Alfred Herbert Fritz Gnter Schulze (Hrsg.)

Fertigungstechnik

Alfred Herbert Fritz Gnter Schulze (Hrsg.)

Fertigungstechnik

8., neu bearbeitete Auflage

123

Bayerischer Platz 510779 Berlinfritz.herbert@ t-online.de

Leydenallee 9112167 Berlindokschu@t-online.de

ISBN 978-3-540-76695-7

DOI 10.1007/978-3-540-76696-4

e-ISBN 978-3-540-76696-4

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9 8 7 6 5 4 3 2 1

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Professor Dr.-Ing. Gnter SchulzeProfessor Dr.-Ing. Alfred Herbert Fritz

2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg

Autorenverzeichnis

Prof. Dr.-Ing. Alfred Herbert Fritz, BerlinAbschnitte 2.9, 3.11, 3.12, 3,13, 4.2, 4.8 und 5.1 bis 5.8

Das Kapitel 2 beruht weitgehend auf dem Originalmanuskript von Herrn Prof. Dipl.-Ing. Manfred Knipfelberg. Die Abschnitte 2.1 bis 2.4 wurden von Herrn Dr. Schulze, die Abschnitte 2.5 bis 2.8 von Herrn Dr. Fritz redaktionell bearbeitet

Dipl.-Ing. Klaus-Dieter Khn, BraunschweigAbschnitte 1, 4.1 und 4.3 bis 4.6

Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister, BraunschweigAbschnitt 4.7 (beruht weitgehend auf dem Originalmanuskript von Herrn Prof. Dr.-Ing. Gerd Rohde)

Prof. Dr.-Ing. Gnter Schulze, BerlinAbschnitte 3.1 bis 3.10, 4.9 bis 4.11

Vorwort VII

Vorwort zur ersten Aufl age

Das vorliegende Lehr- und Nachschlagewerk Fertigungstechnik soll die Lcke schlieen zwischen den groen mehrbndigen, berwiegend theorieorientierten Lehrbchern der Fertigungstechnik und den ausschlielich fr den Praktiker geschriebenen Bchern, die hu g nicht alle Aspekte der Fertigungs-technik ausreichend bercksichtigen.

Die Autoren haben sich das Ziel gesetzt, einen berblick ber die wichtigsten Fertigungsverfahren ge-m dem heutigen Wissensstand zu vermitteln. Die Beschrnkung auf die wesentlichsten Grundlagen steht dabei im Vordergrund. Dies betrifft nicht nur die Anzahl der beschriebenen Verfahren, sondern auch den Umfang der theoretischen Errterungen. Die Autoren waren zudem stets bemht, die Grenzen, Mglichkeiten und die Leistungsfhigkeit der Verfahren aufzuzeigen. Ein wichtiges Mittel fr die inten-sive Aus ein an dersetzung mit dem gebotenen Lehrstoff ist die unbliche groe Anzahl der Schaubilder, Diagramme und Verfahrensskizzen. Dagegen haben die Verfasser auf Photographien von Maschinen und Anlagen weitgehend verzichtet, da der Informationswert solcher Bilder gering ist. Dem raschen Auf nden bestimmter Einzelheiten dient das umfangreiche Sachwort verzeichnis. Die Reihenfolge der zu beschreibenden Verfahrensgruppen weicht aus etwas von der in DIN 8580 vorgegebenen ab. Die in diesem Buch gewhlte Folge, nmlich Gieen (Urformen), Schweien (Fgen), spanende Fertigungsverfahren und spanlose Fertigungsverfahren (Umformverfahren)wird in vielen Fachhochschulen und Universitten bevorzugt.

Vorwort zur achten Aufl age

Durch die richtige Auswahl der Fertigungsverfahren kann die Wirtschaftlichkeit der industriellen Pro-duktion sowie die Qualitt ihrer Erzeugnisse wesentlich beeinfl usst werden. Neuartige oder verbesserte Fertigungsverfahren fhren jedoch nur dann zu einer Steigerung der Produktivitt oder zu einer Kosten-senkung, wenn Konstrukteure, Fertigungstechniker und Produktionsplaner ausreichende Informationen hierber zur Verfgung haben.

Aus diesem Grunde verfolgen die Autoren weiterhin ihr Ziel, den berblick ber die wichtigsten Ferti-gungsverfahren zu aktualisieren. Beispielsweise hat die Gewichtsreduzierung im Karosseriebau nach wie vor groe Bedeutung. Hier hat das Kleben insbesondere durch die unter Licht aushrtenden Klebstoffe neue Einsatzgebiete gefunden. Klebstoffe sind aber auch in der Mikroelektronik zu einem wesentlichen Kon-struk tionselement geworden. Daher ist der Abschnitt Kleben erheblich erweitert worden.

Eine steigende Komplexitt von Blech-Hohlformteilen im Automobilbereich ist beim Innen-Hochdruck-Umformen (IHU) zu beobachten. Dieser Abschnitt konnte durch aktuelle Fertigungsbeispiele ergnzt werden.

Die Abschnitte UP-Schweien (Flldrahtelektroden), Plasmaschweien, vor allem die Ausfhrungen ber das Lten (Lote, Flussmittel, die EURO-Richtlinie 2002/96/EG, in der das Verbot verschiedener Metalle, wie z. B. Blei, Quecksilber, Cadmium beschlossen wurde) sind grndlich durchgesehen und ergnzt wor-den. Weitere neu erschienene Euro-Normen sind bis September 2007 bercksichtigt. Auerdem wurde eine groe Anzahl von Bildern (und Tabellen) neu angefertigt, zahlreiche Schreibfehler und verschiedene sachliche Fehler beseitigt.

Berlin, Oktober 2007 A. Herbert Fritz, Gnter Schulze

VIII Inhalt

Bei den Gieverfahren muss bercksichtigt werden, dass der Studienanfnger heute keinen gesicherten Bezug mehr zum Gieen hat. Eine anschauliche Darstellung ist daher ebenso wichtig wie das Heraus-stellen der praktisch unbegrenzten Gestaltungsmglichkeiten. Der Entwicklungstrend geht hier eindeutig zu den Seriengieverfahren: Mehr als 70 % aller erzeugten Gussstcke sind Serien. Der weitaus grte Anwender von Gussteilen ist mit 50 % der Fahrzeugbau.

Die Kenntnis noch so vieler verfahrenstechnischer Einzelheiten ist keine hinreichende Gewhr fr den sinn vollen Einsatz der schweitechnischen Fertigungsverfahren. Wesentlich ist die Erfahrung, dass die beim Schweien ablaufenden Werkstoffnderungen einen erheblichen Ein uss auf die mechanischen Gtewerte der Schweiverbindung haben knnen. Die oft zitierte Grunderfahrung Der Werkstoff diktiert die Schweibedingungen wird immer wieder in den Vordergrund gestellt. Die spanenden Fertigungsverfahren sind wegen der erreichbaren Fertigungsgenauigkeit in Verbindung mit den vielfltigen Bearbeitungsmglichkeiten von groer Bedeutung. Die Verfahren sind gegliedert in solche mit geometrisch bestimmten und solche mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Die Autoren haben die neuesten Begriffe der Zerspantechnik bercksichtigt, die nach einer grundlegenden Neuord-nung der DIN- und ISO-Normen neue Kurzzeichen erhalten haben. Die Technologie der wichtigsten Fertigungsverfahren ist in einem der Bedeutung und den bestehenden Tendenzen in der Fertigungstech-nik entsprechenden Umfang wiedergegeben. Einheitlich sind fr alle spanenden Fertigungsverfahren Gesichtspunkte zur Einteilung sowie Fertigungsmglichkeiten, Werkzeuge und Berechnungsgrundlagen beschrieben.

Die Umformverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass der Stoffzusammenhalt beibehalten wird. Da die als Rohling eingesetzte Masse konstant bleibt und im Fertigteil wiederzu nden ist, gibt es nur sehr geringe Materialabflle. Die Umformverfahren sind vorwiegend gekennzeichnet durch die Kraftwirkungen, die zwischen der Umformmaschine und dem eingesetzten Werkzeug einerseits sowie dem umzuformenden Werkstck andererseits auftreten. Deshalb mssen zunchst die Beanspruchungen und Spannungszustnde des Werkstoffs im Umformprozess betrachtet und erlutert werden. Das Ordnungsprinzip der DIN geht von den beim Umformen herrschenden Spannungszustnden aus:

Druckumformen, Zugdruck-, Zug-, Biege- und Schubumformen.Im Abschnitt Umformen wird zunchst jedes Verfahren in seinen Einzelheiten erklrt und dann der Kraft- und Arbeitsbedarf berschlgig berechnet. Diese Angaben sind ntig, um fr eine bestimmte Ferti gungsaufgabe die geeignete Maschine entsprechend ihrer Nennkraft und ihrem Arbeitsvermgen aus zuwhlen. Mitunter muss der Umformtechniker seine Fertigungsschritte in kleineren Stufen vorgeben, damit die vorhandenen kleineren Maschinen fr die vorgesehene Umformaufgabe sinnvoll eingesetzt werden knnen.

Bei den Berechnungen greift der Verfasser bewusst auf die elementare Plastizittstheorie zurck; denn aufwendige moderne Verfahren bentigen einen groen Rechneraufwand, liefern aber keine genaueren Ergebnisse fr den praktischen Einsatz im Betrieb.

Zu jedem Abschnitt des Buches werden konstruktive Hinweise in Form der Gegenberstellung zweck-mige und unzweckmige Gestaltung gegeben. Somit hat der Anfnger die Mglichkeit, grobe Feh-ler in der Gestaltung der Teile zu vermeiden, und der Praktiker wird daran erinnert, wie er die Bearbei-tung und das Spannen von Werkstcken bereits bei der Konstruktion bercksichtigen kann.

Berlin, Mrz 1985 A. Herbert Fritz, Gnter Schulze

Inhalt IX

Inhalt

1 Einfhrung 1

2 Urformen 5

2.1 Urformen durch Gieen 52.1.1 Grundbegriffe der Gieereitechnologie 52.1.1.1 Formen und Formverfahren 62.1.1.2 Formverfahren mit verlorenen Formen 82.1.1.3 Dauerformverfahren 92.1.1.4 Schmelzen 102.1.1.5 Gieen 102.1.1.6 Putzen 122.1.1.7 Wrmebehandlung 132.1.1.8 Qualittsmanagement 132.1.1.9 Konstruieren mit Gusswerkstoffen 15

2.2 Metallkundliche Grundlagen des Gieens 152.2.1 Entstehung der Gussgefge 152.2.2 Stoffzustnde 152.2.3 Keimbildung und Impfen 172.2.3.1 Homogene Keimbildung 172.2.3.2 Impfen der Schmelze 182.2.4 Kristallformen 192.2.4.1 Globulare Kristallformen 212.2.4.2 Sulenfrmige Kristalle 212.2.4.3 Dendritische Kristallformen 222.2.5 Erstarrungstypen 222.2.6 Isotropes, anisotropes und quasi-isotropes Verhalten von Gusswerkstoffen 23

2.3 Gusswerkstoffe 242.3.1 Eisengusswerkstoffe 242.3.1.1 Gusseisen 25 Gusseisen mit Lamellengrafi t 25 Gusseisen mit Kugelgrafi t 28 Gusseisen mit Vermiculargrafi t 302.3.1.2 Temperguss 31 Weier Temperguss 322.3.1.3 Stahlguss 332.3.2 Nichteisen-Gusswerkstoffe 352.3.2.1 Leichtmetall-Gusswerkstoffe 36 Druckgusslegierungen 36 Kokillengusslegierungen 38 Sandgusslegierungen 382.3.2.2 Schwermetall-Gusswerkstoffe 39 Zinkdruckguss-Legierungen 39 Kupfergusswerkstoffe 40

X Inhalt

2.4 Giebarkeit 402.4.1 Flie- und Formfllungsvermgen 412.4.2 Schwindung (Schrumpfung) 422.4.3 Warmrissneigung 452.4.4 Gasaufnahme 472.4.5 Penetrationen 482.4.6 Seigerungen 492.4.7 Fehlerzusammenstellung bei Sandguss 50

2.5 Form- und Gieverfahren 502.5.1 Formverfahren mit verlorenen Formen 502.5.1.1 Tongebundene Formstoffe 51 Handformen 54 Maschinenformen mit Ksten 56 Kastenloses Formen 592.5.1.2 Kohlensure-Erstarrungsverfahren (CO

2-Verfahren) 60

2.5.1.3 Maskenformverfahren 612.5.2 Formverfahren mit verlorenen Formen nach verlorenen Modellen 652.5.2.1 Feingieverfahren 652.5.2.2 Vollformgieverfahren 672.5.3 Formverfahren mit Dauerformen 682.5.3.1 Druckgieverfahren 682.5.3.2 Kokillengieverfahren 732.5.3.3 Schleudergieverfahren 75

2.6 Gestaltung von Gussteilen 772.6.1 Allgemeines 772.6.2 Gestaltungsregeln 772.6.3 Giegerechte Gestaltung 782.6.4 Beanspruchungsgerechte Gestaltung 852.6.5 Fertigungsgerechte Gestaltung 872.6.6 Normung von Erzeugnissen aus Gusseisen 902.6.7 Normung von Erzeugnissen aus Stahlguss 90

2.7 Urformen durch Sintern (Pulvermetallurgie) 912.7.1 Pulvermetallurgische Grundbegriffe 912.7.2 Pulvererzeugung 922.7.3 Presstechnik 932.7.4 Sintern 952.7.5 Arbeitsverfahren zum Verbessern der Werkstoffeigenschaften 962.7.6 Anwendungen 99

