Skript Werkstofftechnik Anja Pfennig Rohfassung 1 Normung 1 Einleitung Die Industrialisierung forderte eine Vereinheitlichung in der Technik, so dass die Ergebnisse in Normen festgehalten wurden. Die empirischen Daten greifen auf lange Erfahrung; komplizierte Berechnungen und manchmal auch auf Willkür zurück. In diesen Normen zeigen die unterschiedlichsten Interessensgruppen (Industrie, Handel, Forschung, Behörden und Verbraucher). Zweck der Normen ist Wirtschaftlichkeit, Rationalisierung und Verständigung, sowie die Regelung von Qualität, Sicherheit und Umweltschutz.. 1.1 Stahl - Einteilung und Sorten Begriffsbestimmung (nach DIN EN 10020) Als Stahl wird eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem C-Gehalt von höchstens 2 % bezeichnet. Eisenwerkstoffe mit mehr als 2 % C gelten als Gusswerkstoffe (Gusseisen). Stahl wird hier in drei Klassen eingeteilt: Unlegierte Stähle Nichtrostende Stähle Unlegierter Stahl (ca. 80% der Produktion) Cr < 0.30 % Mo < 0.08 % Ni < 0,30 % usw. insgesamt deutlich < 0,5% Ausnahme Mn < 1.60%, Si < 0,6% Unlegierte Stähle Andere legierte Stähle Stähle bei denen keiner der unten stehenden Grenzwerte erreicht wird. Unlegierte Stähle machen ca. 80% der gesamten Produktion aus. Stähle, bei denen min. einer der unten stehenden Grenzwerte erreicht ist, die jedoch nicht zu den nichtrostenden Stählen zählen Nichtrostende Stähle Stähle mit Chrom 10,5 % Kohlenstoff 1,2 % Legierter Stahl (ca. 20 % der Produktion) Niedriglegiert < 5 % Hochlegiert > 5 % Al B Bi Co Cr Cu La Mn Mo Nb Ni Pb Se Si Te Ti V W Zr 0,03 0,0008 0,1 0,3 0,3 0,4 0,1 1,65 0,08 0,06 0,3 0,4 0,1 0,6 0,1 0,05 0,1 0,3 0,05 Sowohl unlegierte, als auch legierte Stähle (nicht rostfreie) werden in Qualitäts- und Edelstähle unterteilt: Für Qualitätsstähle gelten festgelegte Anforderungen, wie Zähigkeit (d.h. wie gut sie 1 Anregungen zum Kapitel Normen stammen aus WWW Wikipedia
Qualitätsstähle Edelstähle niedrighochlegiert dehnen lassen ohne zu brechen), Schweißeignung und Umformbarkeit (d.h. Verformung). Sie sind aber nicht für eine gezielte Wärmebehandlung geeignet (Vergüten, Härten). Seine Qualität erhält der Stahl durch ein feinkörniges Gefüge (Anordnung aller Bestandteile im Werkstoff) und die geforderte Reinheit von max. 0,045 % Phosphor und Schwefel. Bei Edelstählen sind die festgelegten Anforderungen höher als bei Qualitätsstählen. Sie erreichen höhere Festigkeitswerte und sind für gezielte Wärmebehandlung (besonders Härten und Vergüten) geeignet. Der Gehalt an Schwefel und Phosphor darf höchstens 0,025 % betragen. Legierte Stähle werden weiter in niedrig- und hochlegierte Stähle eingeteilt. Sobald der Gehalt eines Legierungselements über 5 % liegt ist der Stahl hochlegiert. niedrig legierte Stähle hoch legierte Stähle < 5% je LE (Legierungselemente) > 5% mind. 1 LE (Legierungselemente) Rostfreie