Einteilung Fertigungstechnik DIN 8580

Einteilung Fertigungstechnik DIN 8580
Zusammenhalt wird
1. Urformen Fertigen eines festen Körpers
aus formlosem Stoff geschaffen S
2. Umformen Bildsames Ändern der Form
eines festen Körpers beibehalten J
3. Trennen Formändern eines festen Körpers
durch örtliches Aufheben des vermindert J
Zusammenhaltes
aufgehoben
4 Fügen Zusammenbringen von Werkstücken
(auch mit formlosem vermehrt S
Stoff
5 Beschichten Aufbringen einer festhaftenden vermehrt S
Schicht aus formlosem Stoff
6 Stoffeigenschaften Ändern der Eigenschaften des Werk- beibehalten (S)
ändern stoffs

Urformen
1.1. aus dem flüssigen Zustand
(Gießen, vorwiegend von Metallen)
1.2. aus dem plastischen Zustand
(Spritzgießen von Kunststoffen)
1.3. aus dem breiigen Zustand
(keramische Schlicker)
1.4. aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand
(Pressen, zusätzlich häufig Sintern, Brennen
Keramik, hochschmelzende Metalle)
1.5. aus dem span- oder faserförmigen Zustand
.
.
1.8. aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand
1.9. aus dem ionisierten Zustand

Schmelzen und Erstarren von Legierungen
Modellsystem: Eutektisches System Sn/Pb
(Andere Systeme als eutekische sind möglich, aber nicht so bedeutend)
enges breites enges Erstarrungsintervall

Das eutektische System/Gefüge
Eutektische Systeme (griech. gut schmelzend) haben einen einheitlichen
Schmelzpunkt im Tripelpunkt a + b + Schmelze. Die Abkühlungskurve
hat einen Haltepunkt.
Während des Erstarrungsvorgangs findet eine Umverteilung der Komponenten
durch Diffusion statt. A verläßt die Bereiche in denen b entsteht
und umgekehrt. Die Diffusionsprozesse laufen mit der Erstarrung ab
B B A A B B A A B B
Es entsteht das typische lamellare
Gefüge einer eutektischen Legierung
a b a b a

Über/Untereutektische Gefüge
Untereutektische Systeme beginnen die Erstarrung mit der Entstehung
der a-Phase aus der Schmelze. Die Schmelze verarmt an A (reichert sich
an mit B); die Erstarrungstemperatur fällt kontinuierlich bis die eutektische
Zusammensetzung erreicht ist. Der Rest der Schmelze kristallisiert dann
bei konstanter Temperatur mit eutektischem Gefüge. Übereutektische Systeme
erstaren analog, jedoch kristallisiert zuerst b-Phase aus
Das charakterristische Gefüge eines
untereutektischen Systems mit a-Phase
und Eutektikum
Übereutektisches System, b-Phase
mit Eutektikum

Kristallisation aus der Schmelze
Zur Einleitung der Bildung von Kristallen muß:
• ein Keim vorhanden sein
homogene Keimbildung: der Keim besteht
aus der neuen Phase
heterogene Keimbildung: der Keim besteht
aus einem Fremdkörper
Ohne Vorhandensein eines Keims kann Kristallisation unterbleiben, auch
wenn die Umwandlungstemperatur erheblich unterschritten ist
Sinngemäß gilt dies auch für alle anderen Phasenumwandlungen,
(oft auch für beide Richtungen)
Damit ein Keim zum Kristall wächst muß:
•Material zum Wachstumsort gelangen
(diffundieren)
•die latente Umwandlungswärme ab- oder
zugeführt werden
Fehlende Diffusionsmöglichkeit unterbindet in der Regel die Kristallisation

Keimbildungsgeschwindigkeit
Temperaturabhängigkeit der Keimbildung
Grundsätzlich können sich
mit zunehmender Unterkühlung
Keime leichter bilden, weil dann
auch sehr kleine Keime schon
stabil sind.
Da aber auch die Energie in der
Schmelze absinkt, wird die
Keimbildung bei starker
Unterkühlung wieder erschwert.
Durch diese gegenläufigen Trends
gibt es ein Maximum der
Keimbildungsgeschwindigkeit in
Abhängigkeit
von der Unterkühlung
Unterkühlung - T
Unterkühlung

