupfer und Holz. Handsägen haben in der Regel kleinere Spanwinkel, Maschinensägen größere (ca. 10 o ). Sägezähne werden wie in der Abbildung bezeichnet. Abbildung 29: Freiwinkel, Zahnteilung und Spanraum (Haffer 2007, S. 26) Um Reibung zwischen Sägeblatt und Werkstück zu vermeiden, wird der Sägeschnitt breiter ausgeführt als das Sägeblatt. Dies wird erreicht durch Schränken der Zähne, durch Wellung des Blattes, durch einen Hohlschliff unterhalb der Schneiden oder durch aufgelötete, breitere Schneiden. Typische Handsägen der Metallbearbeitung sind die Handbügelsäge und die Uhrmachersäge. Sägemaschinen sind Hubsäge-, Bandsäge- und Kreissägemaschinen.

24 Fertigungsverfahren Hobeln, Stoßen und Räumen Bei diesen Verfahren werden geradlinige Schnittbewegungen erzeugt. Beim Hobeln führt i. d. R. das Werkstück die Bewegung aus, beim Stoßen das Werkzeug. Räumen geschieht mit vielschneidigen Werkzeugen. Abbildung 30: Werkzeug zum Innenräumen Fertigungsverfahren Feilen Feilen gibt es mit unterschiedlichen Querschnitten des Blattes (Flach-, Halbrund-, Rund-, Dreikant-, Vierkantfeile), in unterschiedlichen Blattlängen (Kurz-, Langfeilen), mit unterschiedlichen Hiebformen (Ein-, Kreuz-, Pockenhieb) und Hiebverläufen (gerade, schräg, gebogen). Die Schnürung, die sich bei Kreuzhieben ergibt, wirkt als Spanbrechernuten. Feilen mit gehauenen Zähnen wirken schabend, solche mit gefrästen Zähnen dagegen schneidend. Bei weichem, schmierendem Werkstoff werden einhiebige Feilen gewählt. Die Hiebnummer gibt die Anzahl der Hiebe pro Längeneinheit an Spanendes Trennen mit geometrisch unbestimmten Schneiden Die verschiedenen Verfahren (Schleifen, Honen, Läppen) erzeugen jeweils unterschiedliche Oberflächenstrukturen. Schleifen Das Schleifmittel wird mit unterschiedlichen Bindemitteln gehalten. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über eingesetzte Schleifmittel: Tabelle 4: Eigenschaften ausgewählter Schleifmittel (a. a. O., S. 169)

25 Honen Honen ist ein spanendes Verfahren mit zu Honleisten gebundenen Schleifkörpern. Durch Honen werden Zylinderlaufbahnen, Ventilstößel, Pleuelstangen und Bremszylinder bearbeitet. Läppen Beim Läppen werden in einer Flüssigkeit oder Paste verteilte Schleifkörner auf ein i. d. R. formübertragendes Werkzeug aufgebracht und dann die Oberfläche bearbeitet. Läppen gehört zur Feinstbearbeitung und führt zu Oberflächengüten von R z = 0,5 m und zu Maßtoleranzen von weniger als 1 m. 2.4 Hauptgruppe 4: Fügen Beim Fügen wird unterschieden: - Zusammensetzen: Einschieben, Einspreizen, - An- und Einpressen: Schrauben, Verkeilen, Verspannen, - Fügen durch Umformen: Drahtflechten, Bördeln, Falzen, Nieten, - Schweißen: Gasschweißen, Elektroschweißen, - Löten: Hartlöten, Weichlöten, - Kleben. Verbindungen können lösbar bzw. unlösbar sein, starr bzw. beweglich, kraftschlüssig bzw. formschlüssig bzw. stoffschlüssig Schraubverbindungen Schraubverbindungen sind lösbar. Bei ihnen wirkt ein Formschluss durch das Ineinandergreifen der Gewindeflanken von Außen- und Innengewinde und ein Kraftschluss nach dem Anziehen an den Gewindeflanken. Beim Anziehen wird der Schraubenschaft auf Zug belastet und gedehnt. Mechanische Eigenschaften von Schrauben sind die Zugfestigkeit R m (Zugspannung bis zum Bruch), die Streckgrenze R e (Zugbelastung ohne plastische Verformung), die Härte, die Bruchdehnung u. a. Schrauben werden nach Festigkeitsklassen unterschieden.