Stähle sind durch den hohen Chromgehalt passiviert das heißt, besonders reaktionsträge und korrosionsbeständig. Je nach Legierungselementen weisen sie verschiede Gefügeformen auf: Austenitische Stähle Sie sind die mit Abstand am weitesten verbreiteten rostfreien Stähle. Der bekannteste Vertreter ist X5CrNi18-10, auch bekannt als V4A. (V4A wird unter der Bezeichnung 18/10 gerne für Kochtöpfe und Besteck verwendet, jedoch nie für Messer) Austenitische Stähle sind nicht magnetisch, schwer zu zerspanen, aber gut umformbar und besitzen gute Schweißeignung. Sie sind sehr weich und nicht härtbar. Ferritische Stähle Sind magnetisierbar, schwer zerspanbar und schweißgeeignet. Von großer Bedeutung ist ihre Warmfestigkeit. 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. Edelstahl Rostfrei Umgangssprachlich wird der Begriff Edelstahl mit nichtrostendem Stahl gleichgesetzt, besonders mit den speziellen Legierungen V2A und V4A (Nirosta, Inox). Das Wort edel wird dabei mit der Unvergänglichkeit von Edelmetallen wie Gold und Platin verbunden. Bei Stahl steht edel aber für besondere Reinheit. Ein unlegierter Edelstahl kann sehr wohl in kurzer Zeit durchrosten.
Bezeichnung nach Verwendungszweck und Streckgrenze (Kurznamen nach DIN EN 10027-1) Kurzzeichen nach DIN EN 10 027-1 + Nach mech. o. physik. Eigenschaften Che misc he Zusa mme nset zung unlegiert niedrig legiert hoch legiert Hauptsymbol Mindest- jeweilige streck- grenze in Verwendung MPa C C-Gehalt 100 X mit C-Gehalt 100 Eigenschaft Zusatzsymbol für Stahl und Erzeugnis C-Gehalt 100 Chem. Zus. setzung mit Multiplikatoren chem. Zus. setzung ohne Multiplikatoren Wert f. d. Kerbschlagarbeit A Ausscheidungshärtend N Normalgeglüht Q Vergütet C Zum Kaltumformen D zum Drahtziehen S für Federn E max. S-Gehalt Qualitätsstähle Nicht für die Wärmebehandlung bestimmt Unlegierte Stähle für die Wärmebehandlung bestimmt Abbildung 1.1: Kurzzeichen nach DIN EN 10 027-1, Anordnung der Symbole Kürze unlegierte Qualitätsstähle 1. Unlegierte Qualitätsstähle Für unlegierte Qualitätsstähle, die nicht für die Wärmebehandlung bestimmt sind, erfolgt die Einteilung nach ihrem Verwendungszweck und der Streckgrenze (mechanischen Eigenschaften). Es wird ein Code aus mehreren Ziffern folgender Zusammensetzung angegeben, wobei jede Ziffer einer bestimmten Charakterisierung entspricht.: 1 2 3 4 5 Ziffer 1: Anwendungsbereich (Tabelle 1.1) Ziffer 2: Mindestreckgrenze R e in MPa Ziffer 3: Kerbschlagzähigkeit in J (Tabelle 1.2) Ziffer 4: diverse Zusatzeigenschaften (Tabelle 1.3) Beispiel S235JR+C S = Stähle für Stahlbau 235 = Mindestreckgrenze 235 N/mm 2 (MPa) JR = 27J Kerbschlagzähigkeit +20 C = kaltgewalzt Die geforderte Reinheit der Stähle beschränkt die Gehalte folgender Elemente auf die Gehalte: Cr < 0.30 % Mo < 0.08 % Ni < 0,30 % usw. insgesamt deutlich < 0,5% Ausnahme Mn < 1.60% Si < 0,6%
