Hans Berns Werner Theisen Eisenwerkstoffe Stahl und Gusseisen

Hans Berns Werner Theisen Eisenwerkstoffe Stahl und Gusseisen

Hans Berns Werner Theisen Eisenwerkstoffe Stahl und Gusseisen 3., vollständig neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 185 Abbildungen und 45 Tabellen 123

Professor (em.) Dr.-Ing. Hans Berns Professor Dr.-Ing. Werner Theisen Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl Werkstofftechnik 44780 Bochum e-mail: berns@wtech.rub.de theisen@wtech.rub.de Ursprünglich erschienen unter dem Titel:,,Berns: Stahlkunde für Ingenieure Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. ISBN-10 3-540-29792-8 3.Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-13 978-3-540-32319-5 3. Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540- 56179-X 2.Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991, 1993 und 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Die Autoren übernehmen keine Gewähr für die Aktualität, Korrektheit, Vollständigkeit oder Qualität der bereitgestellten Informationen. Haftungsansprüche gegen den Autor, welche sich auf Schäden materieller oder ideeller Art beziehen, die durch die Nutzung oder Nichtnutzung der dargebotenen Informationen bzw. durch die Nutzung fehlerhafter und unvollständiger Informationen verursacht wurden, sind grundsätzlich ausgeschlossen, sofern seitens der Autoren kein nachweislich vorsätzliches oder grob fahrlässiges Verschulden vorliegt. Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Herstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Umschlaggestaltung: medionet AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier 7/3100/YL - 5 4 3 2 1 0

Vorwort Seit der zweiten Auflage der Stahlkunde für Ingenieure im Jahre 1993 wurde die Umwandlung von deutschen in europäische Normen soweit vollendet, dass eine dritte Auflage sinnvoll erschien. Sie sollte neben den Stählen auch die Gusseisen umfassen und trägt deshalb den neuen Buchtitel Eisenwerkstoffe. Historisch gesehen sind Stahl und Gusseisen meist getrennte Wege gegangen, was bis heute in separaten Fachzeitschriften und Büchern zum Ausdruck kommt. Das vorliegende Buch legt die Betonung auf das Gemeinsame, denn die Eigenschaftsunterschiede innerhalb der Stähle sind nicht geringer als zwischen Stahl und Gusseisen. Im Teil A geht es um die Grundlagen, unterteilt in die Kapitel Konstitution, Gefüge, Wärmebehandlung, Eigenschaften. Teil B befasst sich mit unterschiedlichen Gruppen von Eisenwerkstoffen und beschreibt die Verarbeitung und Anwendung von Normwerkstoffen, aber auch neuere Entwicklungen. Behandelt werden Unlegierte und höherfeste Werkstoffe, Werkstoffe für die Randschichtbehandlung und für Werkzeuge sowie Chemisch beständige, Warmfeste und Funktions-Werkstoffe. Das Buch ist von der langjährigen Industrieerfahrung der Autoren geprägt und richtet sich sowohl an Studierende, wie auch an Ingenieurinnen und Ingenieure, die sich bei ihrer Arbeit mit Eisenwerkstoffen auseinandersetzen müssen und dazu ihre Kenntnisse vertiefen möchten. Es setzt werkstoffkundliches Grundwissen voraus, wie es in einem Ingenieurstudium vermittelt wird. Gemessen am Umfang des Stoffes muss das Buch unvollständig bleiben und zum Teil mit Vereinfachungen arbeiten. Unser Ziel ist aber, eine zusammenhängende Übersicht mit aufschlussreichen Details zu würzen und Anregungen zur Problemlösung zu geben. Fehler sind leider nicht vollständig auszuschließen und Korrekturhinweise daher erwünscht. Die Vielzahl der genutzten Quellen lässt sich an diesem gerafften Überblick kaum aufzeigen und wurde deshalb auf ein Quellenverzeichnis für entsprechende Bilder und Tabellen beschränkt. Ohne tatkräftige Unterstützung bei der Manuskripterstellung wäre das Buch nicht fertig geworden. Die Redaktionsleitung im Lehrstuhl Werkstofftechnik lag bei Herrn Dipl.-Ing. Markus Karlsohn, der auch für die