Wachstum von Kristallen gleichgewichtsfern
Bei starker Unterkühlung spielt die die Abfuhr der Kristallisationswärme
keine geschwindigkeitsbestimmende Rolle mehr.
Auch Gebilde mit großer spezifischer Oberfläche sind nun
thermodynamisch stabil.
Außerdem wird die
Kristallwachstumsgeschwindigkeit bei
zunehmender Unterkühlung durch die
Verlangsamung der Diffusion limitiert.
Dadurch werden die besser zugänglichen
Ecken und Kanten zusätzlich bevorzugt
Nebenstehend ein Beispiel eines dendritischen
Kristallwachstums aus der unterkühlten
Silikatschmelze einer keramischen Glasur.
Ein bekannteres Beispiel sind Schneekristalle

Wachstum von Kristallen gleichgewichtsnah
Bei geringer Unterkühlung ist die Diffusion noch gut möglich;
Material gelangt ohne Probleme an die Flächen des wachsenden Kristalls
In der Nähe der Gleichgewichtstemperatur (T 0) ist dafür die Abfuhr
der Kristallisationswärme geschwindigkeitsbestimmend.
Wie zuvor abgeleitet, sind in der Nähe der Gleichgewichtstemperatur
Gebilde
mit großer spezifischer Oberfläche thermodynamisch nicht stabil. Äste,
die zu weit
in die Schmelze hineinragen, schmelzen wieder ab
Deswegen findet das Kristallwachstum in Gleichgewichtsnähe auf der
Fläche statt. Filigrane dentritische Strukturen sind nicht existenzfähig.
Es entstehen eher kompakte Kristalle:

Wachstum von Kristallen (Zusammenfassung)
Diffusionsgeschwindigkeit
Kristallwachstum
Einflüsse auf das
Kristallwachstum
schematisch dargestellt
Die Diffusionsgeschwindigkeit
sinkt exponentiell
mit der Temperatur
Die Wärmeabfuhr verbessert
sich mit wachsender
Unterkühlung
Unterkühlung T
Die Summe beider Effekte ergibt ein Maximum der Kristallwachstumsgeschwindigkeit
unterhalb der Gleichgewichtstemperatur der
Umwandlung bzw. Erstarrung.

Zusammenspiel von Keimbildung und
Kristallwachstum
Geschwindigkeit
Kristallwachstum
Geschwindigkeit
Kristallwachstum
1 2 3
Geschwindigkeit
Keimbildung
Unterkühlu
ng
Geschwindigkeit
Keimbildung
Unterkühlu
ng
Das Maximum von Keimbildungs
und Keimwachstumsgeschwindigkeit
fällt
in der Regel nicht
zusammen
Bei kleinen Diskrepanzen
(Darstellung oben) ist
homogene Keimbildung
dennoch gut möglich.
Große Diskrepanzen (Darstellung
unten) begünstigen
die Glasbildung. Entscheidend
für das Ergebnis der
Erstarrung ist aber die
Abkühlgeschwindigkeit.
Sie bestimmt das Verhältnis
von Keimbildungsrate und
Wachstumsgeschwindigkeit

Feinheit des Erstarrungsgefüges
1 Langsame Abkühlung
Erstarrung bei kleiner Keimbildungsrate
und schnellem Kristallwachstum
grobkörniges Gefüge, wenig Dendriten,
mäßige Festigkeit
2 rasche Abkühlung
Erstarrung bei großer Keimbildungsrate
und langsamem Kristallwachstum
feinkörniges Gefüge, bevorzugt Dendriten
Zusatz von Keimbildnern (Impfkristalle) bringt
den gleichen Effekt (Festigkeitssteigerung)
3 sehr schnelle Abkühlung
(bei Metallen bis zu 10 6 K/s
Bereich der Keimbildung und des Kristallwachstums
wird ohne Kristallisation rasch
durchfahren. Es entsteht ein amorpher
Glaszustand (eingefrorene Schmelze)

Konsequenzen für die Bauteilgestaltung
1 2
Abkühlbedingung
1 2
Unterschiedliche Wandstärken führen zu unterschiedlicher Gefügeausbildung

Besonderheiten des Gußgefüges
1. Abschreckzone
An der Gußstückoberfläche
entstehen
durch heterogene
Keimbildung
die ersten Kristallite.
(feinkristalline
Randzone)
2. Säulenzone
Kristalle geeigneter
Ausrichtung wachsen
senkrecht zur
Oberfläche in die
Schmelze und bilden
eine ausgeprägt
anisotrope Kolumnarstruktur.
exogene Erstarrung
3. Globularzone
Im Inneren des Gußstückes
erfolgt von
der Oberfläche unabhängige
Keimbildung
und ein gleichmäßiges
Wachstum
kugelförmiger
isotroper Kristalle.
endogene Erstarrung

