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6 Grundstähle Die Klasse der Grundstähle wurde mit der Neufassung der Norm im Juli 2000 abgeschafft. Das waren Stähle, die abgesehen von ihrer relativ geringen Festigkeit auf keine Anforderungen festgelegt waren. Sowohl unlegierte, als auch legierte Stähle (nicht rostfreie) werden in Qualitäts- und Edelstähle unterteilt:

7 Qualitätsstähle Für Qualitätsstähle gelten festgelegte Anforderungen, wie Zähigkeit, Schweißeignung und Umformbarkeit. Sie sind aber nicht für eine gezielte Wärmebehandlung geeignet (Vergüten, Härten). Seine Qualität erhält der Stahl durch ein feinkörniges Gefüge und die geforderte Reinheit von max. 0,045 % Phosphor und Schwefel

8 Beispiele für Qualitätsstähle Stahlsorte DIN EN Werkstoff-nummer Alte Bezeichnung C- Gehalt S235JO St37-3U 0,17% S235J2G St37-3N 0,17% S235J2G ,17% S275JO St44-2 0,18% S275J2G St44-3N 0,18% S275J2G ,18% S355JO St52-3U 0,20% S355J2G St52-3(N) 0,20% S355J2G S355K2G ,20% S355K2G ,20%

9 Bezeichnung nach Verwendungszweck und Streckgrenze Meist wird in der ersten Ziffer der Anwendungsbereich angegeben danach kommt die Mindestreckgrenze Re gefolgt von der Kerbschlagzähigkeit und diversen Zusatzeigenschaften

10 Bezeichnung nach Verwendungszweck und Streckgrenze zum Beispiel S235JR+C S = Stähle für Stahlbau 235 = Mindestreckgrenze 235 N/mm² JR = 27J Kerbschlagzähigkeit +20 C = Kaltumformbar

11 Werkstoffnorm DIN EN Qualitätsstähle Kennbuchstabe Streckgrenze Gruppe1 Gruppe2 E 355 G1 C Maschinenbaustahl 355N/mm² unberuhigt mit besonderer vergossen Kaltumformbarkeit 11

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13 Anwendungsbereich Kennziffer D E H L P R S Anwendungsbereich kaltumformbare Stähle Maschinenbaustähle Hochfeste Flacherzeugnisse Stähle für Leitungsrohre Stähle für Druckbehälter Schienenstähle Stähle für Stahlblau

14 Kerbschlagzähigkeit +20 C 0 C -20 C -30 C -40 C -50 C -60 C JR J0 J2 J3 J4 J5 J6 27 J KR K0 K2 K3 K4 K5 K6 40 J LR L0 L2 L3 L4 L5 L6 60 J 1 Joule= 1 Newtonmeter= 1Wattsekunde

15 Kerbschlagbiegeversuchsmaschine

16 Kerbschlagbiegeversuch Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein 1905 von Augustin Georges Albert Charpy eingeführtes Verfahren der Werkstoffprüfung, das nach DIN EN relativ schnell und einfach Zähigkeitseigenschaften von Werkstoffen bestimmt. Dabei wird das Verhalten eines länglichen Quaders, der einseitig gekerbt (meist V-, seltener U-Kerbe) und im temperierten Zustand (gekühlt oder erwärmt) ist, bei hoher Verformungsgeschwindigkeit (Schlagbeanspruchung) untersucht.

17 Kerbschlagbiegeversuch Der Versuch besteht darin, dass ein Pendelhammer mit einer bestimmten Energie auf die Rückseite der Probe trifft und sie dabei zerschlägt. Dabei wird im Moment des Aufschlagens auf die Probe ein Teil der Energie des Hammers durch Verformungsprozesse in der Probe absorbiert.