26 Tabelle 5: Festigkeitsklassen von Schrauben nach DIN EN ISO Um Schrauben nicht abzudrehen, können Drehmomentschlüssel zum Einsatz kommen. Unterschieden werden rechtsdrehende und linksdrehende Gewinde, Normalgewinde und Feingewinde, verschiedene Flankenformen usw. Bleche werden mit Blechschrauben montiert. In der Abbildung ist eine Verbindung mit Kernloch und Durchgangsloch dargestellt. Schrauben können mit Klebstoffen ( Schrauben-Lock ), die definierte Lösungskräfte aufweisen, vor unbeabsichtigtem Lösen gesichert werden. Abbildung 31: Schraubverbindung von Blechen Schrauben an Durchgangslöchern werden mit Muttern gesichert. Auch für sie gibt es Festigkeitsklassen. Um Bauteile vor Beschädigungen zu schützen und um die Kraft bei weichen Oberflächen auf eine größere Fläche zu verteilen, werden Muttern mit Scheiben unterlegt. Besondere Sperrkant- und Keilsicherungsscheiben verhindern ein unbeabsichtigtes Lösen der Mutter Formschlussverbindungen Die Verbindung wird hier durch geeignete Formgebung hergestellt. Verbindungselemente werden hauptsächlich auf Abscherung beansprucht. Formschlüssig sind Verbindungen mit Bolzen (bei zwei um eine Achse beweglichen Teile), Stiften (Übertragung von Drehmomenten), Nieten (Verbindung von dünnen Formteilen), Passfedern (radialer Schluss, axiale Ver- Abbildung 32: Passfederverbindung

27 schiebung möglich) usw Stoffschlüssige Verbindungen Zu den stoffschlüssigen Verbindungen von Metallen gehören das Kleben, das Löten und das Schweißen. Kleben Beim Kleben wirken Adhäsionskräfte (Anhangskräfte zwischen Kleber und Werkstückoberfläche) und Kohäsionskräfte (innere Bindungskräfte des Klebers). Beim Kleben werden die Oberflächen mechanisch gesäubert und entfettet, evt. Haftvermittler zugegeben, der Klebefilm aufgetragen, evt. muss der Klebefilm ablüften, die Teile werden gleichmäßig gepresst bis zum Erreichen der Festigkeit und am Ende werden überstehende Kleberreste entfernt. Aufgrund der Vielfalt an Klebern müssen die Nutzungshinweise beachtet werden. Um die Klebefläche zu erhöhen, können die Kontaktflächen vergrößert werden (Laschung, Überlappung, Schäftung, Gehrung). Löten Beim Löten werden Bauteile durch ein im erwärmten Zustand flüssiges Lot verbunden (Weichlöten unter 450 o, Hartlöten darüber). Lot und Metall der Berührungsflächen bilden dabei eine Legierung, verbinden sich also chemisch miteinander. Die Kontaktflächen müssen fett- und oxidfrei sein. Während des Lötens können die Metalle durch die große Reaktionsenergie mit der Luftfeuchtigkeit oxidieren. Um das zu verhindern, werden Flussmittel zugegeben. Sehr wirkungsvolle Flussmittel müssen nach dem Löten entfernt werden, da sie den Werkstoff chemisch angreifen. Weichlot für elektrische Arbeiten, auch für die Arbeit in der Schule, ist eine bleifreie Legierung und enthält eine Flussmittelader im Kern. Wichtig ist die Wahl eines geeigneten Lötspalts. Ist er zu klein, kann nicht genügend Lot einfließen. Ist er richtig dimensioniert, wird das Lot durch Kapillarkräfte in den Spalt gezogen. Ist er zu groß, geschieht dies nicht und die Kontaktfläche zwischen Werkstück und Lot ist zu gering. - Weichlot (Bsp.) : EN S SN60Pb40 EN Hinweis auf das Normblatt; S Weichlot; SN60 60 % Zinn; Pb40 40 % Blei. - Hartlot (Bsp.): EN 1044 B Cu54Zn 880/890 EN 1044 Normblatt; B Hartlot; Cu54Zn 54 % Kupfer, 46 % Zinn; 880/890 obere und untere Schmelztemperatur. Abfolge: Werkstücke anpassen, Lotfläche säubern, Flussmittel auftragen, Werkstück fixieren, Lötstelle gleichmäßig erwärmen, Lot einbringen, Werkstück ohne zu bewegen erkalten lassen, Flussmittelreste entfernen, Kontrolle der Lötnaht.