2.8 Gestaltung von Sinterteilen 992.8.1 Allgemeines 992.8.2 Gestaltungsregeln 992.8.3 Werkstoff- und werkzeug gerechte Gestaltung 1002.8.4 Fertigungs- und fgegerechte Gestaltung 102

2.9 Urformen mit Hilfe generativer Verfahren (Rapid Prototyping) 1052.9.1 Stereolithografi e 1062.9.1.1 Funktionsschema 1072.9.1.2 Fertigungsablauf 108

Inhalt XI

2.9.1.3 Polymerisation 1092.9.2 Selektives Lasersintern 1102.9.3 Laminierverfahren 1112.9.4 Extrusionsverfahren 1122.9.5 3D-Drucken 113 Ergnzendes und weiterfhrendes Schrifttum 114

3 Fgen 115

3.1 Das Fgeverfahren Schweien 1153.1.1 Bedeutung der Schweitechnik 1153.1.2 Das Fertigungsverfahren Schweien; Abgrenzung und Defi nitionen 1153.1.3 Einteilung der Schweiverfahren 1163.1.4 Hinweise zur Wahl des Schweiverfahrens 119

3.2 Werkstoffl iche Grundlagen fr das Schweien 1213.2.1 Wirkung der Wrmequelle auf die Werkstoffeigenschaften 1213.2.2 Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe 1223.2.3 Einfl uss des Temperaturfeldes 1233.2.4 Werkstoffbedingte Besonder heiten und Schwierigkeiten beim Schweien 1253.2.4.1 Probleme whrend des Erwrmens 1253.2.4.2 Probleme whrend des Erstarrens 1263.2.4.3 Verbindungs- und Auftragschweien unterschiedlicher Werkstoffe 1283.2.4.4 Schweibarkeit metallischer Werkstoffe 130

3.3 Gasschweien (Kennzahl: 311) 1313.3.1 Verfahrensprinzip 1313.3.2 Die Acetylen-Sauerstoff-Flamme 1313.3.3 Betriebsstoffe: Acetylen, Sauerstoff 1323.3.4 Der Schweibrenner 1333.3.5 Arbeitsweisen beim Gasschweien 1333.3.6 Zusatzwerkstoffe; Schweistbe 1343.3.7 Anwendung und Anwendungsgrenzen 134

3.4 Lichtbogenhandschweien (Kennzahl: 111) Metall-Lichtbogenschweien 1353.4.1 Verfahrensprinzip und Schweianlage 1353.4.2 Vorgnge im Lichtbogen 1363.4.3 Schweistromquellen 1383.4.4 Zusatzwerkstoffe; Stabelektroden 1443.4.4.1 Aufgaben der Elektrodenumhllung 1453.4.4.2 Metallurgische Grundlagen 1463.4.4.3 Die wichtigsten Stabelektrodentypen 1473.4.4.4 Bedeutung des Wasserstoffs 1503.4.4.5 Normung der umhllten Stabelektroden 1513.4.5 Ausfhrung und Arbeitstechnik 1553.4.5.1 Stoart; Nahtart; Fugenform 1553.4.5.2 Einfl uss der Schweiposition 1563.4.5.3 Magnetische Blaswirkung 1563.4.6 Anwendung und Anwendungsgrenzen 157

3.5 Schutzgasschweien (SG) 1583.5.1 Verfahrensprinzip 158

XII Inhalt

3.5.2 Wirkung und Eigenschaften der Schutzgase 1583.5.3 Wolfram-Inertgasschweien (WIG) (Kennzahl: 141) 1603.5.3.1 Verfahrensprinzip 1603.5.3.2 Schweianlage und Zubehr 161 Schweistromquellen 161 Schweibrenner 161 Wolframelektrode 161 Zndhilfen 162 Sieb-(Filter-)kondensator 162 Kraterflleinrichtung 1633.5.3.3 Hinweise zur praktischen Ausfhrung 1633.5.3.4 WIG-Impulslichtbogenschweien 1643.5.3.5 Anwendung und Grenzen 1643.5.4 Metall-Schutzgasschweien (MSG) (Kennzahl: 13) 1653.5.4.1 Verfahrensprinzip 1653.5.4.2 Schweianlage; Zubehr 1663.5.4.3 Die innere Regelung 1673.5.4.4 Lichtbogenformen und Werkstoffbergang 1683.5.4.5 Auswahl der Schutzgase und Drahtelektroden 169 Flldrahtelektroden 1733.5.4.6 MSG-Verfahrensvarianten 1733.5.4.6.1 MIG-Schweien (Kennzahl: 131) 173 Impulslichtbogenschweien 1743.5.4.6.2 MAG-Verfahrensvarianten 175 Kurzlichtbogentechnik 176 Schweien mit rotierendem Lichtbogen 1773.5.4.7 Praktische Hinweise; Anwendung und Mglichkeiten 177

3.6 Plasmaschweien (WP) (Kennzahl: 15) 1783.6.1 Physikalische Grundlagen 1783.6.2 Verfahrensgrundlagen 1783.6.3 Verfahrensvarianten 180

3.7 Unterpulverschweien (UP) (Kennzahl: 12) 1813.7.1 Verfahrensprinzip; Schweianlage 1813.7.2 Verfahrensvarianten 182 Doppeldrahtverfahren 183 Mehrdrahtverfahren 183 Auftragschweien mit Bandelektroden 1843.7.3 Aufbau und Eigenschaften der Schweinaht 1843.7.4 Zusatzstoffe 1853.7.4.1 Zusatzwerkstoffe 1853.7.4.2 Schweipulver 186 Schmelzpulver 187 Agglomerierte Pulver 187 Schweipulver-Kennwerte 188 Metallurgisches Verhalten der Draht-Pulver- Kombination 1883.7.5 Hinweise zur praktischen Ausfhrung 1893.7.6 Anwendungen und Anwendungsgrenzen 190

3.8 Widerstandsschweien (Kennzahl: 2) 1903.8.1 Widerstandspressschweien 191

Inhalt XIII

3.8.1.1 Punktschweien (Kennzahl: 21) 1913.8.1.1.1 Wrmeerzeugung an der Schweistelle 1913.8.1.1.2 Verfahrenstechnische Grundlagen 1923.8.1.1.3 Verfahrensvarianten 1943.8.1.1.4 Punktschweielektroden 1943.8.1.1.5 Technologische Besonderheiten 195 Elektrodeneindrcke 195 Stromnebenschluss 195 Thermisches Gleichgewicht 195 Sekundrfensterffnung 196 Strom- und Kraftprogramme 1963.8.1.1.6 Anwendung und Anwendungsgrenzen 1973.8.1.2 Rollennahtschweien (Kennzahl: 221) 1973.8.1.3 Buckelschweien (Kennzahl: 23) 1993.8.1.4 Pressstumpfschweien (Kennzahl: 25) 2003.8.1.5 Abbrennstumpfschweien (Kennzahl: 24) 2013.8.2 Widerstandsschmelzschweien 2023.8.2.1 Elektroschlackeschweien (Kennzahl: 72) 202

3.9 Gestaltung von Schweiverbindungen 2033.9.1 Allgemeines 2033.9.2 Gestaltungsregeln 2033.9.3 Gestaltung von Schmelzschweiverbindungen 2043.9.4 Gestaltung von Punktschweiverbindungen 209

3.10 Lten 2113.10.1 Grundlagen des Ltens 2113.10.2 Einteilung der Ltverfahren 214 Fester Krper 214 Flssigkeit 214 Refl owlten (Wiederaufschmelzlten) 215 Gas 215 Elektrischer Strom 2163.10.3 Flussmittel; Vakuum; Schutzgas 2173.10.4 Lote 219 Weichlote (DIN 1707-100, DIN EN ISO 9453, DIN EN 61190-1-3) 221 Hartlote (DIN EN 1044, DIN EN ISO 3677) 2213.10.5 Konstruktive Gestaltung von Ltverbindungen 222 Wahl und Form der Spaltbreite 222 Oberfl chenfeingestalt der Ltstellen 223

3.11 Gestaltung von Ltverbindungen 2233.11.1 Allgemeines 2233.11.2 Gestaltungsregeln 2233.11.3 Gestaltung von Blechverbindungen 2243.11.4 Gestaltung von Rundverbindungen 2243.11.5 Gestaltung von Rohrverbindungen 2263.11.6 Gestaltung von Bodenverbindungen 228

3.12 Kleben 2293.12.1 Wirkprinzip des Klebens 2293.12.2 Vorbehandlung zur Steigerung der Klebfestigkeit 230

XIV Inhalt

3.12.3 Vorbereitung der Klebung 2323.12.4 Eigenschaften polymerer Werkstoffe 2333.12.5 Klebstoffarten 2343.12.5.1 Physikalisch abbindende Klebstoffe 2343.12.5.2 Reaktionsklebstoffe 2353.12.6 Herstellung der Klebung 236 Mischen der Mehrkomponenten-Klebstoffe 236 Auftragen des Klebstoffs 236 Fgen und Fixieren 236 Abbinden unter Druckanwendung 237 Abbindetemperatur und Abbindezeit 2373.12.7 Anwendungsbeispiele 237

3.13 Gestaltung von Klebverbindungen 2403.13.1 Allgemeines 2403.13.2 Gestaltung von Blechverbindungen 2403.13.3 Gestaltung von Rohrverbindungen 2423.13.4 Gestaltung von Rundverbindungen 242 Ergnzendes und weiterfhrendes Schrifttum 243

4 Trennen (Zerteilen; Spanen; Abtragen; thermisches Schneiden) 245

4.1 Allgemeines und Verfahrensbersicht 245

4.2 Scherschneiden 2454.2.1 Beschreibung des Schneidvorgangs 2474.2.2 Schneidkraft 2494.2.3 Gestaltung von Schneidwerkzeugen 2504.2.4 Vorschubbegrenzungen 251

4.3 Spanen 2534.3.1 Einteilung nach DIN 8589 2534.3.2 Technische und wirtschaftliche Bedeutung 254

4.4 Grundbegriffe der Zerspantechnik 2544.4.1 Bewegungen und Geometrie von Zerspanvorgngen 2544.4.2 Eingriffe von Werkzeugen 2554.4.3 Spanungsgren 2564.4.4 Geometrie am Schneidteil 2564.4.5 Krfte und Leistungen 2584.4.6 Standzeit- und Verschleibegriffe 258

4.5 Grundlagen zum Spanen 2594.5.1 Spanbildung 2594.5.2 Spanstauchung 2604.5.3 Scherwinkelgleichungen 2614.5.4 Spanarten 2614.5.5 Spanformen 2634.5.6 Energieumwandlung beim Spanen 2644.5.7 Schneidstoffe 2644.5.7.1 Werkzeugsthle 2654.5.7.2 Schnellarbeitssthle 265

Inhalt XV

4.5.7.3 Hartmetalle 2664.5.7.4 Schneidkeramik 2684.5.7.5 Diamant und Bornitrid 2704.5.8 Werkzeugverschlei 2714.5.9 Khlschmierstoffe 2724.5.10 Hart-, Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitung 2734.5.10.1 Hartbearbeitung 2734.5.10.2 Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) 2734.5.10.3 Trockenbearbeitung 2734.5.11 Mikrozerspanung 2744.5.12 Standzeitberechnung und Standzeitoptimierung 2744.5.13 Schnittkraftberechnung 277

4.6 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden 2784.6.1 Drehen 2794.6.1.1 Drehverfahren 2794.6.1.2 Drehwerkzeuge 2834.6.1.3 Zeitberechnung 2844.6.2 Bohren, Senken, Reiben 2844.6.2.1 Bohrverfahren 2864.6.2.2 Bohrwerkzeuge 2874.6.2.3 Zeitberechnung 2894.6.3 Frsen 2904.6.3.1 Frsverfahren 2904.6.3.2 Frswerkzeuge 2934.6.3.3 Zeitberechnung 2934.6.4 Hobeln und Stoen 2944.6.4.1 Hobel- und Stoverfahren 2944.6.4.2 Hobelwerkzeuge 2964.6.4.3 Zeitberechnung 2964.6.5 Rumen 2964.6.5.1 Rumverfahren 2974.6.5.2 Rumwerkzeuge 2984.6.5.3 Zeitberechnung 301

4.7 Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden 3014.7.1 Schleifen 3014.7.1.1 Grundlagen 3014.7.1.1.1 Kinematische Grundlagen 3014.7.1.1.2 Schneideneingriff und Schneidenraum 3034.7.1.1.3 Schleifkraft und Verschlei 3044.7.1.2 Schleifwerkzeug 3044.7.1.2.1 Schleifmittel und Bindung 304 Anorganische Bindungen 305 Organische Bindungen: 3054.7.1.2.2 Schleifwerkzeuge mit Korund und Siliciumcarbid-Kornwerkstoffen 3054.7.1.2.3 Schleifwerkzeuge mit Diamant- und Bornitrid-Kornwerkstoff (CBN) 3084.7.1.2.4 Werkzeugaufspannung 3094.7.1.2.5 Abrichten des Schleifwerkzeugs 3104.7.1.3 Der Schleifprozess 3134.7.1.3.1 nderung des Schneidenraums im Schleifprozess 3134.7.1.3.2 Rauheit 314