Tabelle 1.1 (Ziffer 1, unlegierte Qualitätsstähle) Anwendungsbereiche Kennziffer Abkürzung Anwendungsbereich D kaltumformbare stähle E Engineering steels Maschinenbaustähle H hochfeste Flacherzeugnisse L Steels for linepipe Stähle für Leitungsrohre P Steels for pressure purpose Stähle für Druckbehälter R Steels in the form of rails Schienenstähle B Steels for engineering concrete Betonstähle Y Steels for prestressing Spannstähle concrete S Structural Steels Stähle für Stahlblau Tabelle 1.2 (Ziffer 3, unlegierte Qualitätsstähle) Kerbschlagzähigkeit in J +20 0-20 -30-40 -50-60 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 Tabelle 1.3 (Ziffer 4, Ziffer 5 unlegierte Qualitätsstähle) Wärmebehandlung M thermomechanisch gewalzt A ausshärtend N normalgeglüht Q vergütet G andere Merkmale mit 1 oder mehreren Ziffern Verwendungseignung C kaltumformbar L für tiefe Temperaturen H für Halbprofile W wetterfest Unlegierte Edelstähle 2. Unlegierte Edelstähle Für unlegierte Edelstähle, die für die Wärmebehandlung bestimmt sind, erfolgt die Einteilung nach ihrem Chemismus. Die normgerechte Bezeichnung, beginnt mit C (chemisches Zeichen für Kohlenstoff), dann folgt eine Zahl die den Kohlenstoffgehalt angibt (aus sprachlich Vereinfachung wird der wahre Gehalt mit dem Faktor 100 multipliziert) und dann kommen die Sonderzeichen (siehe Tabelle). Außerdem hat jeder unlegierte Stahl nach dieser Norm einen Mangangehalt < 1% (ausgenommen Automatenstähle). C(k) 1 2 C: Symbol für unlegierten Stahl, der für die Wärmebehandlung bestimmt ist k: niedriger Gehalt an P und S Ziffer 1: Kohlenstoffgehalt multipliziert mit dem Faktor 100 Ziffer 2: diverse Zusatzeigenschaften: Ziffer 4: (Tabelle 1.4)
Tabelle 1.4 (Ziffer 1, unlegierte Stähle, die für Wärmebehandlungen bestimmt sind) Diverse Zusatzeignungen Zusatzsymbol Bedeutung E Maximaler Schwefelgehalt R Bereich des Schwefelgehalts C Gut zum Kaltumformen G Besondere Merkmale S für Federn U für Werkzeuge W für Schweißdraht D zum Drahtziehen Beispiel: C 45 S C45 = Kohlenstoffgehalt von 0,45 % S = Für Federn Niedrig- Legierte Stähle 3. Niedriglegierte Stähle <5% Legierungselemente Niedriglegierte Stähle erkannt man daran, dass sie kein Vorzeichen haben, sondern direkt die Angabe des Kohlenstoffgehalts multipliziert um den Faktor 100 (13Cr4 = 0,13 % C). Danach kommen die Chemischen Zeichen der Legierungselemente LE (Bsp. unten). Deren Anteil wird mit einem Faktor multipliziert, der aus C*100 LE1 LE2 LE3. Gehalt LE1*Faktor Gehalt LE2*Faktor Gehalt LE3*Faktor Beispiel: 13CrMoV4-3 13 13/100 % C = 0,13% Kohlenstoff Cr 5/4 % Cr = 1,25% Chrom Mo 3/10 % Mo = 0,3 % Molybdän V = Etwas Vanadium Multiplika- Toren Tabelle 1.5 zu entnehmen ist. Ohne Angabe ist der Anteil geringfügig (also deutlich und 1%), aber dennoch wichtig für die Eigenschaften der Legierung.: Tabelle 1.5 (Multiplikatoren der Legierungselemente) Legierungselement Faktor Sprechweise Merkhilfe Mn,Ni,Si,W,Cr,Co,... 4 Al,Cu,Mo,Ta,Ti,V,Pb.. 10 P,S,N,C,Ce, 100 B 1000 be, man,ni,si,we,cro,co, Man Sieht Nie 4 Weiße CroCodile al,cu,mo,ta,ti,vau, plomb,... Alcumotativ pe,es,en,ze,zer, Mit 100 PS nach CaNnstatt