28 Schweißen Beim Schweißen wird der Werkstückstoff an der Kontaktstelle bis in den flüssigen Zustand erwärmt. Es ergibt sich eine unlösbare Verbindung. Durch günstige Formung der Stöße kann die Schweißnaht positiv beeinflusst werden. Unterschieden werden Gasschweißen, Lichtbogenschweißen mit Elektrode, Schutzgasschweißen und Wolfram-Inertgasschweißen. 2.5 Hauptgruppe 5: Stoffeigenschaften ändern Grundsätzlich lassen sich die Eigenschaften von Stahl durch Legieren, mechanisches Behandeln oder Wärmebehandeln ändern, indem Stoffe umgewandelt, ausgesondert oder eingebracht werden Umwandeln/ Wärmebehandeln Dieser Vorgang kann durch Glühen, Härten oder Vergüten geschehen. In der schematischen Darstellung des Wärmebehandelns werden die verschiedenen Phasen und die Unterschiede zwischen Oberflächen- und Kernerwärmung abgebildet. Die Haltezeiten müssen Angaben des Herstellers (Datenblätter) entnommen werden. Abbildung 33: Temperaturführen beim Wärmebehandeln (a. a. O., S. 175) In Abbildung 34 sind Mikroskopaufnahmen der unterschiedlichen Gefüge des Vergütungsstahls Ck 45 nach verschiedenen Wärmebehandlungen dargestellt. Es können gut die unterschiedlichen Korngrößen und die variierende Homogenität erkannt werden. Abbildung 34: Gefüge nach unterschiedlichen Wärmebehandlungen [1, 193]

29 In Abbildung 35 sind die Temperaturbereiche einzelner Wärmebehandlungsarten in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und des Gefüges dargestellt. In der Folge werden einige Verfahren gesondert vorgestellt. Diffusionsglühen Beim Diffusionsglühen kommt es aufgrund der hohen Temperaturen und der langen Haltezeit (t= 50 h) zu einem Konzentrationsausgleich in inhomogenen Kristallzonen. Außerdem wird der Stoff grobkörniger. Dadurch wird z. B. die Kerbschlagzähigkeit von Stahlguss deutlich verbessert. Normalglühen Abbildung 35: Arten der Wärmebehandlung (ebd.) Beim Normalisieren entsteht ein gleichförmiges, feinkörniges Gefüge aus Ferrit und Perlit. Dieses hat optimale Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Das ist besonders bei gegossenen, warmgeformten und geschweißten Bauteilen erforderlich. Weichglühen Durch Weichglühen mit Haltezeiten von bis zu 100 h wird Stahl über 0,5 % Kohlenstoffanteil so weich, dass er sich leichter spanen lässt. Spannungsarmglühen Durch Umformen und Spanen entstehen in Werkstoffen Spannungen. Diese können zu Maßänderungen, Rissbildungen, Gewaltbrüchen oder asymmetrischem Rundlaufen von Wellen führen. Durch eine Erwärmung bis ca. 650 o, lange Haltezeiten und langsames Abkühlen werden die Spannungen im Gitter abgebaut. Rekristallisationsglühen Durch dieses Verfahren werden Bleche, die beim Kaltformen (z. B. beim Tiefziehen) stark beansprucht wurden, zwischengeglüht. Dabei bekommen sie ihre Verformbarkeit zurück. Härten Beim Härten wird Stahl ab 0,2 % Kohlenstoffgehalt in die Gefügeform des Martensit gebracht. Dies geschieht durch Erwärmen und anschließendes Abschrecken in Öl, Wasser oder Luft. Bei Bauteilen, die an der Oberfläche hart sein müssen, im Kern aber zäh (z. B. Kurbelwellen, Nockenwellen, Zahnräder), wird lediglich die Randschicht gehärtet. Vergüten

