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2008 | Buch

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Eisenwerkstoffe – Stahl und Gusseisen

verfasst von: Professor Dr.-Ing. Hans Berns, Professor Dr.-Ing. Werner Theisen

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das erfolgreiche Standardwerk zu Eisenwerkstoffen liegt nun in der 4. Auflage vor. Mit der gemeinsamen Behandlung von Gusseisen und Stahl werden dem Leser Gemeinsamkeiten, aber auch grundsätzliche Unterschiede dieser wichtigen Werkstoffgruppen in übersichtlicher Form nahe gebracht.

Die bewährte Aufbereitung des Stoffes von den Grundlagen des Gefüges, den Gebrauchs- und Fertigungseigenschaften bis zur Verarbeitung, Wärmebehandlung und industrieller Anwendung von genormten und neueren Eisenwerkstoffen wird beibehalten. Diese reichen von unlegierten bis zu höchstlegierten Sorten. Das Buch schließt mit einem Anhang über die Bezeichnung von Gusseisen und Stahl nach EURO-NORM und über die Geschichte des Eisens.

Das Werk richtet sich an Ingenieure in der Praxis, an Werkstoffwissenschaftler und an Ingenieurstudenten. Für die einen bietet es viele nützliche Fallbeispiele, für die anderen eine gründliche Einführung. Die Autoren kommen aus der Industrie und lehren an der Ruhr-Universität Bochum.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen der Eisenwerkstoffe

A.1. Konstitution

Zusammenfassung

Dieses Kapitel beschreibt, in welcher Verfassung bzw. in welchem Zustand sich Eisenwerkstoffe befinden können. Gemeint ist der Ordnungszustand der Atome. Oberhalb der Siedetemperatur schwirren sie im gasförmigen Zustand ungeordnet und weit voneinander entfernt durch den Raum. Zwischen Siedeund Erstarrungstemperatur bewegen sie sich im flüssigen Zustand ungeordnet aber eng beieinander. Unterhalb der Erstarrungstemperatur liegen sie im festen Zustand kristallin geordnet vor und ihre Bewegung ist auf Schwingungen um Fixpunkte im Kristallgitter begrenzt. Es gibt mehr als nur eine kristalline Anordnung der Atome. Bereiche mit einem einheitlichen Ordnungszustand werden als Phase bezeichnet. In Eisenwerkstoffen können gleichzeitig mehrere Phasen auftreten z. B. im Übergang flüssig/fest oder in Form unterschiedlich geordneter Kristallarten. Der Zustand gilt als homogen, wenn nur eine Phase vorliegt und als heterogen, wenn es mehr sind.

Hans Berns, Werner Theisen

A.2. Gefüge

Zusammenfassung

Die in Zustandsschaubildern aufgezeigte Konstitution von Eisenwerkstoffen beschreibt die Art und Menge der im thermodynamischen Gleichgewicht stehenden Phasen, macht aber keine Aussagen über ihre Gestalt und räumliche Verteilung. Diese morphologischen Aspekte werden unter dem Begriff Gefüge behandelt, dessen Bausteine die Phasen sind. Sie enthalten Fehlordnungen, sind durch Grenzflächen verbunden und werden von Anisotropien und Seigerungen überlagert. Von dem durch langsame Temperaturänderungen entstandenen, gleichgewichtsnahen Gefüge ist das gleichgewichtsferne Gefüge zu unterscheiden, wie es z. B. durch rasche Selbstabkühlung einer Laserschweißnaht entsteht oder gezielt durch Abschrecken bei der Wärmebehandlung eingestellt wird.

Hans Berns, Werner Theisen

A.3. Wärmebehandlung

Zusammenfassung

Bezogen auf die Gesamterzeugungsmenge der Eisenwerkstoffe wird der größere Teil nicht einer gesonderten Wärmebehandlung unterzogen, sondern erhält sein Gefüge durch die Erstarrung sowie die gesteuerte Umformung und Abkühlung. Bei Stahlhalbzeug (Band, Profil, Rohr, Draht) kommt es im Rahmen der thermomechanischen Behandlung zu einer Kombination von Warmumformung und Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung aus der Warmumformhitze finden wir z. B. auch bei Gesenkschmiedestücken. Für Gusseisen führt die Abstimmung der Schmelzenzusammensetzung auf den Erstarrungsquerschnitt, d. h. die Abkühlrate in der Form, vielfach zum Ziel. Dabei wird auch ein Warmausleeren aus der Sandform angewendet, um z. B. die Perlitbildung anzuregen.

Hans Berns, Werner Theisen

A.4. Eigenschaften

Zusammenfassung

Die Eigenschaften der Eisenwerkstoffe beruhen auf dem Gefüge, das durch die chemische Zusammensetzung und den Fertigungsablauf entsteht. Die geforderten Gebrauchseigenschaften richten sich bei Stahl und Gusseisen als Strukturwerkstoff nach der Beanspruchung. Sie tritt als mechanische, tribologische und/oder chemische Beanspruchung auf. Bei der Verwendung als Funktionswerkstoff stehen besondere physikalische Eigenschaften im Vordergrund.

Hans Berns, Werner Theisen

Eisenwerkstoffe und ihre Anwendung

B.1. Werkstoffe für allgemeine Verwendung

Zusammenfassung

Für die allgemeine Verwendung im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau wie auch im Bauwesen werden „unlegierte“ Eisenwerkstoffe herangezogen, die jedoch nach DINEN10020 gewisse Gehalte an Mangan, Silizium und anderen Legierungselementen aufweisen. Kohlenstoff wird ihnen nicht zugerechnet, bestimmt aber über den Perlitgehalt im Gefüge vor allem die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe, die sich in unlegierte Baustähle und Gusseisen unterteilen lässt.