XVI Inhalt

4.7.1.3.3 Schleifkraft und Schleifl eistung 3164.7.1.3.4 Schleiftemperatur und Khlung 3174.7.1.3.5 Schleifscheibenverschlei 3184.7.1.3.6 Einfl sse verschiedener Einstell gren auf das Schleifergebnis 3184.7.1.3.7 Mehrstufi ger Schleifprozess 3194.7.1.3.8 Kostenberechnung 3194.7.1.4 Schleifverfahren 3204.7.1.4.1 Planschleifen 3224.7.1.4.2 Rundschleifen 3224.7.1.4.3 Schraubschleifen 3274.7.1.4.4 Wlzschleifen 3284.7.1.4.5 Profi lschleifen 3304.7.2 Honen 3304.7.2.1 Kinematische Grundlagen 3314.7.2.2 Einfl uss der Einstellgren auf den Honvorgang und das Honergebnis 3324.7.2.3 Einfl uss des Werkzeugs 3344.7.2.4 Einfl uss des Werkstcks 3354.7.2.5 Einfl uss des Khlschmierstoffs 3354.7.2.6 Plateauhonen 3364.7.2.7 Messsteuerung des Honprozesses 3374.7.3 Lppen 3374.7.3.1 Grundlagen 3374.7.3.2 Einfl uss von Prozessgren auf das Lppergebnis 3394.7.3.3 Lppverfahren 3414.7.3.3.1 Planlppen 3414.7.3.3.2 Auen- und Innenrundlppen 3424.7.3.3.3 Kugellppen 3424.7.3.3.4 Polierlppen 3424.7.4 Gleitschleifen 3444.7.5 Strahlspanen 3454.7.6 Anstze zur Miniaturisierung spanender Verfahren 347

4.8 Abtragende Verfahren 3494.8.1 Thermisches Abtragen 350 Funkenerosives Abtragen (Erodieren) 3504.8.2 Chemisches Abtragen 3534.8.2.1 Abtragen durch tzen 3534.8.2.2 Thermisch-chemisches Entgraten (TEM) 3544.8.3 Elektrochemisches Abtragen 355

4.9 Thermisches Schneiden 3564.9.1 Autogenes Brennschneiden 3564.9.1.1 Verfahrensgrundlagen 3564.9.1.2 Thermische Beeinfl ussung der Werkstoffe 3574.9.1.3 Gerte und Einrichtungen 3584.9.1.4 Technik des Brennschneidens 3624.9.1.5 Qualitt brenngeschnittener Erzeugnisse 363 Form- und Lagetoleranzen 363 Schnittfl chenqualitt 3634.9.1.6 Anwendung des Brennschneidens 3664.9.2 Plasmaschneiden 3674.9.2.1 Verfahrensvarianten 368

Inhalt XVII

Plasma-Pressluftschneiden 368 Plasma-Wasserinjektionsschneiden 3684.9.3 Laserschneiden 3694.9.3.1 Verfahrensprinzip 3694.9.3.2 Verfahrensmglichkeiten und Grenzen 370

4.10 Wasserstrahlschneiden 3724.10.1 Einleitung 3724.10.2 Verfahrensgrundlagen 3734.10.2.1 Physikalische Grundlagen 3734.10.2.2 Technologische Grundlagen 3734.10.3 Einsatz und Anwendung 375

4.11 Gestaltung spanend herzustellender Werkstcke 3784.11.1 Allgemeines 3784.11.2 Gestaltung fr das Drehen 3794.11.2.1 Form- und Lageabweichungen 3794.11.2.2 Gestaltungsbeispiele 3804.11.3 Gestaltung fr das Bohren, Senken, Reiben 3814.11.3.1 Gestaltung von Gewinden 3834.11.4 Gestaltung fr das Frsen 3844.11.5 Gestaltung fr das Hobeln und Stoen 3854.11.6 Gestaltung fr das Rumen 3864.11.7 Gestaltung fr das Schleifen 3874.11.8 Gestaltung von Schnittteilen 3894.11.8.1 Werkstoffausnutzung 3894.11.8.2 Fertigung 3914.11.8.3 Genauigkeit 3924.11.8.4 Beanspruchung 393 Ergnzendes und weiterfhrendes Schrifttum 394

5 Umformen 397

5.1 Einteilung und Vorteile der Umformverfahren 397

5.2 Umformtechnische Grundlagen 399

5.3 Druckumformen 4055.3.1 Walzen 4065.3.1.1 Defi nition und Einteilung nach DIN 8583 4065.3.1.2 Verhltnisse im Walzspalt 4105.3.1.3 Kraft- und Arbeitsbedarf beim Walzen 4125.3.2 Schmieden 4135.3.2.1 Freiformschmieden 4135.3.2.2 Gesenkschmieden 4175.3.2.3 Kraft- und Arbeitsbedarf beim Schmieden 4195.3.3 Eindrcken 4215.3.4 Durchdrcken 4235.3.4.1 Strangpressen 4235.3.4.2 Fliepressen 426

XVIII InhaltXVIII Inhalt

5.4 Zug-Druck-Umformen 4315.4.1 Draht- und Stabziehen 4325.4.2 Gleitziehen von Rohren 4355.4.3 Abstreckziehen von Hohlkrpern 4355.4.4 Tiefziehen 4375.4.4.1 Zuschnittermittlung beim Tiefziehen 4405.4.5 Drcken 4435.4.6 Kragenziehen (Brdeln von ffnungen) 444

5.5 Zugumformen 4445.5.1 Lngen 4455.5.2 Weiten 4455.5.3 Tiefen (Streckziehen) 4465.5.4 Blechprfung zur Kennwertermittlung 4465.5.4.1 Tiefungsversuch nach Erichsen 4475.5.4.2 Npfchen-Tiefziehprfung nach Swift 4485.5.4.3 Beurteilung von Blechen mittels Messrastertechnik 448

5.6 Biegen 4495.6.1 Einteilung der Biegeverfahren 4505.6.2 Biegespannungen, Verformungen und Krfte 451

5.7 Innenhochdruckumformen (IHU) 4555.7.1 Allgemeines 4555.7.2 Anwendungsgebiete 4555.7.3 Bauteil- und Prozessauslegung 457 Simulation der Formgebung 4595.7.4 Anlagen- und Werkzeugtechnik 4615.7.5 Fertigteilqualitt 462 Vorausplanung mit dem Kunden 462 Werkzeugeinfl uss 465 Beispiele fr Messungen und Toleranzen 4665.7.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 4665.7.7 Fertigungsbeispiele 467

5.8 Gestaltung fr das Umformen 4685.8.1 Allgemeines 4685.8.2 Gestaltung von Gesenkschmiedestcken 4695.8.3 Gestaltung von Tiefziehteilen 474 Ergnzendes und weiterfhrendes Schrifttum 477

6 Sachwortverzeichnis 479

5

2 Urformen

2.1 Urformen durch Gieen

Nach dem Fertigungsverfahren Gieen werden aus Metallen und Legierungen Gussstcke erzeugt. Aber auch zahlreiche andere Werkstoffe erhalten durch Gieverfahren ihre endgltige Form, z. B. Porzellan und Reaktionsharzbeton, Glser und Kunststoffe.

Im Folgenden werden ausschlielich metallische Gusswerkstoffe und deren Gieverfahren betrachtet.

Durch Gieen lassen sich metallische Werkstcke dann besonders wirtschaftlich fertigen, wenn mit Gieverfahren wie Sandformguss, Kokillen- und Druckguss sowie Przisions- oder Feingussbessere Werkstckeigenschaften erzielt werden als mit konkurrierenden Formgebungsverfahren (z. B. spangebende Verfahren: Drehen, Frsen, Hobeln; Schweiverfahren). Die Werkstcke lassen sich mit gengender Genauig keit durch die gewnschten Ei-genschaften und Be son derheiten den verschiedenen Fertigungsverfah ren zuordnen, wie Bild 1-1 zeigt. Die Zuordnung ist von verschiedenen Faktoren ab-hngig: Magenauigkeit, z. B. IT-Qualitten, Oberfl chengte, z. B. Rautiefe, Wanddicke, Stckzahl, Stckmasse (Stckgewicht), Abmessungen u. a.

Im Vergleich verschiedener Verfahren der Teilefer-tigung nach Bild 1-1 lassen sich durch Gieen folg-lich nur Rohteile herstellen. Fertigteile mit hohen Ge-nauigkeiten werden durch spanende oder umfor-mende Fertigungsverfahren erzeugt.

Um zu erkennen, welche Verfahren der Teileferti -gung zu Kostenvorteilen fhren, sind neben der be-triebswirtschaftlichen Kostenanalyse volkswirtschaft-liche berlegungen notwendig, die alle Teilschritte der Produktion und des Recyclings erfassen mssen.

Dazu werden wichtige Verfahren der Teilefertigung in Bild 2-1 verglichen, nachdem zuvor fr jedes Fer-tigungsverfahren Material- und Energiebilanzen aufgestellt wurden. Die Verwendung von Gussst-cken nutzt das Werkstoffvolumen besser aus und senkt den Energieaufwand erheblich.

Bei vergleichbaren Werkstcken kommt Gieen dem Bestreben am nchsten, diese in einem Arbeits-gang in ihre endgltige Form zu bringen und dabei verlustarm herzustellen.

Das bedeutet fr die Teilefertigung: Rohteile unter Reduzierung der Anzahl notwendiger Fertigungs-schritte nur an Funktionsfl chen so wenig wie mg-lich spanlos oder spanend fertig bearbeiten.

2.1.1 Grundbegriffe der Gieereitechnologie

Die Beschreibung der gietechnischen Fertigung, al-so des Verfahrensablaufs im Gieereibetrieb von der Konstruktionszeichnung bis zum fertigen Gussstck, erfordert die Kenntnis von Grundbegriffen, die i. Allg. durch ein Gieereipraktikum erworben werden.

Bild 2-1Werkstoffausnutzung und Ener- gieaufwand verschiedener Ferti- gungsverfahren (nach Lange). Werkstoffausnutzung Energieaufwand

100 75 50 25 0% 0 25 50 100MJ/kg

Fertigungsverfahren

Sintern

Kalt- oder Halbwarmfliepressen

spanende Fertigungsverfahren

95

85

40 - 50

28,5

41

66 - 82

Werkstoffausnutzung Energieaufwand

75 - 80 46 - 49Warmgesenkschmieden

30 - 38Gieen90

6 2 Urformen

Die Konstruktionszeichnung wird der Gieerei zur Angebotsabgabe zugesandt entweder als Rohteilzeichnung oder als Fertigteilzeichnung.

Die Rohteilzeichnung enthlt die vom Besteller gefor-derten (ge wnschten) Aufmae, Bearbeitungszu ga-ben und Formschrgen mit Lngen-, Dicken- und Win keltole ranzen. Es ist blich, in Rohteilzeichnun-gen fr Se riengussstcke die Spannfl chen (sog. Erst aufnah mefl chen) fr die erste spanende Bearbei-tung zu kennzeichnen. Ferner sind die Flchen fr Beschrif tungen und Herstellerzeichen wahlweise ver-tieft oder erhaben teilweise sogar die Lage der An-schnitte (Bild 2-4) eingezeichnet.

Die bei der Einzelfertigung und bei Kleinserien b-liche Fertigteilzeichnung wird in der Arbeitsvorbe-reitung der Gieerei durch Angabe der vorgegebe-nen, vereinbarten oder erforderlichen Aufmae, Formschrgen und Toleran zen in eine Rohteilzeich-nung umgewandelt.

2.1.1.1 Formen und FormverfahrenDie Fertigungseinrichtungen, z. B. Modelle, Modell-platten, Schablonen oder Kokillen, werden nach der Rohteilzeichnung im Modell- oder Formenbau an-gefertigt und sind Eigentum des Bestellers; hierbei sind kleinere nderungen fast bis zur Fertigstel-lung mglich. Dies ist von besonderer Bedeutung fr Neuentwicklungen.

Zunchst werden in Zusammenarbeit zwischen Ar-beitsvorbereitung und Gieereibetrieb dem Modell- oder Formenbau folgende Angaben gemacht: Formteilung, Zahl und Lage der Anschnitte sowie Kerne und Kernlagerung.

Die Formteilung ist diejenige gedachte Flche, die am Gussstck sie ist auen und innen als Teilungs-grat sichtbar die Formhlften anzeigt. Die Wahl der Formteilung bestimmt meistens auch die An-zahl und Lage der Kerne und ist deshalb von gro-er wirt schaftlicher Bedeutung. Es ist zweckmig, bei Serienguss die Wahl, d. h. Lage und Anordnung der Formteilung durch eine formtechnische Analy-se zu ermitteln.

Am Beispiel eines einfachen Lagerdeckels gem Bild 2-2 sollen verschiedene mgliche Lagen der Formteilung erlutert werden.

Der Deckel wird spanend bearbeitet. Es sollen der Wlzlagersitz fein gedreht und die Deckelfl che als Dichtfl che plan gefrst oder planberdreht werden. Zum Befestigen des Deckels durch Schrauben ist der Flansch an den Ecken mit vier Bohrungen zu ver sehen. Dabei ist die Zentrierung fr die Bohrer mglichst auszufor men, da Bohrungen unter etwa 15 mm Durchmesser durch Kerne nicht wirtschaft-lich hergestellt werden knnen. Sie sollten gebohrt werden!

Alle Bearbeitungsvorgnge knnen von einer Seite in einem Aufspannen erfolgen, wenn das Rohr ende des Deckels als Erstaufnahmefl che dient.

Zum Sichern des Lagers gegen Herauswandern aus dem Deckel wird der Innendurchmesser rohrseitig als Sicherungsbund ausgefhrt. Die Formteilung in Bild 2-3 soll zunchst in die zu bearbeitende Deckel-fl che gelegt werden. Dadurch liegt der La ger deckel praktisch nur in einer Formhlfte.