30 Beim Härten wird das Kristallgitter bis in einen glasharten Zustand verspannt. Bei Belastungen bricht es leicht. Durch anschließendes Anlassen wird dem Stoff ein Teil der Sprödigkeit genommen. Beim Anlassen ist die Temperaturführung in allen Phasen sehr wichtig Einbringen von Stoffteilchen Durch Erwärmen und Zuführen von Legierungselementen diffundieren diese in das Metallgitter. Beispiele sind das Aufkohlen mit Kohlenstoff, das ein anschließendes Einsatzhärten eines kohlenstoffarmen Stahls ermöglicht, das Carbonitrieren, bei dem Kohlenstoff und Stockstoff eingebracht wird, was zu einer Erhöhung des Verschleißwiderstandes führt, das Nitrieren mit Stickstoff und Borieren mit Bor zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes und der Korrosionsbeständigkeit, das Chromieren, Aluminieren und Silizieren Aussondern von Stoffteilchen Dies ist meist ein ungewollter Vorgang, bei dem Kohlenstoff mit dem Luftsauerstoff reagiert und entweicht. Die entkohlten Randschichten müssen i. d. R. abgetragen werden. 2.6 Fertigungshauptgruppe Beschichten Verschiedene Verfahren dienen dem Beschichten von Metallen. Dadurch wird die Oberfläche vor Korrosion geschützt. Varianten sind das Bemalen, das Spritzen, das Bedrucken, das Tauchen und das Einbrennen. 3 Mess- und Prüftechnik 3.1 Messgeräte Messgeräte liefern einen exakten Messwert. Beispiele sind Strichmaßstäbe (Stahlmaß, Metermaß), Messchieber oder Messchrauben. 3.2 Lehren Lehren sind Geräte, die keine Messwerte liefern, sondern Aussagen wie gut oder Ausschuss. Beispiele sind Winkel, Grenzrachenlehren oder Lochlehren. Bei Oberflächen können Formabweichungen, Welligkeit, Rauheit (Rillen bzw. Riefen) und das Gefüge geprüft werden. Hierfür dienen Haarlinieale, Vergrößerungsgeräte oder Abtastnadeln.

31 3.3 Toleranzen Kein Maß, keine Form und kein Winkel können exakt dem Nennwert entsprechen. Bei der Fertigung ist immer die Toleranz bekannt, also der Bereich oberhalb und unterhalb des Nennwertes, der noch als gut bewertet wird. Bei einem Nennmaß von 60 mm erlaubt, wenn keine weiteren Angaben gemacht sind, eine Toleranz von 0,4 mm als unteres Abmaß den Wert 59,8 mm und als oberes Abmaß 60,2 mm. Die Maßangabe in der technischen Zeichnung lautet dann beispielsweise 60±0,2. Eine Toleranz von 0,4 mm kann aber auch bedeuten, dass Abweichungen nur in einer Richtung erlaubt sind. Dann würde die Maßangabe lauten: 60+0,4. Sind in der Zeichnung keine Angaben zu Toleranzen gemacht, dann gelten die allgemeinen Toleranzklassen nach DIN ISO (s. Tabelle) Tabelle 6: Toleranzklassen nach DIN ISO

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