18 Kerbschlagbiegeversuch Entsprechend der Energie, die während des Zerschlagens von der Probe absorbiert wird, schwingt der Pendelhammer auf der anderen Seite weniger hoch. Würde er widerstandsfrei durchschwingen, würde er dieselbe Höhe wie am Anfang erreichen. Ermittelt wird somit die Kerbschlagarbeit W in Joule, für einen bestimmten Werkstoff bei einer bestimmten Temperatur.

19 Kerbschlagbiegeversuch W=m*g*(h`-h) W: Kerbschlagarbeit in Joule m: Masse des Pendelhammers in kg g: Fallbeschleunigung (Erde: 9,81 m/s²) h' h: Fallhöhe - Steighöhe des Pendelhammers

20 Kerbschlagbiegeversuch Das Verformungsvermögen eines Werkstoffes kann unter unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen verschieden sein. Deshalb ist die Kenntnis über das Verformungsverhalten des Werkstoffs ein wichtiges Kriterium für die Werkstoffbeurteilung bzw. Werkstoffauswahl. In zahlreichen Fällen hat es sich gezeigt, dass vor allem krz-werkstoffe, die bei der üblichen Festigkeitsprüfung im (statischen) Zugversuch die Anforderungen erfüllen, in der Praxis zum Beispiel bei mehrachsiger Beanspruchung und tieferen Temperaturen durch Sprödbruch versagen können. Vor Kenntnis der möglichen starken Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit sind wiederholt Schiffe (wie z. B. die Liberty-Frachter) bei niedriger Temperatur auf ruhiger See spröde auseinandergebrochen.

21 Kerbschlagbiegeversuch Zähigkeit und Sprödigkeit sind also Eigenschaften, die nicht allein vom Werkstoff abhängen, sondern auch von den Beanspruchungsbedingungen wie Spannungszustand, Verformungsgeschwindigkeit und Temperatur. Wegen des Auftretens mehrachsiger und/oder schlagartiger Beanspruchung in der technischen Praxis ist es notwendig, neben Bruchdehnung und Brucheinschnürung, die im Zugversuch bestimmt werden, das Werkstoffverhalten auch unter Sprödbruchbedingungen zu untersuchen.

22 Kerbschlagbiegeversuch Die im Kerbschlagbiegeversuch ermittelte Kerbschlagarbeit W geht ebenso wie die Verformungskennwerte A (Bruchdehnung) und Z (Brucheinschnürung) aus dem Zugversuch nicht direkt in die Festigkeitsberechnung ein. Daher ist mit Hilfe dieser Größen nur eine qualitative Aussage bzw. eine Klassifizierung bezüglich des Energieabsorptionsvermögens des Werkstoffs möglich

23 Zusatzeigenschaften Gruppe 1 M N Q G thermomechanisch gewalzt normalgeglüht vergütet andere Merkmale mit 1 oder mehreren Ziffern

24 Zusatzeigenschaften Gruppe 2 C L H W kaltumformbar für tiefe Temperaturen für Halbprofile Wetterfest

25 Edelstähle unlegierte- und legierte Stähle Bei Edelstählen sind die festgelegten Anforderung höher als die bei Qualitätsstählen. Sie erreichen höhere Festigkeitswerte und sind für gezielte Wärmebehandlung (besonders Härten und Vergüten) geeignet. Die Qualität der nochmals verbesserten Reinheit wird durch besondere Herstellungsverfahren wie das Elektroschlacke- Umschmelzverfahren erreicht. Schlackeeinschlüsse werden weitgehend entfernt, der Gehalt an Schwefel und Phosphor darf höchstens 0,025 % betragen

26 Edelstähle unlegierte Stähle- und legierte Stähle Die normgerechte Bezeichnung beginnt mit C (chemisches Zeichen für Kohlenstoff), dann folgt eine Zahl die den Kohlenstoffgehalt angibt und dann kommen die Sonderzeichen (siehe Tabelle). Außerdem hat jeder unlegierte Stahl nach dieser Norm einen Mangangehalt < 1% (ausgenommen Automatenstähle).