Der Innendurchmesser des Deckels wird kernlos durch hngende und stehende Ballen ausgeformt. Dabei ist es vorteilhaft, die Ballenteilung auf der Mit te der Lagersitztiefe zu whlen, weil dadurch bei-

Bild 2-2Zum Begriff der Formteilung an einem Lagerdeckel fr einen Pkw.

95

D

CA

B

Bild 2-3Lagerdeckel, Schnitt C D in Bild 2-2, kernlos geformt in der unteren Formhlfte mit Formteilung X X, die in der Deckel-hlfte beginnt.

untere Formhlfte

obere Formhlfte Bohrzentrierung

X X Form-teilung

GussstckTeilungsgrat(bertrieben)

stehenderBallen

hngenderBallen

2.1 Urformen durch Gieen 7

de Ballenhlften mit minimalen Formschrgen aus-kommen. Der zwischen den Ballen entstehende ge-ringe Teilungsgrat liegt auf einer Flche, die spa-nend bearbeitet wird. Der hngende Ballen sollte allerdings nicht tiefer als 60 80 mm sein. Die Bohr-zentrierungen lassen sich problemlos ausformen.

Zum Entfernen der Speiser oder Steiger sowie zum Gussputzen ist die Formteilung in Bild 2-4 geeigne-ter. Die Formteilung beginnt auen auf der Flansch-mitte und teilt die Lagerbohrung zur Hlfte in einen hngenden und stehenden Ballen auf. Die bei den meisten Gusswerkstoffen zum Volumenausgleich erforderlichen Speiser mssen in der Formteilung durch Anschnitte, genauer mittels Anschnittfl chen, mit dem Gussstck verbunden werden. Vom Einguss-trichter aus lassen sie sich ber Stangen, die sich in der Teilung berlappen, mit Schmelze fllen.

Durch das Ausformen einer stark gekerbten Soll-bruchstelle zwischen Anschnitt und Speiser kann bei sprden Gusswerkstoffen nach dem Erstarren das gesamte Anschnittsystem, bestehend aus Speiser oder Steiger, Verteilerstangen und Eingusstrichterdurch einfaches Abschlagen vollstndig entfernt wer-den. Soll auch der rohrseitige Sicherungsbund gleich angegossen werden, wie in Bild 2-2 darge stellt, so muss der hngende Ballen bis zum Beginn des Siche-rungsbundes verlngert werden, darf aber nicht h-her als 40 bis 60 mm sein. Diese elegante Mglich-keit der Trennung des Anschnittsystems vom Guss-stck kann bei duktilen, d. h. zhen Guss werkstoffen, nicht angewandt werden. Es entstehen dann erheb-liche Putzkosten. Der in Bild 2-4 in Flanschmitte

auftretende Teilungsgrat kann mit Putzmaschinen vollstndig entfernt werden.

Aus formtechnischer Sicht ist die Lage der Form tei-lung in Bild 2-4 noch unbefriedigend, da die Form-fl che dies ist die Projektion der durch die Form-teilung erzeugten Ebene des Gussstcks in die Tei-lungsebene durch den fl achen Lagerdeckel nach der Tiefe hin nur ungengend ausgenutzt ist. In Bild 2-5 knnen auf einer nur wenig vergrerten Form-fl che bedingt durch den Kern und die Kernla gerung zwei Lagerdeckel gegossen werden. Die Teilung zwi-schen Kern und Ballen im Innendurch messer kann auch unsymmetrisch ausgefhrt wer den, wenn da-durch der Kern kleiner und damit preiswerter wird oder wenn der rohrseitige Sicherungsbund angegos-sen werden soll. Falls es erforderlich ist, knnen am

Bild 2-4Kernlos geformter Lagerdeckel mit Anschnittsystem und Form-teilung X X auf Flanschmitte beginnend.

XX

Speiser oder Steiger

obere Formhlfte Eingusstrichter

hngender Ballen

Anschnittquerschnittmit Sollbruchstelle untere Formhlfte

Stangen

stehender Ballen

Bild 2-5Zum Begriff der Formfl che: Lagerdeckel als Doppelmodell mit Kern und Formteilung X X in der Kernteilung.

obere Formhlfte

Ringsteg Hohlkern

Teilungsebene x - xX X

Lagerdeckel

untere Formhlfte

Bild 2-6Lagerdeckel mit Diagonalteilung gem Schnittebene CD in Bild 2-2, mit Hohlkern geformt.

X X

obere Formhlfte

untere FormhlfteAnschnitt mitSollbruchstellen

stehenderBallen

hngenderBallen

Speiser

Teilungs-grat

Teilungs-ebene

Tiefe

Hhe

Kern

Kernlager(scheiben-frmig)

8 2 Urformen

Rechteckfl ansch bis zu vier Doppelspeiser angeschnit-ten werden.

Weitere Variationen der Formteilung, dargestellt z. B. in Bild 2-6, als Mitten- oder Diagonalteilung nach Bild 2-2, Schnitt CD, ausgefhrt, bringen be-reits Nachteile fr die Anschnitt- und Speisertech-nik. Auch das For men der Zentrierungen fr die Flanschbohrun gen wird schwieriger, weil der Kern als kostengnstiger Hohlkern mit geringem Sand-verbrauch und guter Gasableitung unvorteilhaft ho-he Stege haben msste.

Der optimalen Wahl der Formteilung kommt bei Seriengussstcken groe Bedeutung zu, weil damit auch evtl. erforderliche Kerne, die Hohlrume oder nicht formbare Flchen Hinterschneidungen ab- bilden sollen, beeinfl usst werden. Die Formteilung ist am Gussstck als dnner Grat innen und auen auch nach dem Putzen noch sichtbar und erhht die Masse, das Stckgewicht.

Da bei allen Seriengieverfahren die Formfl che durch die vorhandene Formmaschine vorgegeben und nicht variabel ist, muss versucht werden, diese kostengnstig mit geringerem Sandverbrauch nach der Tiefe hin auszunutzen. An Hand der Rohteil-zeich nung wird in der Gieerei ber das wirt schaft-liche Herstellverfahren (Form- und Gieverfahren s. Abschn. 2.5) entschieden. Je nach Kompliziertheit, Matoleranzen, Stckmasse, Losgre, Werkstoff und anderen Faktoren wird im Modellbau ein sog.

Dauermodell fr Formverfahren mit verlorenen Formen oder im Formenbau eine

Dauerform ( Kokille) fr ein Dauerformverfah-ren angefertigt.

Bei beiden Verfahren ist es mglich, Hohlrume und nicht formbare Flchen, Hinterschneidungen,

durch Kerne oder Kernschieber abzubilden. Werk-stoffe fr Dauermodelle sind Modellholz, Gieharze und Metalle.

Je nach Beanspruchung werden Dauermodelle nach Modellgteklassen gem DIN EN 12890 mit auf Nennmabereiche bezogenen Maabweichungen ange fer tigt. Fr die drei Nennmabereiche zwischen 50 mm und 180 mm sind als Beispiel in Tabelle 2-1 die zulssigen Maabweichungen am Gussstck ange geben fr H: Holzmodelle, M: Metallmodelle und K: Kunststoffmodelle.

DIN EN 12890 macht auch Angaben ber Form-schrgen an inneren/ueren Modellfl chen und bei Holz modellen ber Anstrich- und Farbkennzeich-nungen. Fr den Nennmabereich 50 mm bis 80 mm nach Tabelle 2-1 sind etwa 1 Formschrge fr Me-tall modelle M1 erforderlich. Auch Formschrgen erh hen das Stckgewicht und sollten deshalb mg-lichst an den zu bearbeitenden Flchen liegen.

2.1.1.2 Formverfahren mit verlorenen FormenDie verlorenen Formen oder Kerne werden aus Gie-ereisanden, siehe Abschn. 2.5.1.1, im bildsamen Zustand meist auf Vorrichtungen, wie z. B. Formma-schinen, Kernblas- oder Kernschiemaschinen her-gestellt. Nheres ist in Abschn. 2.5 erlutert. Die Formen (Kerne) bestehen aus Quarz-, Silica-, Chro-mit- oder Zirkonsand mit natr lichen oder chemi-schen Bindemitteln, sowie Zustzen wie z. B. Ton (Bentonit), Wasserglas, Zement, Gips, Kunstharze auf Phenol-, Kresol-, Furan- und

Poly urethanbasis und Zustzen (Wasser, Kohlenstaub).

Der Ausdruck verlorene Formen oder verlorene Ker-ne bezieht sich dabei auf den Zustand unmittelbar nach der Erstarrung des Gussstcks. Zu diesem Zeit-

Tabelle 2-1. Zulssige Maabweichungen l in mm fr drei Nennmabereiche (nach DIN EN 12890).

0,50,30,30,20,80,5120 mm bis 180 mm

0,450,30,30,20,70,480 mm bis 120 mm

0,30,250,250,150,60,350 mm bis 80 mm

Nen

nma

-be

reic

h

K2K1M2M1H2/3H1a/H1Modellgteklasse

2.1 Urformen durch Gieen 9

punkt soll die Form mit den Kernen durch die ther-mische Beanspruchung zerfallen.

Das Gussstck lsst sich dadurch leicht entfo r men, d. h. auspacken. Der Formstoff ist aber nicht verlo-ren. Er dient als Kreislaufsand nach einer Aufbe-reitung zur Herstellung neuer verlorener Formen.

Die Formverfahren mit verlorenen Formen werden sowohl bei der Einzelfertigung als auch bei Gro se-rien, z. B. in der Automobilindustrie, angewendet.

Bestimmte Gussstcke lassen sich gnstiger gleich-zei tig mit verlorenen Modellen und verlorenen For-men fertigen. Die verlorenen Modelle fr den Fein- oder Przisionsguss werden aus synthetischen Wach-sen oder thermoplastischen Kunststoffen durch Spritz gieen in einer geteilten Dauerform erzeugt oder fr Mit tel- und Grogussmodelle aus Hart-schaumblcken geschnitten und miteinander ver-klebt. Durch Erwrmen (Bren nen) der ungeteilten Form vor dem Ab guss schmilzt das Wachs oder der Kunststoff he raus, oder der Hart schaum verbrennt beim Eingieen der Schmelze.

Eine bersicht der gebruchlichen Formverfah ren zeigt Tabelle 2-2.

2.1.1.3 DauerformverfahrenDie Dauerformen oder Kokillen fr die Dauerform-verfahren knnen nur aus Metallen gefertigt wer-den. Werkstoffe fr Kokillen sind verschleifeste, hitze- und zunderbestndige

Sthle, niedrig- oder hochlegiertes Gusseisen, Kupfer und Kupferlegierungen.

Da Dauerformen in der Herstellung lohnintensiv und somit teuer sind, werden nur Seriengussstcke in Kokillen vergossen.

Auch Dauerformen unterliegen erheblichem Ver-schlei und haben eine von der Beanspruchung (Ent formung und Temperaturwechsel) abhngige Le bensdauer. Das Entformen, d. h. das Ausstoen oder das Auswerfen der Gussstcke aus den Kokil-len erfordert z. T. aufwndige Vorrichtungen.

Bei den Verfahren mit verlorenen Formen gem Ta-belle 2-2 lassen sich mit Dauermodellen auch Kerne fr alle anderen Formverfahren mit Ausnahme des Druckgieens herstellen. Der Giedruck ist beim Druckgieen so hoch, dass nur Kernschieber oder Kerne aus Metallen zur Abbildung von Hohlru men oder Hinterschneidungen verwendbar sind.

Die Wahl eines bestimmten Formverfahrens nach Tabelle 2-2 fr ein Gussstck an Hand der Rohteil-zeichnung ist nur in wenigen Fllen eindeutig mg-lich. Vor allem bei Seriengussstcken sind oft ver-schiedene Formverfahren aus wirtschaftlichen Grn-den dann von Interesse, wenn die geforderten Werk-stckeigenschaften auch durch andere Gusswerk-stoffe erreicht werden knnen. Zum Beispiel werden Zylinderkurbelgehuse und Zylinderkpfe sowohl aus Gusseisen in verlorenen Formen als auch aus Leichtmetall in Dauerformen hergestellt.

verlorene Formen Dauerformen

Dauermodelle verlorene Modelle Kokillen

HandformenMaschinenformenMaskenformenKeramikformen

FeingieenVollformgieen

DruckgieenKokillengieenSchleudergieenStranggieenVerbundgieen

Bild 2-7Heiwindkupolofen im Duplexbetrieb mit einem Netzfrequenz- Induktionstiegelofen, schematisch.

Futter (sauer, SiO2)Beschickung

Entstaubung

Heiwind-Ringleitung mit Dsen

Syphon mit bergaberinne

Schlacke

Beschickung:Roheisen (20 %)Kreislaufmaterial (Speiser, Stangen)SchrottKoksZuschlge

Kupferspulekippbarer Induktions-

Quarztiegel

flssig

teigig

fest

Schmelze

Tabelle 2-2. Formverfahren mit verlorenen Formen und Dauer-formen.

10 2 Urformen

2.1.1.4 SchmelzenParallel zur Form- und Kernherstellung werden im Schmelzbetrieb der Gieerei die Gusswerkstoffe er-schmolzen. Dies geschieht werkstoffbedingt im Schachtofen, z. B. Kupolofen, Tiegelofen, z. B. Induktionsofen, Herdofen, z. B. Lichtbogenofen.

Die fen werden mit Koks, l, Gas oder elektrisch beheizt und sind in der Regel sauer ausgekleidet. Die feu erfeste Auskleidung besteht aus Quarz (SiO

2)

oder Klebsanden (Quarz und Ton).