Hoch- Legierte Stähle Schnell- Arbeitsstähle 4. Hochlegierte Stähle >5% mindestens 1 Legierungselement Einen hochlegierten Stahl erkannt man daran, dass seiner mit einem X beginnt. Der Anteil der Legierungselemente wird direkt in Prozent ohne Faktor angeben. Ausnahme ist der Kohlenstoffgehalt: Sein Anteil in Prozent wird mit dem Faktor 100 angegeben. C*100 LE1 LE2 LE3. Gehalt LE1 Gehalt LE2 Gehalt LE3 Beispiel: X5CrNiMoV17-12-2 4a. Schnellarbeitsstähle X = Hochlegierter stahl 5 5/100 % C = 0,5% Kohlenstoff Cr = 17 % Chrom Ni = 12% Nickel Mo = 12% Molybdän V = Etwas Vanadium Schnellarbeitsstähle sind eine Untergruppe der hochlegierten Stähle. Die normgerechte Bezeichnung beginnt mit den Ziffern HS für High Speed Steel. Dahinter werden die Legierungselemente W, Mo, V, Co in festgelegter Reihenfolge in Prozent, also ohne Faktor, angegeben HS Gehalt W - Gehalt Mo - Gehalt V Gehalt Co Beispiel HS 6-5-2-5 HS = Schnellarbeitsstahl 6 = 6% Wolfram 5 = 5% Molybdän 2 = 2 % Vanadium 5 = 5% Kobalt Eisenwerkstoffe 1.2 Eisen-Gusswerkstoffe Beispiel EN-GJS-350-22 EN = Europäische Norm G = Guss J = Eisen S = kugelig 350 = Mindestzugfähigkeit (Rm in N/mm 2 ) oder Chemische Zusammensetzung 22 = Bruchdehnung A in % ( S getrennt gegossen C am Werkstück entnommen ) H = Wärmebehandelt Zusatz Anforderung (immer angefügt) W = für Schweißen geeignet Zusatz Anforderung (immer angefügt) Tabelle 1.6 Struktur L Lamellar M Temperkohle S Kugelig A Austenit F Ferrit P Perlit W entkohlend geglüht
Nicht- Eisen- Metalle 1.3 Nicht-Eisenmetalle (NE-Metalle) rein: Al99,5 99,5 Gew.-%Al legiert: AlMg3Si Al mit 3 Gew.-% Mg und <3Gew.-% Si Messinge: CuZn37: 37 Gew.-% Zn, Rest Cu CuZn40Pb2 40 Gew.-% Zn, 2 Gew.-% Pb, Rest Cu Vorangestellt: Herstellung, Verwendung G: Guss, GD: Druckguss, E: elektrisches Leitmaterial Beispiel: G-AlSi12 Nachgestellt: besondere Eigenschaften F: Mindestzugfestigkeit in N/mm 2, pl: plattiert, w weich Amerika- Nische Normen 1.4 Amerikanische Normen Stähle: AISI: American Iron and Steel Institute, SAE-Society of Automotive Engineers 4-5 Ziffern: /. / / / Legierungsgruppe C-Gehalt (in Gew.-% * 100) Al-Legierungen: AA: Aluminium Association 4 Ziffern: /. / / / Legierungsgruppe Legierungselemente bzw. Reinheit Kunst- Stoffe 1.5 Kunststoffe (DIN 7728) Kurzzeichen wie PE: Polyethylen PTE: UP: ungesättigte Polyester Auswahl an Kunststoffarten /Seidel 2005/: Thermoplaste: Duroplaste (Duromere): PE Polyethylen EP Epoxid (-harz) PVC Polyvinylchlorid UF Harnstoff-Formaldehyd( Harnstoffharz) PS Polystyren MF Melamin-Formaldehyd (Melaminharz) PP Polypropylen PF Pheno.