27 Werkstoffnorm DIN EN Unlegierte Stähle Kennbuchstabe Kennzahl Zusatzsymbol C-Gehalt C 35 E unlegierter Stahl 0,35% C vorgeschriebener max. S-Gehalt 27

28 Werkstoffnorm DIN EN Zusatzsymbol E R C G S U W D Bedeutung Maximaler Schwefelgehalt Bereich des Schwefelgehalts Gut zum Kaltumformen NMBV Besondere Merkmale für Federn für Werkzeuge für Schweißdraht zum Drahtziehen

29 Eisen-Gusswerkstoffe EN-GJS EN = Europäische Norm G = Guss J = Eisen S = Kugelig (Struktur) L = Lamellar M = Temperkohle S = Kugelig A = Austenit F = Ferrit P = Perlit W = entkohlend geglüht 350 = Mindestzugfähigkeit (Rm in N/mm²) oder Chemische Zusammensetzung 22 = Bruchdehnung A in % ( S getrennt gegossen C am Werkstück entnommen ) Zusatz Anforderung(immer angefügt) H = Wärmebehandelt W = für Schweißen Geeignet

30 Schnellarbeitsstahl Der Name HSS leitet sich vom englischen High Speed Steel ab, was häufig mit Hochleistung-Schnellschnittstahl übersetzt wird. Sie sind äußerst verschleißfest und widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen und Temperaturwechsel. Sie werden für Bohrer, Fräser und Drehmeißel in der Zerspanung eingesetzt. Eine deutliche Verbesserung von Schnittleistung und Standfestigkeit des Werkszeugs wird durch eine Beschichtung mit Hartmetall erreicht. Besonders häufig wird dazu Titannitrit (TiN, zu erkennen an der goldene Färbung) oder Titancarbid (TiC) verwendet.

31 Schnellarbeitsstähle Die normgerechte Bezeichnung beginnt mit den Ziffern HS dahinter werden in einer bestimmten Reihenfolge ( W, Mo, V, Co ) die Legierungsmetalle in Prozent angegeben Beispiel HS HS = Schnellarbeitsstahl 10 = 10% Wolfram 4 = 4% Molybdän 3 = 3 % Vanadium 10 = 10% Kobalt 11 Hydrobelaxid

32 Niedriglegierte Stähle Niedriglegierte Stähle erkannt man daran, dass sie mit der Angabe des Kohlenstoffgehalts als zweistelliger Zahl beginnen. (z.b. 17Cr3 = 0,17 % Kohlenstoff). Danach kommen die Legierungselemente (Siehe Bsp. unten). Deren Anteil wird durch einen Faktor dividiert, der aus der Tabelle zu entnehmen ist. Ohne Angabe ist der Anteil geringfügig, aber dennoch wichtig für die Eigenschaften der Legierung

33 Niedriglegierte Stähle Als niedriglegiert bezeichnet man Stähle, bei denen kein Legierungselement einen mittleren Gehalt von 5 Massenprozent überschreitet. Bezeichnung: Ganz vorne der Kohlenstoffgehalt in Massenprozent mal 100, gefolgt von den chemischen Elementsymbolen der Legierungselemente in der Reihenfolge sinkender Massenanteile, und am Ende in der gleichen Reihenfolge, getrennt durch Bindestriche die Massenanteile der zuvor aufgeführten Legierungselemente, die mit folgenden Faktoren multipliziert wurden, um auf größere ganze Zahlen zu kommen: 1000: B 100: C, N, P, S, Ce 10: Al, Cu, Mo, Ti, V, Be, Ta, Zr, Nb, Pb 4: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

34 Niedriglegierte Stähle Beispiel: 30NiCrMo12-6 0,3 % Kohlenstoff (0,3=30:100) 3 % Nickel (Ni: 3=12:4) 1,5 % Chrom (Cr: 1,5=6:4) und geringem, nicht genanntem Anteil Molybdän (Mo).