Der bekannteste Gieereischachtofen ist der saure oder futterlose Kupolofen mit Heiwind. Bild 2-7 zeigt den in Eisen- und Tempergieereien vorherr-schenden Heiwindkupolofen mit dem Netzfre-quenztiegel im Verbund als Duplexbetrieb. Der Sy-phonabstich hlt fl ssiges Eisen im Ofen zurck, das dort aufkohlen kann und ber eine Rinne konti-nuierlich dem Induktionsofen zufl iet. Durch Zuga-be von Sauerstoff durch die Dsen knnen Schmelz-leistung und Eisentemperatur erhht wer den. Der Kupolofen wird auch zunehmend fr das Verwerten und Entsorgen der gieereieigenen Rest stoffe ge-nutzt. Stube werden brikettiert oder gepresst als Zuschlge mit der Beschickung einge setzt. Form stoff-reste, die sog. Knollen, werden durch eine Vorrich-tung in der Dsenebene einge blasen und verschla-cken. Das Legieren, also das Einstellen der Zusammen-setzung, erfolgt im Tiegel, der dazu auf Druckmess-dosen gelagert ist, die den Fllstand anzeigen.

2.1.1.5 GieenDas Gieen, Abgieen oder Fllen der Form ist der nch ste Schritt einer gietechnischen Fertigung. Nach der Art des Giedrucks unterscheidet man Schwerkraftgieen entsprechend Bild 2-8, Druckgieen und Schleudergieen.

Weil Druckguss spezifi sch werkstoffabhngig ist (typisch fr Zink und Leichtmetalle), wird dieses Ver-fahren in Abschn. 2.5.2.1 zusammen mit den Druck-gusswerkstoffen beschrieben. Schleuderguss als Form-guss (Abschn. 2.5.3.3) gewinnt an Bedeutung. Bis-her sind hier Rohre und ringfrmige Gussstcke aus allen Gusswerkstoffen vorherrschend.

Beim Schwerkraftgieen werden oben offene Sand- oder Dauerformen mit Schmelze gefllt. In Bild 2-8 ist der Flssigkeitsspiegel in der oben offenen No-ckenwellenform im Einguss und im Speiser durch die Volumendifferenz fl ssig-fest wie in kom mu ni-zierenden Rhren (h

1 h

2) als Lunker ausgebildet

und eingefallen: Einfalllunker. Diese Art der Gie-technik lsst sich nur mit aufgesetzten Speisern ver-wirklichen, da andernfalls der oben erwhnte Ein-falllunker im Guss stck auftreten wrde.

Die Formfllung ist steigend oder fallend mglich: Fallender Guss, z. B. in Kokillen, steigender Guss, z. B. in Sandformen und Kokil-

len.

Die steigende Formfllung hat bei Sandformen den Vorteil, dass Verunreinigungen, wie z. B. Schlacke, lose Sandreste und Gase, im Speiser aufsteigen kn-nen. Die Formfllung erfolgt laminar ohne Gefahr von Auswaschungen und ohne Spritzer. Keramische Filterelemente aus Glasfasern oder Korund im Ein-gusskanal von Dauerformen fr Leichtmetalle kn-nen auch Oxidhute zurckhalten.

Bild 2-8Draufsicht in der Teilungsebene auf eine fr das steigende Schwerkraftgieen vorbereitete Nockenwellenformhlfte.

A

B

h 1 h2

Teilungsebene

Speiser mit Lunker

Zentrierung fr2. Formhlfte

Einguss

Anschnitt

Bild 2-9Pkw-Schwungscheibe als kernloser Kastenguss mit Anschnitt-system zur berschlgigen Berechnung der Abhebekraft F

A.

Schwungscheibe

Teilungsgrat

SpeiserSpeiser

Unterkasten

Oberkasten

Eingusstrichter

FA FA FA

Ap d 2 /4

h

2.1 Urformen durch Gieen 11

In Schmelzen pfl anzt sich der Giedruck nach allen Seiten gleichmig fort ( hydrostatisches Parado-xon). Bei horizontal geteilten Formen, wie z. B. bei den Formksten der Maschinenformerei, wird da-durch die obere Formhlfte druckbeaufschlagt.

Die Abhebekraft FA gegen den Oberkasten gem

Bild 2-9 bei steigendem Guss betrgt

FA A

p r

S g h.

Hierbei ist Ap die in der Formteilung gegen den

Oberkasten projizierte Flche des Gussstcks, h die Oberkastenhhe, r

S die Dichte der Schmelze und g

die Fallbeschleunigung. Der Druck gegen den Ober-kasten wird bei Gussstcken mit Kernen durch de-ren Auftrieb noch zustzlich erhht.

Jeder in eine Schmelze eintauchende Kern erfhrt nach dem Archimedischen Prinzip einen senkrecht nach oben gerichteten Auftrieb. Diese Kernauf-triebskraft F

K ist gleich der Gewichtskraft des durch

den Kern verdrngten Schmelzvolumens und wird ber die Kernlager in der Regel ebenfalls in die obe-re Formhlfte eingeleitet, die Dichte des Kernma-terials spielt hierbei keine Rolle.

F FA F

K.

Die Kernauftriebskraft FK soll nach Bild 2-10 fr

eine Bchse berechnet werden. Das fr den Auf-trieb wirksame Kernvolumen V

K ist

VD

Ld

l D L d lK 2 2

2 2

4 4

4

+ = +( ),

d. h. die Summe beider Zylindervolumen ohne die Kernlager, die in den ausgeformten Kernmarken der Ober- und Unterformhlften die magenaue Lage-rung des Kerns ermglichen. Die Auftriebs kraft

FK V

K g r

S

wird bei horizontal geteilten Formen ber die bei-den Kernlager in die Oberform eingeleitet.

Die Kernlager in Bild 2-10 sind in ihrer Lnge auf die Kernfestigkeit abgestimmt worden. Bei zu gerin-ger Wanddicke oder zu kurzen Kernlagern besteht die Gefahr des Abscherens und Aufschwimmens wh rend der Erstarrung.

In horizontal geteilten Formen ist Gieen und un-ge strtes Erstarren nur mglich, wenn der Gie-druck und der Auftrieb durch Beschweren oder Verklammernder Oberformhlfte gem Bild 2-11 abgefangen wird. In senkrecht geteilten Sandformen muss der seitlich wirksame Giedruck, wie Bild 2-12 zeigt, durch Verkleben oder Verklammernund mit Hilfe von zustzlichem Hinterfllen, d. h. Sttzen der Formhlften mit Formstoff, Drahtkorn

Bild 2-12Nockenwellenmaske im Blechrahmen nach Bild 2-8, Schnitt A-B, zum Abgieen aufgestellt und mit Gusskies hinterfllt.

Bild 2-10Bchse, liegend geformt, mit Hohlkern zur Bestimmung der Auftriebskraft F

K des Kerns.

Bild 2-11Maschinenformksten unterschiedlicher Tiefe, links verklam-mert und rechts im Schnitt beschwert.

12 2 Urformen

oder Guss kies, abgefangen werden (siehe auch Ab-schn. 2.5.1.3). Bei den Dau er formverfahren sind die Zuhaltekrfte der Ko kil len hlften so gro, dass diese Manahmen entfal len knnen.

Die Zeit fr das Erstarren von Gussstcken kann sehr unterschiedlich sein. So betrgt die Erstarrungs-zeit z. B. mehrere

Sekunden bei Druckguss, Kokillenguss, Schleu-derguss,

Minuten bei Sandguss, Maskenguss, Maschi-nenformguss und

Stunden bzw. Tage bei Groguss.

Bei Seriengussstcken gibt die Erstarrungszeit die Taktzeit fr den nchsten Fertigungsschritt, das Entformen vor.

Je krzer die Erstarrungszeiten werden, desto schnel-ler mssen die Gussstcke entformt oder ausgepackt werden. Erstarrende und abkhlende Gussstcke schwinden und schrumpfen (Abschn. 2.4.2). Allge-mein wird ein mglichst frhes Ent formen bevor-zugt, da dann der Schwindungs- und Schrumpfungs-vorgang weniger behindert wird.

In Dauerformen wird ein automatisches Zwangs-entformen mit Auswerfern durchgefhrt, um die Kokil lentemperatur in einem als vorteilhaft erkann-ten, en gen Temperaturbereich zu halten. Auch wird ver sucht, beim Entformen Teile des Anschnittsys-tems, wie z. B. Speiser, Stangen und Eingusstrich-ter, gleich mit zu entfernen.

2.1.1.6 PutzenNach dem Entformen folgt als nchster Fertigungs-schritt im Gieereibetrieb das Putzen. Putzarbeiten sind nur selten vollstndig mechanisierbar und des-halb teuer. Nach Untersuchungen der Verbnde VDI und VDG knnen die Putzarbeiten fr mit telschwe-ren Maschinenguss bis zu 30 % der Her stell kosten betragen. Eine gute Gusskonstruktion muss darum unbedingt putzgerecht sein, d. h., der Umfang der Putz arbeit sollte mglichst gering sein. Putzar beiten werden durch Formteilung, Zahl und Lage der Anschnitte, Kerne, Formstoffeund andere Faktoren beeinfl usst.

Fr die Lagerdeckel in Bild 2-4 und 2-5 sind die Putz arbeiten gering, weil sich die vier Speiser bei Temperguss und Gusseisen durch einfaches Abschla-gen entfernen lassen. Die Bruchfl che des Ans chnitt-querschnitts kann entweder am Gussstck verblei-ben oder wird mit der Schleifscheibe ber schlif fen. Der Teilungsgrat im Bereich der Ballen liegt in einer Fl che, die ausgedreht wird. Form und Gr e des La-gerdeckels erlauben maschinelles Putzen in Schleu-derstrahlputzmaschinen. Die Gussstcke werden da-bei lose auf Drehtischen oder in Trommeln liegend oder auch in Kabinen hngend durch ein Schleuder-rad, wie es Bild 2-13 zeigt, mit Gusskies oder Draht-korn unter verschiedenen Winkeln be strahlt. Die in-neren und ueren Oberfl chen werden von den Form-stoffresten und den dnnen mes ser scharfen Tei lungs-graten befreit und sind danach metallisch blank. Pee-nen ist ein Festigkeitsstrahlen, bei dem durch Verfes-tigung der Oberfl che die Dau erfestigkeit um 30 % bis 50 % erhht wird.

Die Schwungscheibe in Bild 2-9 erfordert grere Putzarbeit. Der Gusswerkstoff Gusseisen mit Kugel-grafi t ist duktil, d. h. zh und fest. Die Speiser (vier oder zwei Stck) lassen sich nicht durch Abschlagen vom Gussstck trennen. Sie mssen durch Abbre-chen, Abdrcken, Sgen oder Brennen entfernt wer-den. Der Anschnittquerschnitt muss mit unterbroche-nem Schnitt vorgedreht werden. Der Teilungsgrat zwi-schen den Ballen liegt in der spter zu bear bei tenden Flche fr die Reibkupplung und kann bleiben. Die ffnung der Scheibe ermglicht ein Ein hngen in ei-ne Hngebahnputzmaschine. Gegen ber dem La ger-deckel (Bild 2-4) ist diese Form- und Gietechnik der Schwungscheibe nicht besonders putzgerecht.

Bild 2-13Schleuderstrahlen zum Gussputzen und Festigkeitsstrahlen (Peenen) in Trommeln, Drehtischen und Kabinen.

Strahlmittel wirdmittig zugefhrt

Schleuderrad mitaktiver Wurfschaufel

ArbeitsbereichDrehtisch

Gussteil

2.1 Urformen durch Gieen 13

Das Nassputzverfahren gewinnt bei mittleren bis groen Teilen an Bedeutung. Die Formstoffreste am Gussstck werden dabei in einer Kabine durch ei-nen Druckwasserstrahl staubfrei entfernt. Nach dem Putzen ist das Gussstck fertig fr die Endkontrolle.

2.1.1.7 WrmebehandlungZum normalen Fertigungsablauf gehrt bei einigen Gusswerkstoffen noch eine Wrmebehandlung. Da-durch lassen sich Eigenschaften, wie z. B. Fe stigkeit, Hrte und Dehnung, im Gussstck beein fl ussen. Die Art der Wrmebehandlung ist vom Gusswerkstoff abhngig.

Gusseisen mit Lamellengrafi t, der mengenmig bedeutendste Eisengusswerkstoff, wird nur in Aus-nahmefllen geglht. Zum Beispiel werden

Temperguss und Gusseisen mit Kugelgrafi t gra-fi tisierend geglht,

Stahlguss normalgeglht und (oder) vergtet, aber auch einsatzgehrtet,

NE-Gusswerkstoffe homogenisiert und (oder) ausgehrtet.

2.1.1.8 QualittsmanagementDie Endkontrolle ist der letzte Teil einer Reihe von Manahmen, die den Fertigungsablauf und die Qua-litt der Gussstcke garantieren. In einer Ferti gung hoch beanspruchter Serienteile aus dem Fahr zeug-bau wie z. B. Pkw-Pleuel, Kurbel- und Nockenwellen, Radnaben und Felgen, Gelenkwellenfl ansche

Tabelle 2-3. Qualittsmanagement fr Pkw-Pleuel (nach Gut und Trapp).