-Formaldehy (Phenolharz) PA Polyamide PUR Polyurehtane (vernetzt) UP ungesättigte Polyester Kennzeichen für Eigenschaften: Sonstige Kennzeichen: D Dichte Q Mischung verschiedener Polymeriate MW relative Molekülmasse ( ) P/U mit/ohne Weichmacher L niedrig, linear C chloriert H hoch X,V vernetzt U ultra GF glasfaserverstärkt I schlagfest
Werkstoff- Nummern 1.6 Werkstoffnummern Mit Hilfe der systematischen siebenstelligen Werkstoffnummern lassen sich alle Werkstoffe einordnen - sowohl metallische und nichtmetallische. Die Nummer setzt sich aus folgenden Ziffern zusammen: Ziffer 1 Hauptgruppe Ziffer 2-5 Sortennummer Ziffer 2 und 3 Sortenklasse Ziffer 4 und 5 Zählnummer Ziffer 6 1.Anhängezahl Ziffer 7 2.Anhängezahl Ziffer 1: Kennzahlen der Hauptgruppen 0: Roheisen, Ferrolegierungen, Gusseisen 1: Stahl, Stahlguss 2: Schwermetalle außer Fe (Eisen) 3: Leichtmetalle 4 bis 8: Nichtmetallische Werkstoffe 9: Nicht vergeben, frei für interne Nutzung Beispiel Hauptgruppe 1: Stahl 1. S2 S3 Z4 Z5. A6 A7 Ziffer 1 Hauptgruppe (1) Ziffer 2-5 Sortennummer (S und Z) Ziffer 2 und 3 Sortenklasse (S2, S3) Ziffer 4 und 5 Zählnummer (Z4, Z5) Ziffer 6 1.Anhängezahl A6 (Stahlgewinnungsverfahren) Ziffer 7 2.Anhängezahl A7 (Behandlungszustand). Ziffern 2 und 3: Sortennummern Massen- und Qualitätsstähle 00 : Handels- und Grundgüten 01...02: allgemeine Baustähle, unlegiert 03...07: Qualitätsstähle, unlegiert 08...09: Qualitätsstähle, legiert 90 : Sondersorten, Handels- und Grundgüten 91...99: andere Sondersorten Unlegierte Edelstähle 10 : Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften 11...12: Baustähle 15...18: Werkzeugstähle Legierte Edelstähle 20...28: Werkzeugstähle 32...33: Schnellarbeitsstähle 34 : verschleißfeste Stähle 35 : Wälzlagerstähle 36...39: Eisenwerkstoffe mit besonderen physikalischen Eigenschaften 40...45: Nichtrostende Stähle 47...48: Hitzebeständige Stähle 49 : Hochtemperaturwerkstoffe 50...84: Baustähle 85 : Nitrierstähle 88 : Hartlegierungen
Ziffer 6: 1. Anhängezahl Stahlgewinnungsverfahren 0: unbestimmt oder ohne Bedeutung 1: unberuhigter Thomasstahl 2: beruhigter Thomasstahl 3: sonstige Erschmelzungsart, unberuhigt 4: sonstige Erschmelzungsart, beruhigt (Zusätze, wie Al binden den Sauerstoff in der Schmelze und reduzieren damit Gasblasen und Poren) 5: unberuhigter Siemens-Martin-Stahl 6: beruhigter Siemens-Martin-Stahl 7: unberuhigter Sauerstoffausblas-Stahl 8: beruhigter Sauerstoffaufblas-Stahl 9: Elektrostahl Ziffer 7: 2. Anhängezahl Behandlungszustand 0: keine oder beliebige Behandlung 1: normalgeglüht 2: weichgeglüht 3: wärmebehandelt auf gute Zerspanbarkeit 4: zähvergütet 5: vergütet 6: hartvergütet 7: kaltverformt 8: federhart kaltverformt 9: behandelt nach besonderen Angaben