35 Legierte Stähle Legierte Stähle werden weiter in niedrig- und hochlegierte Stähle eingeteilt. Sobald der Gehalt eines Legierungselements über 5 % liegt ist der Stahl hochlegiert. Diese Grenze wurde relativ willkürlich festgelegt und dient nur der guten Lesbarkeit in der Werkstoffbezeichnung

36 Werkstoffnorm DIN EN

37 Rostfreie Stähle Rostfreie Stähle sind durch den hohen Chromgehalt passiviert das heißt, besonders reaktionsträge und korrosionsbeständig. Je nach Legierungselementen weisen sie verschiede Gefügeformen auf:

38 Rostfreie Stähle Austenitische Stähle Sie sind die mit Abstand am weitesten verbreiteten rostfreien Stähle. Der bekannteste Vertreter ist X5CrNi18-10, auch bekannt als V2A. Austenitische Stähle sind nicht magnetisch, schwer zu zerspanen aber gut umformbar und besitzen gute Schweißeignung. Sie sind sehr weich und nicht härtbar. (V4A wird unter der Bezeichnung 18/10 gerne für Kochtöpfe und Besteck verwendet, jedoch nie für Messer)

39 Rostfreie Stähle Ferritische Stähle Sind magnetisierbar, schwer zerspanbar und schweißgeeignet. Von großer Bedeutung ist ihre Warmfestigkeit

40 Rostfreie Stähle Martensitische Stähle- sie weisen die höchste Festigkeit unter den rostfreien Stählen auf und können die größte Härte erreichen. Sie werden unter anderem für Messer und andere Schneidwerkzeuge in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Sie sind magnetisierbar und leicht zu zerspanen, aber können nur schlecht geschweißt werden.

41 Systematik der Werkstoffnummern 41

42 Allgemeiner Baustahl mit einem C-Gehalt von 0,15-0,5 %. Für Bauteile mit normaler Temperaturbeanspruchung. Günstiger Werkstoff für allgemeine Konstruktionen. Schweißgeeigneter Feinkorn-Baustahl Wie allg. Baustahl, jedoch mit Zusätzen zur Verfeinerung des Korns. Verbesserte Zähigkeit und Festigkeit.

43 Einsatzstahl 0,05-0,2 %-C; teilweise legiert mit Cr, Mn, Mg, Ni. An sich nicht härtbar. Beim Einsatzhärten wird die Oberfläche gezielt mit Kohlenstoff angereichert und gehärtet, der Kern bleibt zäh. Verwendung für Wellen, Zahnräder, Nocken, Kettenglieder

44 Einsatzstahl Zu den Einsatzstählen gehören die unlegierten und niedriglegierten Stähle bis zu einem maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,20 %. Da Einsatzstähle zu wenig Kohlenstoff aufweisen, um beim martensitischen Härten nennenswerte Festigkeitssteigerungen zu erzeugen, werden diese in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre eingesetzt (Einsatzhärten) und hierzu auf Temperaturen zwischen 880 C und 1050 C erhitzt (geglüht).

45 Beispiele für Einsatzstähle C15E: Edelstahl 0,15 % C; weichgeglüht (nur an der überholten Normbezeichnung "Ck 15 G" erkennbar); unlegiert 25 Mo Cr 4 BF: 20MnCr5 17CrNiMo6 16MnCr5 (Euronorm: EC80) 15CrNi6

46 Vergütungsstahl 0,22-0,6 %-C, teilweise legiert mit Cr, Ni, Mo, V. Werkstoffe, die zum Vergüten vorgesehen sind. Dabei wird der Stahl gehärtet und angelassen dass heißt, die Spannungen im Stahl werden teilweise wieder abgebaut. Sehr hohe Festigkeit bei guter Zähigkeit. Ein besonderes Merkmal ist die Vergütungstiefe, also wie weit die Vergütung unter die Oberflache reicht. Antriebs- und Getriebewellen, Bolzen, Radreifen (Bahn)