Wareneingang

Schmelzen

Formen

Gieen

Hartguss

Glhen

Werkstoffprfung

Endkontrolle

Rohguss

Metallischer Einsatz:Stahlschrott, Roheisen, Ferrolegierungen undForm- und Hilfsstoffe

Gattierung, Analyse, TemperaturOfendaten, Probestbe

FormsandkontrolleGietemperatur

Versatzprfung (Stichprobenprfung)Sichtkontrolle (Stichprobenprfung)Rissprfung (Stichprobenprfung)Dichtheit (Stichprobenprfung)Modellverschlei (Stichprobenprfung)

Ofentemperaturen, Glhatmosphrenlbadtemperaturen, Gefge

Maprfung (Stichprobenprfung)Prfung des Festigkeitsverhaltens (Stichprobenprfung)

Sichtkontrolle (Vollprfung)Makontrolle (Vollprfung)(Durchbiegung, Verdrehung, Dicke)Hrteprfung (Vollprfung)Magnetische Rissprfung (Vollprfung)Rissprfung mittels Ultraschall (Vollprfung)Versandkontrolle (Stichprobenprfung)

14 2 Urformen

muss z. B. durch eine zwei- bis dreifache Einzel-prfung das Ausfallrisiko auf ein Verhltnis vermin-dert werden, das kleiner ist als 1:100 000. Die dazu

notwendigen Manahmen und Prfgren sind pro-duktbezogen und werden mit dem Oberbegriff Qua-littsmanagement bezeichnet.

Form- und Kernmacherei Schmelzbetrieb

Formen- oder KokillenbauModellbau

Putzen

gegebenenfalls Glhen

Endkontrolle

versandfertiges Gussstck

Werkstoffkreislauf

Formstoffkreislauf

Reststoffverwertung

Entformen

Erstarren

Gieen

Rohteilzeichnungoder

Fertigteilzeichnung

Tabelle 2-4. Fertigungsschritte im Gieereibetrieb mit geschlossenem Formstoff- und Werkstoff kreislauf.

2.2 Metallkundliche Grundlagen des Gieens 15

In Tabelle 2-3 ist ein Kontrollschema fr Pkw-Pleuel dargestellt. Die Rohstoffe werden im Wareneingang bereits erstmals geprft. Die Daten der Schmelz-, Form- und Gieanlagen werden kontinuierlich er-fasst und zur sicheren und gleichmigen Prozess-fhrung eingesetzt. Im Hartguss- und (oder) Rohguss-bereich lassen sich durch Stichproben pr fungen zu-lssige Ab weichun gen in einem so frhen Stadium er ken nen, dass Gegenmanahmen rechtzeitig mg-lich sind. Der Modellverschlei lsst sich z. B. durch re gelmige Messungen an Rohgussstcken nach ei nem Stichprobenplan exakt feststellen.

Bei Sicherheitsteilen, wie z. B. Felgen und Gelenk-wellen, kann auf Vollprfungen in der Endkontrolle nicht verzichtet werden. Die produktbezogenen Prf-gren werden dabei unterschiedlich sein, z. B. Sichtkontrollen an ueren und inneren Ober-

fl chen, Makontrollen mit Messmaschinen, zerstrungsfreie und automatische Hrtepr-

fungen oberfl chennaher Zonen, teil- und vollautomatische Rissprfungen.

Die verschiedenen Fertigungsschritte von der Zeich-nung bis zum fertigen Gussstck im Gieereibetrieb sind in Tabelle 2-4 zusammengefasst. Fr einen wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb ist ein geschlossener Formstoff- und Werkstoffkreis-lauf von groem Vorteil. Eine Risikoanalyse solcher Ferti gun gen durch die Fehler-Mglichkeits- und Ein-fl uss ana lyse ( FMEA) ist Stand der Technik fr Se-rien teile des Fahrzeugbaus und verursacht stei gende Qualitts kosten.

2.1.1.9 Konstruieren mit GusswerkstoffenBeim Entwurf eines Gussstcks nach den allgemei-nen gietechnischen Gestaltungsrichtlinien (Abschn. 2.6) sollte sich der Konstrukteur zunchst nicht auf ein bestimmtes Gieverfahren festlegen. Die Kombi-nationsmglichkeiten mit Gusswerkstoffen auf der Basis Eisen- und Nichteisenmetalle sind gro.

Die Optimierung des Gussstcks nach den techni-schen Erfordernissen und den wirtschaftlichen Ge-sichtspunkten erfolgt zweckmig erst in Zusam-menarbeit mit der Gieerei. Dabei kann meist siche-rer die Entscheidung fr verlorene Formen oder fr ein Dauerformverfahren getroffen werden, wobei berlegungen zum Recycling schon bei der Entwick-lung des Gussstcks beginnen mssen. Fr Serien-gussstcke sollten z. B. mglichst nur genormte

Standardlegierungen ausgewhlt werden. In der Ein-zelfertigung oder der Kleinserie knnen legierte Son-derwerkstoffe zweckmig sein.

2.2 Metallkundliche Grundlagen des Gieens

Urformen durch Gieen metallischer Gusswerkstof-fe bedeutet Einfl ussnehmen auf die Zustands nde-rung fl ssig fest, die in einer Gussform in Abhn-gigkeit von der Zeit abluft. Die dabei auftretenden metallphysikalischen Probleme sind sehr komplex und nur in Teilbereichen bis heute erforscht. Auch entzieht sich das Geschehen nach dem Abguss, z. B. das Kristallwachstum oder das Formstoffverhal-ten, einer direkten Beob ach tung, so dass bisher nur Modellvorstellungen zur Erklrung der beobach-teten Phnomene bekannt sind.

In diesem Hauptabschnitt werden nur die wichtigs-ten metallkundlichen Begriffe des Gieens erlu-tert. Der Einfl uss der Gusswerkstoffe auf die gie-technischen Fertigungsverfahren kann so deutlich gemacht werden.

2.2.1 Entstehung der Gussgefge

Die Entstehung des Gussgefges bei der Herstellung von Gussstcken ist ein der Geburt vergleichba-rer Vor gang. Wesentliche Werkstck- und Werkstoff-ei gen schaften des Gussstcks werden hier festgelegt. Nur wenige Eigenschaften knnen nachtrglich und nur unter erheblichen Kosten gen dert werden.

Deshalb sollte der Konstrukteur von Gussteilen durch die Formgebung gestaltenden Einfl uss auf diesen Lebensbeginn nehmen und in Zusammen-arbeit mit dem Hersteller die sog. gelenkte Erstar-rung von Gussstcken (Abschn. 2.2.4) anstreben.

2.2.2 Stoffzustnde

Zum Gieen mssen Legierungen oder Reinmetal-le zunchst vom festen in den fl ssigen Aggregatzu-stand gebracht werden. Die Gusswerkstoffe knnen aufge baut sein aus Mischkristallen: Eisen, Messing, Bronze, intermediren Verbindungen: Fe

3C, Al

3Mg

2,

nichtmetallischen Phasen: Grafi t, Schwefel.

16 2 Urformen

Sie mssen aus dem festen Zustand durch Zufuhr von Energie in die giefhige Schmelze berfhrt wer den. Untersuchungen zeigten, dass derartige Schmelzen amorphe, homogene Flssigkeiten ohne kristalline Anteile sind. Beim Abkhlen einer Schmel-ze in der Form luft die Zustandsnderung

fl ssig fest (amorph) kriErstarren oderKristallisieren ( sstallin)

ab. Die Zustandsnderung wird als Erstarrung oder Kristallisation bezeichnet. Dabei muss die Form nicht nur die Geometrie des Gussstcks abbilden, sondern auch den greren Teil der bei der Erstar-rung frei werdenden Kristallisationswrme aufneh-men und weiterleiten.

Beim Pha sen bergang fl ssig-fest ndern sich viele Eigenschaften sprunghaft. Insbeson dere kann die Dichtenderung zu schwer beherrschbaren Fehlern wie Lunkern, Warmrissen und Poren fhren. Die mit der Erstarrung verbundene Entmischung kann Sei gerungen und Gasblasen zur Folge haben.

Im Abkhlschaubild, das die Abhngigkeit der Tem-peratur von der Zeit gem Bild 2-14 und 2-15 wie-dergibt, unterscheidet man nichteutektische Le gie-rungen und eutektische Legierungen (letztere er star-ren wie reine Metalle). In Bild 2-14 ist die Abkh lung einer Aluminiumschmelze dargestellt. Eine ty pische Gietemperatur ist z. B. J

G 730 C. Zum Zeit punkt

t1 beginnt die Kristallisation bei dem Schmelz punkt

JL 660 C, die nach der Zeit t2 been det ist. Die Alu-

miniumschmelze ist jetzt vollstndig erstarrt, soll aber weiter bis auf die Raumtemperatur J

R abkh-

len. Dies kann in der Form oder schneller nach dem Auspacken bei der Temperatur J

A erfolgen.

Das Entformen oberhalb der Raumtemperatur bie-tet ei ne Reihe von Vorteilen; z. B. knnen metalli-sche For men, sog. Dauerformen, sofort wieder mit Schmelze gefllt werden. Auerdem werden da-durch die riss be gnstigen den Schrumpfspannungen vermieden bzw. klein ge hal ten. Das Gussstck khlt dann auf dem Weg zur Putzmaschi ne von der Aus-packtemperatur J

A bis auf Raumtemperatur J

R ab.

Bild 2-15 zeigt das Abkhlverhalten der Eisen-Koh-lenstoff-Legie rung Gusseisen GJL. Untereutekti-sches Gusseisen wird mit einer typischen Gietem-peratur J

G von etwa 1400 C vergossen. Die Kristal-

lisation beginnt zum Zeitpunkt t1 bei etwa 1270 C

und ist bei der tieferen eu tektischen Temperatur JE

von 1200 C zur Zeit t3 be endet. Die Temperaturdif-

ferenz zwischen der Liquidustempe ra tur JL und der

Bild 2-14Abkhlschaubild fr Aluminium von Gietemperatur J

G bis

auf Raumtemperatur JR.

800

Tem

per

atur

J

700

600

500

400

300

200

100

0t1 t2 t3

Zeit t

C JGJL

JA

JR

Erstarrungs-

flssigund fest

flssig fest

zeit

Bild 2-15Abkhlschaubild einer Gusseisenschmelze mit dem Erstar-rungsintervall zwischen J

L und J

E.

1600

Tem

per

atur

J

1400

1200

1000

800

600

400

200

0t1 t2 t3

Zeit t

CJG

JE

JA

JR

flssig fest

t4

JL

Erstarrungs-zeit

flssigund fest

Bild 2-16

Zum Begriff der Unterkhlung (DJU) von Schmelzen.

Abkhlschaubil der: :Schmelze sehr langsam abgekhlt, :Schmelze schnell abgekhlt.

Tem

per

atur

J

Zeit t

JSJS

JG

D J U

JR JR

J0

JG

2.2 Metallkundliche Grundlagen des Gieens 17

Durch die fortschreitende Erstarrung und die dadurch freiwerdende Kristallisationswrme steigt die Tem-peratur der Schmelze erneut bis J

S an, erreicht den

Schmelzpunkt JS aber nicht. Dadurch ist eine groe

Anzahl von Keimen in unterkhlten Schmelzen sta-bil, d. h., sie werden nicht mehr aufgeschmolzen.

Die Abkhlung einer Schmelze in einer dickwandi-gen, getrockneten Sandform kommt der Kurve 1 na-he. Die Abkhlung der Schmelze in einer dnnwan-digen, gekhlten, metallischen Dauerform, Kokille genannt, entspricht der Kurve 2, Bild 2-16.

Messungen der Unterkhlung von Schmelzen haben gezeigt, dass die Temperaturdifferenz J

U grer

wird, wenn die Schmelze vorher strker erwrmt oder lnger bei hheren Temperaturen aufbewahrt der Gie er sagt, berhitzt oder gehalten wurde.

Eine berhitzte, d. h. eine in der Regel keimarme Schmelze ist also ein geeigneter Ausgangszustand zur Bildung arteigener Keime.

Nach der kinetischen Keimtheorie mssen Schmel-zen, die kurzzeitig berhitzt wurden, unterhalb ih-res Schmelzpunktes J

S ein Maximum fr die sich

in ih nen bildenden Keime besitzen. Die Kristalli sa-tions geschwindigkeit v

KG nimmt mit steigender Ab-

khl ge schwindigkeit zu und nhert sich einem Grenz-wert. Keimzahl N

KZ und v

KG sind also abhn gig von

der Unterkhlung JU. Dieser Zusammenhang ist

in Bild 2-17 dargestellt.

Mit der Wahl des Form- und Gieverfahrens wird in der Gieereipraxis die Abkhlungsgeschwindig-keit festgelegt und damit die erzielbare Unterkh-

eutektischen Temperatur JE wird Erstarrungsinter-

vall genannt.

In Bild 2-15 betrgt die Temperaturdifferenz

JL J

E 1270 C 1200 C 70 C.

Der Gusswerkstoff befi ndet sich whrend des Erstar-rungsintervalls in dem fr das Gieen bedeutsamen teigigen Zustand. Whrend der Erstarrungszeit t

2 bis

t3 kristallisiert die restliche Schmel ze bei der eutek-

ti schen Temperatur JE. Man nennt diesen Vorgang

die eutektische Reaktion.

Auch in Bild 2-14 liegt der teigige Zustand whrend der Erstarrungszeit t

1 bis t

2; die Kristallisation fi ndet

in diesem Fall bei konstanter Temperatur statt.

Kennzeichnender Unterschied im Erstarrungsver-hal ten sind die Temperaturen: Konstante Temperatur bei eutektischen und pe-

ritek tischen Legierun gen und Reinmetallen, Temperaturintervall bei Legierungen.

2.2.3 Keimbildung und Impfen

In Gussstcken werden verschiedenartige Gussge-fge beobachtet, die durch Wachstumsprozesse von Er starrungszentren aus entstehen, die auch Keime ge nannt werden. Im Folgenden sollen zwei Mglich-kei ten be trachtet werden, wie Keime in Schmelzen zu erzeu gen oder in diese einzubringen sind.