Hans Berns, Werner Theisen

B.2. Höherfeste Werkstoffe

Zusammenfassung

Legierungszusatz und Wärmebehandlung sind einzeln oder in Kombination geeignet, die Festigkeit von Eisenwerkstoffen anzuheben. Bei Stählen kommt die gesteuerte Warmumformung und Abkühlung hinzu, die als thermomechanisches Walzen bezeichnet wird. Die dabei angestrebte niedrige Endtemperatur der Umformung verbietet sich beim Gesenkschmieden meist wegen zu hoher Werkzeugbelastung. Es wird aber vielfach aus der Schmiedehitze abschreck- oder ausscheidungsgehärtet und so ein nachträgliches Austenitisieren eingespart. Bei Gusseisen steht die Umwandlung in der Bainitstufe im Vordergrund.

Hans Berns, Werner Theisen

B.3. Werkstoffe für die Randschichtbehandlung

Zusammenfassung

In der Oberflächentechnik kommt eine Vielzahl von Verfahren zur Randschichtbehandlung oder Beschichtung zum Einsatz (s. Kap. A.3, S. 71). Für einige Verfahren stehen optimierte Werkstoffe zur Verfügung. Im folgenden werden eine thermische und zwei thermochemische Wärmebehandlungen zur Randschichtbeeinflussung beschrieben und geeignete Werkstoffe vorgestellt. Die drei Verfahren verfolgen ein gemeinsames Ziel: Über einem duktilenWerkstückkern sollen durch Steigerung der Härte und Ausbildung von Druckeigenspannungen im Rand der Verschleißwiderstand und die Schwingfestigkeit erhöht werden.

Hans Berns, Werner Theisen

B.4. Werkzeuge für die Mineralverarbeitung

Zusammenfassung

Werkzeuge haben in der Geschichte der Menschheit eine lange Tradition. Bereits 400 000 Jahre v. Chr. benutzte der Homo Erectus als Vorfahre des Homo Sapiens Jagdwerkzeuge aus Holz, für deren Fertigung er Steinwerkzeuge wie Faustkeil, Kratzer und Messer einsetzte. In der Eisenzeit um 800 v. Chr. wurden in Europa Werkzeuge aus Eisen hergestellt, die der Menschheitsgeschichte einen enormen Schub verliehen (s. Kap. C.2, S. 392). Werkzeuge und das Wissen um die dafür geeigneten Werkstoffe sind bis heute ein wichtiger Motor des technischen Fortschritts.

Hans Berns, Werner Theisen

B.5. Werkzeuge für die Werkstoffverarbeitung

Zusammenfassung

Werkzeuge für die Werkstoffverarbeitung bilden das Herzstück der Formgebung durch Urformen (z. B. Druckgießen und Pulvermetallurgie), Umformen (z. B. Schmieden, Strang- und Fließpressen) sowie Trennen (z. B. Schneiden und Spanen). Um ihre Form behalten zu können, werden Werkzeuge in den verschiedenen Anwendungsgebieten in unterschiedlichen Härten eingesetzt. Daraus ergeben sich in der Praxis folgende Anhaltswerte für ihre Gebrauchshärte: reine Polymerverarbeitung 30 bis 35HRC, Metallverarbeitung (warm) 40 bis 50HRC (kalt) 55 bis 65HRC. Steht Verschleiß im Vordergrund, können höhere Härten oder harte Schichten erforderlich werden.

Hans Berns, Werner Theisen

B.6. Chemisch beständige Werkstoffe

Zusammenfassung

Die Matrix dieser Eisenwerkstoffe besteht aus Ferrit, Austenit, Martensit oder einem Gemisch dieser Phasen. Nach dem Ausscheidungszustand des Kohlenstoffs ergeben sich drei Werkstoffgruppen:

Stähle mit gelöstem Kohlenstoff bzw. geringer Karbidmenge
Stähle mit feinen Sekundärkarbiden
Stähle und Gusseisen mit groben eutektischen Ausscheidungen (Karbid, Graphit)

Hans Berns, Werner Theisen

B.7. Warmfeste Werkstoffe

Zusammenfassung

In warmgehenden Arbeitsmaschinen und Anlagen wie z. B. in der Energietechnik werden warmfeste Werkstoffe eingesetzt. Sie sollen bei erhöhter Temperatur möglichst hohe Belastungen aufnehmen und einen ausreichenden Widerstand gegen Hochtemperaturkorrosion besitzen. Im Unterschied zu den hitzebeständigen stehen bei den warmfesten Werkstoffen die mechanischen Eigenschaften im Vordergrund.

Hans Berns, Werner Theisen

B.8. Funktionswerkstoffe

Zusammenfassung

Die bisher behandelten Eisenlegierungen sind als Strukturwerkstoffe im Einsatz, d. h. als kraftübertragende Bauteile, bei denen es neben den tribologischen und chemischen auch auf die mechanischen Eigenschaften ankommt. Im folgenden werden Eisenwerkstoffe und verwandte Legierungen behandelt, bei denen aufgrund besonderer physikalischer Effekte bestimmte Funktionen im Vordergrund stehen.

Hans Berns, Werner Theisen

Backmatter

Titel: Eisenwerkstoffe – Stahl und Gusseisen
verfasst von: Professor Dr.-Ing. Hans Berns
Professor Dr.-Ing. Werner Theisen
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-540-79957-3
Print ISBN: 978-3-642-31923-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-79957-3

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