47 Beispiele für Vergütungsstähle Kurzname Werkstoffnummer Streckgrenze Re N/mm² min Zugfestigkeit Rm N/mm² C22E C45E CrS CrMoS CrMo CrNiMo CrV

48 Nitrierstahl 0,31-0,41 %-C, legiert mit den Nitridbildnern Al, Cr, Ti. Beim Nitrieren wird die Oberfläche mit Stickstoff behandelt, es bilden sich extrem harte Nitride, welche die Oberfläche verschleißfest machen. Für Zahnräder, Nocken, Ventile (Motorkopf)

49 Automatenstahl durch Zulegieren von Blei oder Schwefel wird der Stahl für die Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren optimiert. Werkzeugverschleiß und Zerspanungskräfte werden reduziert, Späne in kurzen Abständen gebrochen. Die Bildung langer Fließspäne, welche die Maschinen verstopfen, wird verhindert. Für Zerspanungsteile in Massenfertigung.

50 Blankstahl keine eigene Klasse nach der Zusammensetzung. Blankgezogene Teil weisen durch Kaltverformung erhöhte Festigkeit auf und habe glatte Oberflächen mit hoher Maßgenauigkeit Kostenreduzierte Fertigung von Maschinenteilen, ohne weitere Oberflächenbearbeitung

51 Unlegierte Werkzeugstähle Härtbarkeit und Festigkeit werden im Wesentlichen durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt. Die Einhärtetiefe ist nur gering und bei Temperatur ab 200 C tritt ein deutlicher Härteabfall ein. Verwendung für Stempel und Schneidplatten von Stanzen (nicht zu verwechseln mit Wendeschneidplatten für Drehmaschinen), sowie für Biege- und Ziehwerkzeuge.

52 Legierte Kaltarbeitsstähle Durch Legierungszusätze wie Cr, V, W und Si werden Zähigkeit, Druckfestigkeit und der Verschleißwiderstand erhöht. Außerdem wird der Härteverzug reduziert. Die Arbeitstemperatur ist auch hier auf max. 200 C beschränkt. Verwendung für Zangen, Maulschlüssel und andere Handwerkzeuge

53 Legierte Warmarbeitsstähle Zusätzlich mit Co, Mo und Ni legiert wird die Arbeitstemperatur auf max. 400 C gesteigert. Einsatz für Schmiede-Gesenkformen und Spritzgussformen

54 Legierungselemente Einfluss der Legierungselemente Molybdän : verbessert die Verschleißfestigkeit des Stahles, wird also gern in Wellen und Zahnrädern mit hoher Beanspruchung eingesetzt Blei: Wird fast nur bei Automatenstählen eingesetzt, die zum Drehen geeignet sind, um eine bessere Oberfläche zu erhalten Schwefel: Wird gern wegen seinen kurz brechenden Spänen in Automatenstählen eingesetzt Allerdings führt Schwefel zu einer schlechteren Umformbarkeit. Chrom : Wird oft bei hochbeanspruchten Teilen benutzt aber auch als verbesserter Korrosionsschutz und Wärmefestigkeit Mangan : Erhöht die Zugfestigkeit und somit auch die Belastbarkeit sie werden gern bei Automatenstählen und bei Kunstoffpressen eingesetzt Wolfram: Sehr hitzebeständig (Schmelzpunkt bei 3422 C ) meist in Werkzeugstählen oft Warmarbeitstählen (hohe Dichte 19,25 kg/dm3 ) Nickel: Hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit wird gern in hoch beanspruchtem Stahl benutzt Aber auch in Chemie Tanks findet es Verwendung Vanadium: Sehr Hart sehr hitzebeständig Wird meistens in Werkzeugstähle eingesetzt 54