2.2.3.1 Homogene KeimbildungDie Keimbildung bezeichnet man als homogen, wenn die Schmelze selbst eigene Keime, sog. artei-gene Keime, in der fl ssigen Phase bilden kann. In Bild 2-16 der Einfl uss der Ab khlgeschwindigkeit auf die Unterkhlung J

U me tallischer Schmelzen

dargestellt. Kurve 1 zeigt das schon bekannte Ab-khlverhalten einer Schmelze. Die Erstarrung be-ginnt und endet bei der konstanten Schmelztempe-ratur J

S, wenn die Abkhlgeschwin dig keit sehr klein

ist. Bei zunchst hoher Abkhlge schwindigkeit nach Kurve 2 beginnt die Kristallisa tion an arteigenen Keimen erst bei der Temperatur J

O unterhalb von

JS. Die Erstarrungszentren werden in der Schmel-

ze in um so grerer Anzahl gebil det, je strker sie unterkhlt ist. Die Unterkhlung J

U einer Schmel-

ze ist die Temperaturdifferenz

JU J

S J

O.

Bild 2-17Keimzahl N

KZ und Kristallisationsgeschwindigkeit v

KG in Ab-

hngigkeit von der Unterkhlung DJU.

Unterkhlung JU

Kei

mza

hl N

KZ

Kris

talli

satio

nsge

schw

ind

igke

it v

KG

vKG

NKZ

JS

typische Gefge

Giebedingung

18 2 Urformen

lung der Schmelze bestimmt. Das Gussstck be-kommt dadurch ein typisches Gefge. Der Vorgang wird Pri mrkristallisation, das Gefge Primrge-fge genannt. Er wird von der Keimzahl und der Kris-tallisationsgeschwindigkeit bestimmt, die von der Ab khlgeschwindigkeit des Gussstcks abhngt.

In Bild 2-18 sind die Gefge fr die Abkhlbedin-gungen und aus Bild 2-17 schematisch darge-stellt. Geringe Keimzahlen und kleine bis mittlere Kris tallisationsgeschwindigkeiten fhren zu einem gro ben Guss gefge, einem Grobkorngefge.

Dagegen werden durch groe Keimzahlen bei gro-en Kristallisationsgeschwindigkeiten feine Primr-gef ge, das gnstige Feinkorngefge, erzeugt.

Kokillenguss und das Gieen in wasserhaltige Form-stoffe, Nassguss genannt, sind Beispiele fr die Be-din gung . Dickwandiger Guss in gebrannten, vor-ge heiz ten Form stoffen entspricht der Bedingung . Zwischen diesen Extremwerten sind viele Zwischen-stu fen mg lich, die auch tatschlich beobachtet wer-den. Sie entstehen durch die unterschiedlichen Wand-di cken, Versteifungen und Durchdringungen der Guss konstruktionen.

In Bild 2-19 sind die den Bedingungen und aus

Bild 2-17 entsprechenden Gefge in ein Gussstck eingezeichnet. Da die Abkhlgeschwindigkeit durch das Form- und Gieverfahren vorgegeben ist, entste-hen im gleichen Gussstck zwischen und unter-schiedliche Primrgefge.

Eine einfache Konstruktionsregel lautet:Nach Mglichkeit sind Gussstcke mit annhernd gleichen Wanddicken zu versehen. Durch stark ab-wei chende Abkhlbedingungen entstehen beim Gie-en Primrgefge mit unterschiedlicher Korngre.

2.2.3.2 Impfen der SchmelzeDas Primrgefge von Gussstcken lsst sich auch durch Impfen beeinfl ussen. Darunter versteht man das Einfhren und Verteilen von Impfmit teln in Schmelzen. Das sind artfremde, heterogene Kei me, da die Impfmittel nicht der Zusammensetzung des Gusswerkstoffs entsprechen. Man nennt sie des halb auch Fremdkeime. Durch Impfen kann die Keimzahl N

KZ der Schmelze gesteuert werden, ohne die che-

mische Zusammensetzung merklich zu ndern.

Die Mehrzahl der empirisch durch sinnvolles Pro-bieren gefundenen Impfmittel besteht aus Legie-rungen mit Grafi t. Sie haben meist einen hheren Schmelzpunkt als der Gusswerkstoff selbst. Bekann-te Impfmittel, die feinkrnig oder stckig den Schmel-zen kurz vor dem Vergieen oder sogar direkt in der Form zugesetzt werden, sind z. B. Ferrolegierungen wie: FeSi, FeMn, FeCr, FeP, Kohlenstoff als Grafi t, Ru, Pech, Verbindungen wie etwa

Oxide: Al2O

3, ZrO

2, Fe

2O

3,

Nitride: Bor- und Eisennitrid, Carbide: Bor- und Chromcarbid, Legierungen als Ca-Si, Al-Si.

Obwohl Impfmittel hufi g eingesetzt werden und auch nicht billig sind, ist ber die Theorie der Impf-wirkung selbst wenig bekannt.

Die Impfwirkung wird in den Gieereien durch ther-mische Analysen und Gefgeuntersuchungen ber-prft, um die optimale Form von Menge, Art der Zugabe, Verteilung in der Form oder der Schmelze, und Zeiteffekt (Abklingverhalten)herauszufi nden. Handelsbliche Impfmittel knnen auch Gemenge sein, wie z. B. eine Mischung aus Fer-rolegierung, Grafi t und Leichtmetall.

Bild 2-19

Einfl uss einer geringeren () und einer hheren Abkhlge-schwindigkeit () auf die Korngre im Gussstck.

Abkhlbedingung

Bild 2-18Unterschiedliche Primrkristallisation durch Formen mit geringer () und hoher Unterkhlung ().

Giebedingung

GrobkornPrimrgefge

Feinkorn

2.2 Metallkundliche Grundlagen des Gieens 19

Zusammenfassend betrachtet sind also zwei Verfah-ren zur Einstellung der Primrgefge in Gusswerk-stoffen blich: Impfen mit verschiedenen Impfmitteln, berhitzen von Schmelzen (homogene Keim-

bildung wird erleichtert).

In der Gieereipraxis werden meist beide Verfahren angewendet, denn auch wenn keine Impfmittel di-rekt zugegeben werden, wirkt bereits der Formstoff oder die Wand als Fremdkeim auf die Schmelze.

2.2.4 Kristallformen

Zunchst sei der fortschreitende Erstarrungsablauf einer Schmelze nher betrachtet. Die Frage, wie aus

Keimen Gussgef gedurch Wachstum entstehen, ist fr das Gieen von besonderem Inter-esse, weil hierbei Mglichkeiten zum Beeinfl ussen der Erstarrung, die sog. gerichtete Erstarrung, er-kannt werden. Untersuchungen an verschiedenen Gusswerkstoffen haben gezeigt, dass die Kristall-formen, die zu einem Gussgefge zusammenwach-sen, von mehreren Einfl ussgren abhngen. Dabei ist die Abkhlgeschwindigkeit von grter Bedeu-tung. Sie wird deshalb auch vom Konstrukteur und nicht nur vom Gieer durch Wahl des Form- und Gieverfahrens festgelegt.

In Bild 2-20 ist schematisch eine geteilte Form mit der Schmelze in drei Phasen der Erstarrung dar ge-stellt. Die geteilte, dnne Gussform wird Formmas-

Einige wenige, aber besonders wichtige Impfmittel haben Schmelzpunkte, die erheblich niedriger lie-gen, als die der damit behandelten Gusswerkstoffe. Ihre Impfwirkung muss des halb anders geartet sein, da sie im Gusswerkstoff aufschmel zen, Verbindun-gen bilden oder sogar verdampfen.

Solche Impfmittel sind die Metalle: Natrium J

S 98 C,

Magnesium JS 650 C,

Aluminium JS 660 C,

Cer JS 797 C.

Mit Natrium werden viele Aluminium-Silicium-Legie rungen geimpft, man sagt veredelt. Dabei wird die kurzzeitige Impfwirkung nicht durch Natrium-fremdkeime herbeigefhrt, sondern durch die jetzt grere Unterkhlung der Schmelze. Eine Lang-zeitveredlung mit Strontium erfolgt zweckmiger im Schmelz-, Gie- oder Warmhalteofen.

Mit Magnesium oder Cer kann die Kristallisation von Grafi t in hochkohlenstoffhaltigen Eisenguss-werkstoffen (2,4 % C bis 4,3 % C) beeinfl usst wer-den. Soweit bisher bekannt ist, kommt dies durch Ver bindungsbildung dieser Elemente mit Schwefel und Sauerstoff zustande. Als Fremdkeim fr den Grafi t wirkt Kieselsure, deren Ausscheidung aus der Schmel ze aber ebenfalls nicht ohne Fremdkeime mglich zu sein scheint. Die Erstarrung von Guss-eisen ist zwingend auf kieselsurehaltige Keime angewiesen. Aus den genannten Grnden ist die Beein fl ussung der Erstarrung zum Vermeiden von Gussfehlern eine stndige Aufgabe der Praxis.

Bild 2-20Formmasken mit radial gleicher Abkhlgeschwindigkeit zum Zeitpunkt t

1 der Keimbildung, t

2 des Kristallwachstums und

t3 des gerade erstarrten Primrgefges.

Zeitpunktt1 t2

t3

Krner oderKristalliteWrmefluss

Keime

Bild 2-21Temperaturgeflle in einer gefllten Form: Das Volumenele-ment der Schmelze DV kann nach Kurve 2 langsam oder nach Kurve 1 schneller erstarren.

2 1

Tem

per

atur

T

2

1

Zeit t

Schmelze

Volumenelement V

20 2 Urformen

ke genannt, weil sie sich hnlich einer Maske der Kon tur des Gussstcks anschmiegt.

Der Wrmefl uss whrend der Erstarrung in einer Maske ist in Bild 2-20 zum Zeitpunkt t

1 durch Pfei-

le in radialer Richtung angedeutet. Durch die fast glei che Dicke der Form fl iet die Wrme nach al-len Seiten gleichmig ab. Es tritt kein Wrmestau auf. Die Krner oder Kristallite zu der Zeit t

2 wach-

sen gleichmig zu einem Gussgefge bei t3 zusam-

men. Die Erstarrungsdauer wird auer vom Guss-werkstoff und von der Gietemperatur auch durch das Tempe raturgeflle zwischen Kern- und Randzo-ne der Form bestimmt.

Dazu ist in Bild 2-21 der Einfl uss der Wrmeablei -tung durch den Formstoff skizziert. Das Volumen-element V der Schmelze kann nach Kurve 2 bei fl achem oder nach Kurve 1 bei steilem Temperatur-geflle erstarren.

Die Kristallformen der Gusswerkstoffe werden nicht durch die kristallinen Hauptachsensysteme vorbe-stimmt, die als trikline, monokline, rhombische, hexagonale, tetragonale und kubische Elementarzellen oder Gitter aus der Werkstoffkun-de bekannt sind, sondern sie hngen hauptschlich vom Werkstofftyp und dem Temperaturgeflle bei der Primrkristalli sation ab.

Die Kristallbasis der Hauptatomsorte der Gussge-fge wird Matrix genannt. Fr die technischen Guss-werk stoffe sind praktisch nur zwei Kristallsysteme von Bedeutung, das kubische und das he xagonale Kri stallsystem:

krz (kubisch-raumzentriert), kfz (kubisch-fl chenzentriert) und hdP (hexagonal dichteste Packung).

In der Bildfolge 2-22 sind die Elemen tarzellen dar-gestellt und einigen hufi g verwendeten Gusswerk-stof fen zugeordnet.

Diese wenigen Beispiele zeigen, dass die wichtigs-ten Eisengusswerkstoffe und Kupfer-Zink-Legie-rungen im Wesentlichen aus der gleichen Kristallba-sis ent wickelt werden knnen. Auerdem ist zu be-

Bild 2-23Globulares Gefge, schematisch, mit Keim, Kristalliten und Korngrenzen.

Bild 2-24Globulitische Eisenkristalle mit eingelagerten Grafi t -Sphro-lithen, schematisch.

Bild 2-22Gusswerkstoffe mit a) kubisch-raumzentrierter Matrixb) kubisch-fl chenzentrierter Matrix und c) mit hexagonal dichtester Packung.

2.2 Metallkundliche Grundlagen des Gieens 21

achten, dass man aus Werkstoffen mit gleicher Ma-trix unter schiedliche Gussgefge (Primrgefge) entwickeln kann. Die fr die Qualitt des Gussteils entscheidende Art der Erstarrung (Abschn. 2.2.5) wird nicht so sehr vom Kristallaufbau, son dern von der Form- und Gietechnik bestimmt.

2.2.4.1 Globulare KristallformenTreibende Kraft des Kristallwachstums ist die Ab-khlgeschwindigkeit der Schmelze in der Form. Sie fhrt in Abhngigkeit vom Legierungsaufbau, der Konstitution, zu einer unterschiedlichen Unterkh-lung und damit zu verschiedenen Kristallformen. Bei Gefgeuntersuchungen an Gusswerkstoffen knnen drei Kristallformen sicher unterschieden werden. Globulare Kristallformen entstehen durch annhernd gleiche Erstarrungsgeschwindigkeiten in den drei Achsrichtungen x, y und z des Kristallsys-tems. Sie werden auch als Globulite oder Sphro-lithe bezeichnet. Im Schema gem Bild 2-23 be-steht das Gussgefge nur aus einer Kristallart. Im mittleren Korn ist der Keim angedeutet, der jedoch nicht beobachtet werden kann. Die globularen Kris-tallformen fhren in Gussgefgen zu besonders gu-ten Festigkeits- und Zhigkeitseigenschaften.