VI Vorwort Erstellung der druckfähigen L A TEX-Version zuständig war. Vorarbeiten leistete Herr Dipl.-Ing. Martin Schellewald. Unterstützung, auch in der Beschaffung von Literatur und Normen, kam von den Herren Dipl.-Ing. Sascha Riedner, Stephan Huth, Heiko Moll. Frau Ingeborg Riemann und Frau Anett Stöffgen haben die Reinschrift und die Bearbeitung von Text und Tabellen übernommen. Viele studentische Hilfskräfte verwandelten vorhandene Tuschebilder und neue Handskizzen in Dateien. Herr Prof. Dr.-Ing. Klaus Segtrop (Fachhochschule Köln) und Herr Dr.-Ing. Sebastian Weber (Ruhr Universität) haben Korrektur gelesen und wertvolle Hinweise gegeben. Ein herzlicher Dank geht an alle Mitwirkenden. Bochum, Sommer 2006 Hans Berns Werner Theisen Hinweis: Soweit nicht anders angegeben, stehen die Legierungsgehalte in % für Masseprozent.

Inhaltsverzeichnis A Grundlagen der Eisenwerkstoffe 1 A.1 Konstitution............................. 1 A.1.1 Reines Eisen........................ 3 A.1.2 Eisen-Kohlenstoff...................... 7 A.1.2.1 System Eisen-Zementit............. 9 A.1.2.2 System Eisen-Graphit.............. 11 A.1.3 Legiertes Eisen....................... 12 A.2 Gefüge................................ 17 A.2.1 Gleichgewichtsnahes Gefüge................ 22 A.2.1.1 Stahl....................... 22 A.2.1.2 Gusseisen..................... 27 A.2.2 Gleichgewichtsfernes Gefüge................ 32 A.2.2.1 Formgebung................... 33 A.2.2.2 Austenitumwandlung.............. 34 A.2.2.3 Morphologie nach Abschrecken......... 38 A.2.2.4 Wiedererwärmen von Abschreckgefügen.... 44 A.2.3 Morphologie von Zementit und Graphit......... 49 A.3 Wärmebehandlung......................... 51 A.3.1 Glühverfahren....................... 52 A.3.1.1 Wasserstoffarmglühen.............. 52 A.3.1.2 Spannungsarmglühen.............. 52 A.3.1.3 Weichglühen von Stahl............. 53 A.3.1.4 Weichglühen von Gusseisen........... 54 A.3.1.5 Normalglühen.................. 56 A.3.1.6 Temperglühen von Gusseisen.......... 57 A.3.1.7 Lösungsglühen.................. 57 A.3.1.8 Diffusionsglühen................. 57 A.3.2 Härten und abgeleitete Verfahren............. 58 A.3.2.1 Härten...................... 58 A.3.2.2 Anlassen..................... 62 A.3.2.3 Vergüten..................... 63 A.3.2.4 Umwandeln in der Bainitstufe......... 64 A.3.3 Randschichtbehandlung/Beschichtung.......... 65