Volumenkontraktion
V
Flüssige Schwindung
Erstarrungsschrumpfung
Volumendefizit
Feste Schwindung
Abkühlung (negative Temperturachse )
Das Volumendefizit kann zu Fehlern im Gussstück führen

Fehler durch Volumenkontraktion
Man versucht, über Speiser oder externen Druck die Flüssigkontraktion und die
Erstarrungsschwindung auszugleichen um Lunker und Einfallstellen zu vermeiden
Eutektische Legierungen wirken sich günstig aus (Material kann nachfließen)
Die feste ( kubische) Schwindung ist bei der Bauteildimensionierung zu
berücksichtigen

Funktion eines Speisers
Speiser oder Steiger
Eingusstrichter
Obere Formhälfte
Untere Formhälfte
Der Lunker bildet sich an der höchsten Stelle – im Speiser
Das Gusstück bleibt lunkerfrei

Metalle für das Gießen (1)
Eisenwerkstoffe Aluminium
* Graphithaltiger Guss EN GJ...
mit Lamellengraphit GJL
mit Vermiculargraphit GJV
mit Kugelgraphit GJS
Temperguss GJM
* Hartguss GJH
* Stahlguss
* mit Silicium EN AC AlSi...
* mit Magnesium EN AC AlMg...
* mit Kupfer EN AC AlCu..
Magnesium
* meist auf Basis von Legierungen mit Aluminium
Al-Gehalte 2-9%

Metalle für das Gießen (2)
Kupferbasis Nickelbasis
* Zinnbronzen (Gleitlager)
* Zinnbleibronzen dto.
* Messing
*Aluminiumbonzen (Schiffsschrauben)
*Manganbronzen dto
* hochtemperaturfeste Werkstoffe
Turbinenschaufeln
Läufer für Abgasturbolader
Zink
* Legierungen mit Al und Cu
Niedrigste Gießtemperatur
Sehr gut gießbar

Gusseisen, Metastabiles und stabiles EKD
Das Fe-C-Diagramm
mit Fe 3 C beschreibt
einen
metastabilen Zustand.
Der stabile Zustand
liegt vor, wenn die
Eisenphasen a und g
direkt im Gleichgewicht
mit Graphit und
nicht mit Zementit
stehen.
Beide Fälle sind in nebenstahendem
Diagramm
eingezeichnet.
Eutektische und eutektoide Zusammensetzung und Temperatur beider
Systeme unterscheiden sich geringfügig

Metastabiles und stabiles EKD II
G
relatives
Minimum
Zementit
globales Minimum
Fe + Graphit
Metastabile Zustände entstehen,
wenn bei der Bildungsreaktion ein
relatives und nicht das globale
Minimum der freien Enthalpie
aufgesucht wird
(z.B. wenn Reaktion A wesentlich
schneller als Reaktion B ist)
Der metastabile Zustand kann in
den stabilen übergehen und der Zementit
in 3Fe + C zerfallen. Dies ist beim
Temperguss der Fall.
Insbesondere dann, wenn es sich bei der Umwandlungsreaktion vom metastabilen zum
stabilen Zustand um eine Festkörperreaktion handelt, kann die Umwandlungsgeschwindigkeit
bei Raumtemperatur (und darüber) sehr klein oder Null werden.

Gusseisen
Fe-C -System, ca 2,5-4,5% C
Schnelle Abkühlung
Cr-oder Mn-Zulegierung
Metastabiles System
Fe + Fe 3 C
weißes Gusseisen auch
als Hartguss bezeichnet
Die
Steuerung
erfolgt primär
beim Erstarren aus
der Schmelze. Der eutektoide
Zerfall liefert
zus. C und
Ferrit oder
Perlit
langsame Abkühlung,
Si-Zulegierung
Stabiles System
Fe + C (Graphit), daher
der Name Grauguss
Steuerung durch Mg, Ce
nachträgliche
Wärmebehandlung
Temper- Sphäro- G. mit Ver- G. mit
Guss Guss mikular- lamellarem
Graphit Graphit