Bild 2-24 zeigt zwei globulare Kristallformen, die sich nebeneinander gebildet haben. In einer globuliti-schen Matrix sind rundliche Sphrolithe eingelagert.

Globulare Kristallformen verhalten sich beim Gie-en sehr vorteilhaft, da sie die Restschmelze beim Kris tallwachstum vor sich her schieben und nicht ein schlieen. Gussstcke mit globulitischem Gef-ge entstehen meist durch groe Abkhlgeschwin dig-kei ten der Schmelze.

2.2.4.2 Sulenfrmige KristalleSulenfrmige oder auch prismatische Kristallfor-men entstehen, wenn die Kristalle z. B. in einer Rich-tung bevorzugt wachsen, in den beiden anderen Rich tungen dagegen weniger schnell, aber beide an-n hernd gleichmig.

Bild 2-25Randzone mit Sulenkristallen und globulitisch erstarrter Restschmelze in der Mitte.

A

B

Formstoff

Schnitt A - B

Bild 2-27Gietechnisch nachteilige Flanschkonstruktion mit a) exogener (Schnitt A B, siehe Bild 2-30) sowie mit b) endogener Erstarrung bei vergrertem Radius.

a) exogen b) endogen

Dichtflche

Lunker

R12

R4

Lunkervolumenwird mit demRadius grer

A

B

Bild 2-25 zeigt den Schnitt eines gegossenen Stabes in einer Maskenform. Man erkennt die vom Form-stoff ausgehende nadel- oder stngelartige Kristall-form, die streng entgegen dem Wrmefl uss gerich-tet ist. Dabei werden meist Verunreinigungen in der Restschmelze angereichert, so dass diese mit hoher Keimzahl globular erstarrt.

Nadelstrukturen werden an Gussstcken bei mittle-ren Abkhlgeschwindigkeiten beobachtet und haben bei einer Beanspruchung quer zu den Nadeln gerin-ge Festigkeits- und Verformungseigenschaften.

Bild 2-26Primrgefge von Temperrohguss GTS, bestehend aus Den-dri ten (dunkel) und globularen zum Teil fein verstelten Kris-tallen entstanden aus der Restschmelze (hell).

22 2 Urformen

2.2.4.3 Dendritische Kristallformen Dendritisches Erstarrungsgefge hnelt der Form ei-ner Tanne. Die Kristallformen nennt man daher auch Tannenbaumkristalle. Sie entstehen als Folge einer groen Erstarrungsgeschwindigkeit in einer bevorzug-ten Rich tung. Bild 2-26 zeigt ein Rohgussgefge mit dendri tischen Eisencarbiden, wie es fr dnnwandi- ge Gussstcke mit groem Erstarrungsintervall und ho her Un terkhlung der Schmelze charakteristisch ist. Auch bei der dendritischen Erstarrung knnen sich die Dendriten nach dem Wrmefl uss ausrich-ten. Da die Schmelze in den feinen Seitensten und Gngen abgeschnrt wird, erstarrt sie nicht dicht ge-nug, wodurch hufi g Mikrolunker entstehen. Dendri-tische Strukturen weisen meist schlech te Festigkeits- und Zhigkeitseigenschaften auf.

2.2.5 Erstarrungstypen

Untersuchungen an Gussstcken zeigen, dass die be-schriebenen Kristallformen teilweise gleichzeitig auf -treten und auch unterschiedlich im Werkstck quer-schnitt verteilt sein knnen. In Bild 2-27 soll der Einfl uss der Kristallform an einem bei Gussstcken hufi g vorkommenden Detail gezeigt werden. Dazu sind Stngelkristalle, links, und Globulite, rechts, in gegossene Flanschstcke eingezeichnet. Flansche knnen konstruktiv an der spteren Dicht fl che nicht mit Radien versehen werden. Ein zu groer Radius R (rechts) ergibt eine unerwnschte Werk stoff an-hufung. Die Stngelkristalle (links) wach sen entge-gen dem Wrmefl uss in Richtung der geome trischen Mitte des Gussstcks. Diese Art der Erstarrung wird als exogener Typ bezeichnet und tritt besonders bei sulenfrmigen und dendritischen Kristallen auf.

Der endogene, also ungerichtete Erstarrungstyp tritt bei globularen Kristallen auf. Obwohl der Wr-mefl uss, bedingt durch gleiche Geometrie und Form-stoffe, fast identisch ist, erfolgt die Erstarrung meist breiartig.

Die Erstarrungsfronten, die sich beim Hineinwach-sen der Kristalle in die Schmelze ausbilden, sind in Bild 2-28 dargestellt. Das Nachfl ieen der Schmel-ze wird durch glattwandige oder ebene Erstarrungs-fronten im Gussstck erleichtert.

Bei exogener Erstarrung am Flansch (Bild 2-27, links) ist durch die raue, nicht ebene Erstar rungs-front das Nachfl ieen der Restschmelze in der Wand-mitte be hindert. Dies fhrt an Materialanhufungen, die langsamer erkalten als die anschlieenden Wn-de, zur Lunkerbildung.

Die Lunkerbildung tritt auch bei endogener Erstar-rung auf, wenn durch groe Radien der Werkstoff-querschnitt so vergrert wird, dass die Schmelze dort zuletzt erstarrt. Zu beachten ist die besonders nach teilige Lage der Lunkerstellen. Durch Beanspru-c hung des Flansches im geschwchten Werkstoff kn-nen leicht zustzlich Kaltrisse entstehen.

In Gussstcken mit dickeren Wnden werden noch kompliziertere Erstarrungsformen beobachtet. Man nennt sie Mischtypen.

Ein exogen-endogener Mischtyp, wie er hufi g bei Kokillenguss entsteht, ist in Bild 2-29 skizziert. Die unmittelbar an der Kokillenwand stark unterkhlte Zone erstarrt feinkrnig endogen. Die bergangs-zone ist sulenfrmig ausgebildet und schiebt durch die unebene Erstarrungsfront Fremdkeime in die Mitte. Der Keimreichtum in der zuletzt erstarrenden wenig unterkhlten Mittelzone bewirkt dort die brei-artige, endogene Kristallisation. Mischtypen wer den auch bei Gusswerkstoffen beobachtet, die in wasser-haltigen Formstoffen erstarren ( Nassguss).

Eine Messmglichkeit, mit der die Festigkeits ei gen-schaften indirekt ber die Hrte ermittelt werden knnen, ist in Bild 2-30 angegeben. Die ungnsti-

Bild 2-28Ebene oder unebene Erstarrungsfronten beeinfl ussen das Nach fl ieen der Restschmelze.

dendritischund

prismatisch

Beschaffenheit der Erstarrungsfront

globularoder sphrolithisch Schmelze

eben uneben

Bild 2-29Exogen-endogene Kristallisation bei Kokillenguss.

bergang exogenRand endogenKokille aus Stahloder GusseisenKern endogen

2.2 Metallkundliche Grundlagen des Gieens 23

ge Art des Zusammenwachsens gerichteter Kristal-le in der thermischen Mitte in Bild 2-30, in diesem Fall gleichzeitig auch Werkstckmitte, ist durch Hr temessungen ber dem Werkstoffquerschnitt (Schnitt A B in Bild 2-27) einfach nachweisbar. Die Hrte und damit auch andere Festigkeitseigen-schaften fal len zur Mitte hin ab und zeigen dadurch die dort herr schende geringere Werkstoffdichte an. Ursache sind die beim Zusammenwachsen rauher Erstarrungs fronten auftretenden kleinen Hohlru-me, die Mikro lunker genannt werden. Sie erschwe-ren die Herstel lung druckdichter Gussstcke (Ab-schn. 2.3.2.1). Des halb versucht man, die Erstarrung von Schmel zen so zu beeinfl ussen, dass feinkrnige, ungerichtete Gussgefge entstehen. Diese weisen bes sere Fes tig keits- und Zhigkeitswerte auf.

2.2.6 Isotropes, anisotropes und quasi-isotropes Verhalten von Gusswerkstoffen

Gussstcke sollen den vom Konstrukteur oder An-wender vorgegebenen Anforderungen gengen. Da- bei sollen die Werkstoffeigenschaften im Gussstck in der Regel unabhngig von der Beanspruchungs-richtung und der Geometrie des Gussstcks sein. Solche Werkstoffe besitzen isotrope, d. h. unabhn-gig von der Richtung gleiche Stoffeigenschaften.

Die bisherigen Erluterungen (Abschn. 2.2.3 und 2.2.4) zeigten, dass Gussstcke von Natur aus aniso-trop sind, also richtungsabhngige Stoffeigen schaf-ten haben. Markante Beispiele sind die Zonen, in denen Kristalle zusammenwachsen. Auch die Guss-oberfl che ist als Randzone des Werkstcks mit ab-wei chenden Eigenschaften ein solcher Bereich.

Mittels einer Reihe von Nachbehandlungsverfah-ren, z. B. durch Wrmebehandlungen: Normalglhen, Vergten, Oberfl chenverfestigen: Rollen,

gelingt es mehr oder weniger, aus richtungsab hn-gigen, anisotropen Werkstcken fast richtungsunab-hn gige, quasiisotrope Werkstoffeigenschaften in Gussstcken zu erzeugen.

Eine einfach zu merkende, aber nicht leicht zu reali-sierende Konstruktionsregel hierzu lautet:

Gussteile beanspruchungsgerecht entwerfen.

Dies bedeutet, dass die anisotropen Werkstoffei gen-schaften von Gussstcken bereits bei den Ent wurfs-berlegungen bercksichtigt werden mssen. Bild 2-31 zeigt, wie die Flanschkonstruktion gem Bild 2-27 beanspruchungsgerecht ausgefhrt wird. Flan-sche werden auf Biegung beansprucht. Im ber-gangs be reich Rohr-Flansch muss deshalb die Festig-keit des ungeschwchten Werkstoffs zur Verf gung ste hen. Um Lunker zu vermeiden, sollte in die sen Be reichen daher kein Material angehuft sein.

Als giegerecht gelten bergnge von 1 zu 5 mit entsprechenden von der Werkstckdicke s abhngi-gen Radien R:

1

3

1

4 > > s R s.

Das Schliffbild, schematisch in Bild 2-31 rechts wie-der gegeben, zeigt, dass der Anteil der unerwnsch-ten Stngelkristalle besonders gering ist.

Eine Reihe von Gusswerkstoffen weist ein von der Wanddicke abhngiges Festigkeitsverhalten auf, wie Bild 2-32 zeigt. Enthlt ein Gussstck Wnde mit stark abweichender Dicke, dann kann dies zu Schwie-rigkeiten fhren. Deshalb sei noch einmal an die Ge- staltungsrichtlinie erinnert:

180 190Hrte HB

Thermische Mitte

Schnitt A - B nach Bild 2 - 27

Bild 2-30Nachweis von Mikrolunkern durch Hrtemessungen.

Bild 2-31Giegerechter Flansch: Durch die Formgebung wird der Anteil prismatischer Kristalle zurckgedrngt.

Schnitt Gefge

R

R

5

1

24 2 Urformen

Gussstcke nach Mglichkeit mit annhernd gleichen Wanddicken ausfhren.

Der Sinn dieser Konstruktionsregel wird an Hand von Bild 2-32 verstndlich: Das aniso trope Festig-keits verhalten tritt dann nicht in Erscheinung.

Bei beanspruchungsgerechten Entwrfen fr Guss-stcke aus Gusseisen wird man auch die drei- bis vierfach hhere Druckfestigkeit gegenber der Zug-festigkeit ausnutzen.

Typische Anwendungen fr druckbeanspruchtes Ko-killengusseisen GGK sind z. B. Bremshydraulikguss-teile fr Fahrzeuge. Je nach Sorte wird eine Druck-festigkeit zwischen 700 N/mm2 und 1000 N/mm2 erreicht.

2.3 Gusswerkstoffe

Das giegerechte Gestalten von Gussstcken ist oh-ne Beachtung der Gieeigenschaften der Gusswerk-stoffe (Abschn. 2.4) kaum mglich. Wegen der Viel-zahl metallischer Gusswerkstoffe ist es bei einer Ein-fhrung in gietechnische Fertigungsverfahren zu-nchst erforderlich, die Legierungen in der Rei hen-folge ihrer mengenmigen Bedeutung im Maschi-nen- und Fahrzeugbau zu nennen. Tabelle 2-5 zeigt einige wichtige metallische Gusswerkstoffe. Man unterscheidet Eisengusswerkstoffe und Nichteisen- Gusswerkstoffe. Von den Eisengusswerkstoffen sind besonders die hochkohlenstoffhaltigen Legierungen ausgezeichnet giebar. Darunter versteht man Schmel-zen, die zwischen 2,4 % und 4,3 % Kohlenstoff als Legierungselement enthalten. Der Stahlguss zhlt nicht zu diesen Legierungen.

Bei den Nichteisengusswerkstoffen haben eutekti-sche Legierungen des Aluminiums wegen der guten Gie barkeit berragende Bedeutung. Magnesium le-gie rungen mit geringen Gehalten an Aluminium und Zink, Mangan oder Silicium stehen besonders im Fahrzeugbau vor einer Renaissance. Kupfer-Zink-Le gierungen mit oder ohne Blei sind bei den Schwer-metallen sehr gut giebar. Auch die Fein zinklegie-rungen verhalten sich gietechnisch einwandfrei.

2.3.1 Eisengusswerkstoffe

ber die Gusserzeugung in wesentlichen Lndern der Welt wird vom Deutschen Gieereiverband im Mrz eines jeden Jahres berichtet. Die Statisti