VIII INHALTSVERZEICHNIS A.3.4 Nebenwirkungen...................... 66 A.3.4.1 Thermische Nebenwirkungen.......... 66 A.3.4.2 Thermochemische Nebenwirkungen...... 68 A.4 Eigenschaften............................ 71 A.4.1 Mechanische Eigenschaften................ 71 A.4.1.1 Beanspruchung.................. 71 A.4.1.2 Verhalten von Stahl............... 74 A.4.1.3 Verhalten von grauem Gusseisen........ 91 A.4.1.4 Verhalten von weißem Gusseisen........ 94 A.4.2 Tribologische Eigenschaften................ 95 A.4.2.1 Reibung...................... 96 A.4.2.2 Verschleiß..................... 97 A.4.3 Chemische Eigenschaften................. 101 A.4.3.1 Nasskorrosion.................. 101 A.4.3.2 Hochtemperaturkorrosion............ 107 A.4.4 Besondere physikalische Eigenschaften.......... 110 A.4.4.1 Magnetische Eigenschaften........... 110 A.4.4.2 Wärmeausdehnung................ 112 A.4.4.3 Leitfähigkeit................... 112 B Eisenwerkstoffe und ihre Anwendung 115 B.1 Werkstoffe für allgemeine Verwendung.............. 115 B.1.1 Unlegierte Baustähle.................... 115 B.1.1.1 Eigenschaften.................. 116 B.1.1.2 Sorten und Anwendungen............ 124 B.1.2 Gusseisen.......................... 134 W. Theisen B.1.2.1 Zusammensetzung von grauem Gusseisen... 134 B.1.2.2 Gusseisen mit Lamellengraphit......... 137 B.1.2.3 Gusseisen mit Kugelgraphit........... 140 B.1.2.4 Gusseisen mit Vermiculargraphit........ 142 B.1.2.5 Temperguss.................... 144 B.1.2.6 Verarbeitung und Anwendung von Gusseisen. 147 B.2 Höherfeste Werkstoffe....................... 153 B.2.1 Schweißgeeignete Walzstähle............... 153 B.2.1.1 Feinkornstähle.................. 153 B.2.1.2 Mehrphasenstähle................ 156 B.2.1.3 Anwendung der schweißgeeigneten Stähle... 163 B.2.1.4 Leichte Stähle.................. 170 B.2.1.5 Perlitische Walzstähle.............. 172 B.2.2 Stähle wärmebehandelt aus der Schmiedehitze..... 172 B.2.2.1 Martensitische Stähle.............. 173 B.2.2.2 Ferritisch-perlitische Stähle........... 177

INHALTSVERZEICHNIS IX B.2.3 Baustähle für durchgreifende Wärmebehandlung.... 178 B.2.3.1 Vergütungsstähle................. 179 B.2.3.2 Höchstfeste Stähle................ 188 B.2.3.3 Harte Stähle................... 192 B.2.4 Gusseisen für durchgreifende Wärmebehandlung.... 196 W. Theisen B.2.4.1 Vergüten..................... 196 B.2.4.2 Umwandlung in der Bainitstufe / ADI..... 197 B.3 Werkstoffe für die Randschichtbehandlung............ 203 B.3.1 Werkstoffe für das Randschichthärten.......... 203 B.3.1.1 Verfahrensaspekte des Randschichthärtens.. 203 B.3.1.2 Werkstoff und Randschicht........... 205 B.3.1.3 Anwendung.................... 209 B.3.2 Nitrierstähle........................ 210 B.3.2.1 Verfahrensaspekte des Nitrierens........ 210 B.3.2.2 Werkstoff und Randschicht........... 214 B.3.2.3 Anwendung.................... 218 B.3.3 Einsatzstähle........................ 220 B.3.3.1 Verfahrensaspekte des Einsatzhärtens..... 220 B.3.3.2 Werkstoff und Randschicht........... 227 B.3.3.3 Anwendungen.................. 232 B.4 Werkzeuge für die Mineralverarbeitung.............. 235 W. Theisen B.4.1 Beanspruchung und Werkstoffkonzepte.......... 235 B.4.1.1 Hartphasen.................... 236 B.4.1.2 Metallmatrix................... 238 B.4.2 Werkzeuge aus warmgeformtem Stahl.......... 240 B.4.3 Gegossene Werkzeuge................... 243 B.4.3.1 Perlitischer Hartguss............... 244 B.4.3.2 Ledeburitisch-martensitische Gusseisen.... 244 B.4.3.3 Martensitische Chromgusseisen......... 245 B.4.4 Beschichtete Werkzeuge.................. 248 B.4.4.1 Auftragschweißen................ 248 B.4.4.2 PM-Beschichten................. 251 B.4.4.3 Verbundgießen.................. 254 B.5 Werkzeuge für die Werkstoffverarbeitung............. 255 W. Theisen B.5.1 Kaltarbeitswerkzeuge................... 256 B.5.1.1 Eigenschaften.................. 259 B.5.1.2 Beschichtete Werkzeuge............. 265 B.5.1.3 Anwendungen von Kaltarbeitswerkzeugen... 270 B.5.2 Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung........ 274 B.5.3 Warmarbeitswerkzeuge................... 276 B.5.3.1 Eigenschaften.................. 276