Ausbildung des Graphits und
Eigenschaften des Gusseisens
lamellarer Grahit
im grauen Gusseisen.
(GGL)
Entsteht bei Erstarrung
des stabilen
Systems,
geringe Zugfestigkeit,
spröde, gute
Druckfestigkeit,
gute Dämpfungseigenschaften,
gute
Verschleißeigensch.
(Motorblöcke)
Vermikularer
Graphit
Entsteht wenn
weder lamellarer
noch sphärischer
Graphit
alleine dominiert.
In den Eigenschaften
Kompromiss
aus GGL
und GGG
sphärischer
Graphit im
Sphäroguss
GGG, entsteht bei
Mg- oder Ce-
Zugabe zur
Schmelze. Hohe
Festigkeiten, und
Duktilität.
für hochbeanspruchte
Teile
( Kurbelwellen)
Graphitflocken
im Temperguss
Entsteht aus dem
Zerfall des Zementits
bei der
Wärmebehandlung
von weißem
Gusseisen
Eigenschaften
ähnlich Sphäroguß

Praxisbeispiel Grauguss mit
Lamellengraphit

Praxisbeispiel Sphäroguss

Temperguss
Temperguss ähnelt dem Sphäroguss, wird jedoch über den Umweg des weissen
Gusseisens hergestellt.
Er eignet sich vorwiegend für dünnwandige Bauteile, da diese bevorzugt zunächst
weißes (hartes) Gusseisen bilden.
Durch nachträgliche Wärmebehandlung (Tempern) entsteht aus dem primär
gebildeten weißen Gusseisen der Temperguss mit den typischen flockenartigen
Graphiteinschlüssen
Praxisbeispiel:
Fittings für die
Installation

Praxisbeispiel Hartguss
Hartguss wird in der
Praxis unter anderem als
Strahlgut vewendet
Die hohe Härte kommt
durch den Zemetitanteil
von ca. 50% zu Stande
Im Schliffbild erscheint
der Zementit weiß

Stahlguss
Beim Stahlguss wird im Gegensatz zum Gusseisen keine etwa eutektische FeC-Legierung
sondern kohlenstoffärmerer Stahl vergossen.
• Die Gießtemperaturen sind wesentlich höher, die praktische Ausführung schwieriger
• anspruchsvollere und vielfältigere Werkstoffe als beim Gießen
Beispiel Gehäuse einer Dampfturbine, Gewicht ca. 7,7 t

AlSi-Gusslegierungen
Die meisten im Fahrzeugbau verwendeten Al-Gusslegierungen
basieren auf dem System Al-Si
Untereutektisch
eutektisch
übereutektisch

Einteilung der AlSi-Gusslegierungen
untereutektisch
übereutektisch
eutektisch

eutektische Gusslegierung AlSiCu
Zahlreiche Anwendungen eutektischer oder nahezu eutektischer
Legierungen im Fahrzeugbau
z. B Lenkgetriebe
Getriebegehäuse
Halter für Nebenaggregate
Vorteil: gute Gießbarkeit wegen des
Eutektischen Erstarrungsverhaltens
Hier: Gehäuse für Lenkgetriebe aus
einem älteren Audi A4 (kein aktuelles
Modell)

Untereutektische Al-Gusslegierungen
Untereutektische
Legierungen
sind
besonders
zäh und
werden
deshalb für
gegossene
Fahrwerksteile
verwendet

Anwendung übereutektische Al-Legierung
Zylinderkurbelgehäuse
ohne eingegossene
Buchsen
Verschleißbeständige
Laufflächen
durch Überschuss
Silicium
3
2

Mg-Legierungen mit Al
Die Al-Gehalte liegen zwischen 2 und 9%, keine eutektischen Legierungen

Mg-Gusslegierungen um Fahrzeugbau
Getriebegehäuse aus einer Magnesiumlegierung (AZ91hp)

Anwendung Magnesium-Guss
Typische Anwendung: Notebook und Handygehäuse
Im Automobil für Lenkräder, Getriebegehäuse,
Sitzgestelle

Anwendung Bronzeguss
China, ca. 220 v.u.Z
Werkstoff entspricht weitgehend CuSn11Pb2-C, das Dach ist vermutlich nach dem Gießen
am Rand in Stufen mit Zwischenglühung kaltumgeformt

Anwendung CuAl und AlMn-Bronze

Guss von Nickelbasislegieungen
Anwendung: gegossene Nickelbasislegierung für Turbinenschaufel

Zink-Gusslegierungen mit Al

Anwendung von Zink-Gusslegierungen
Filigrane Teile mit guter
Festigkeit
Hohe Kriechempfindlichkeit
Hohes Gewicht