X INHALTSVERZEICHNIS B.5.3.2 Anwendungen.................. 279 B.5.4 Werkzeuge für die spanende Bearbeitung........ 282 B.5.4.1 Eigenschaften.................. 283 B.5.4.2 Anwendungen.................. 286 B.6 Chemisch beständige Werkstoffe................. 289 B.6.1 Allgemeine Hinweise.................... 289 B.6.1.1 Legierungskonzept................ 289 B.6.1.2 Matrixeigenschaften............... 291 B.6.2 Nichtrostende Stähle.................... 297 B.6.2.1 Eigenschaften.................. 299 B.6.2.2 Anwendung.................... 312 B.6.3 Hitzebeständige Stähle................... 317 B.6.3.1 Eigenschaften.................. 317 B.6.3.2 Anwendung.................... 320 B.6.4 Gusseisen.......................... 322 B.6.4.1 Ferritische Gusseisen.............. 323 B.6.4.2 Austenitische Gusseisen............. 324 B.6.4.3 Weiße Gusseisen / karbidreiche Stähle..... 326 B.7 Warmfeste Werkstoffe....................... 327 B.7.1 Eigenschaften........................ 330 B.7.1.1 Normalgeglühte und vergütete Stähle..... 330 B.7.1.2 Austenitische Stähle............... 336 B.7.1.3 Gusseisen..................... 338 B.7.2 Anwendungen........................ 339 B.7.2.1 Dampfkraftwerk................. 339 B.7.2.2 Gasturbine.................... 340 B.7.2.3 Lebensdauerabschätzung............ 341 B.7.2.4 Petrochemie................... 343 B.7.2.5 Ventile...................... 344 B.8 Funktionswerkstoffe........................ 345 B.8.1 Weichmagnetische Werkstoffe............... 345 B.8.2 Hartmagnetische Werkstoffe................ 349 B.8.3 Nichtmagnetisierbare Eisenwerkstoffe........... 351 B.8.4 Werkstoffe mit besonderer Wärmeausdehnung...... 352 B.8.5 Werkstoffe mit Formgedächtnis.............. 353 B.8.6 Heizleiterlegierungen.................... 356 C Anhang 359 C.1 Bezeichnung von Stahl und Gusseisen.............. 359 W. Theisen C.1.1 Regelwerke......................... 359 C.1.2 Bezeichnung für Stahl und Stahlguss........... 360

INHALTSVERZEICHNIS XI Unlegierte Stähle............... 362 Legierte Stähle................. 362 Hochlegierte Stähle.............. 363 Schnellarbeitsstähle.............. 363 C.1.3 Bezeichnung von Gusseisen................ 364 C.2 Zur Geschichte des Eisens..................... 368 C.2.1 Vom Renn- zum Schachtofen............... 368 C.2.2 Die Ausbreitung der Eisengewinnung........... 371 C.2.3 Gusseisen und Frischfeuer................. 371 C.2.4 Flussstahl.......................... 373 C.2.5 Eisenwerkstoffe....................... 374 C.3 Schriftumsangaben zu Bildern und Tabellen........... 376 Schlagwortverzeichnis 379 Liste der Legierungs- und Begleitelemente 391