Ingenieurswerkstoffe
Fragenkatalog
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Wie setzt sich die Werkstoffnummer für Stähle zusammen? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wie kann nach Norm die Benennung eines Stahles erfolgen? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Ist ein „Edelstahl“ immer nichtrostend? Erläutern Sie.
Nein; abhängig vom Chromgehalt und der Umwelt (Seewasser, Chemieanlage)
Definieren Sie die Begriffe Qualitätsstahl, Grundstahl und Edelstahl.
(Frage abgeändert)
siehe Bild!
Benennen Sie die Gütegruppen für Stahl nach DIN EN 10020.
siehe Bild!
Warum ist das Auftreten der Elemente P, Cu und Sn in Stählen unerwünscht?
Erläutern Sie.
siehe Bild!
Was ist Paketschrott?
siehe Bild!
Benennen Sie die Gehalte der unerwünschten Elemente P, S, Cu und Sn in
Roheisen, in Schrott aus der Müllverbrennung und in Paketschrott.
siehe Bild!
Erläutern Sie den Unterschied zwischen Begleit- und Legierungselementen
und geben je vier Beispiele für den Bereich der Stähle an.
Beispiele für Begleitelemente:
Nichtmetalle: H, O, P, S, N ...
Halbmetalle: B, Si, As, Sb, Bi ...
Metalle: Cu, Sn, Zn, Pb, Al, Ni, Cr ...
Nach welchen Verfahren werden heute Stähle hergestellt und abgegossen?
Beschreiben Sie kurz und geben Anteile an der Gesamterzeugung an.
siehe Bild!
Was ist die Sigma-Phase?
Die Sigma-Phase ist eine intermetallische Verbindung (also die Verbindung zwischen zwei metallischen Partnern) in Stählen. Sie kann z.B. aus Cr und Fe oder aus V und Fe bestehen.
Läpple Seite 291
Welches Dreistoffsystem im Bereich der Eisenwerkstoffe hat eine hohe
praktische Bedeutung? Benennen Sie die Elemente und beschreiben die
Bedeutung
Dreistoffsystem: Eisen – Chrom – Kohlenstoff
- Basis für alle nichtrostenden Stähle
- Chromgehalt >= 12-13 m%
- Ermöglicht die Passivbeschichtung (Oxidbildung an der Oberfläche) so das dass darunterliegende Metall vor Korrosionsangriffen geschützt ist.
Skizzieren Sie schematisch die im metastabilen System Fe-Fe3C auftretenden
Gefüge bei Raumtemperatur für Kohlenstoffgehalte zwischen 0,001 Mass-%
und 1,2 Mass-% C. Beschriften Sie die einzelnen Gefügebestandteile.
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Erläutern Sie die Wirkung eines austenitstabilisierenden Elementes anhand
eines schematischen Phasendiagramms für ein binäres System Ihrer Wahl.
siehe Bild!
Erläutern Sie die Wirkung eines ferritstabilisierenden Elementes anhand eines
schematischen Phasendiagramms für ein binäres System Ihrer Wahl.
siehe Bild!
In welchen Modifikationen liegt Kohlenstoff im Gusseisen vor?
In der Regel liegt Kohlenstoff im Gusseisen als Graphit vor. Dieser kann kugelförmig (späroidal), laminar oder wurmförmig (vermicularer !?) Ausprägung im Werkstoffgefüge eingelagert sein.
Ausnahme = weißes Gusseisen -> Kohlenstoff in Form von Karbiden (Zementit oder Sonderkarbiden) gebunden im Werkstoffgefüge enthalten.
Geben Sie vier konkrete Beispiele für Elemente an, die zu 100% im Eisen
löslich sind.
100% Löslichkeit im Gamma-Eisen (Austenit)
- Mangan
- Kobalt
- Nickel
100% Löslichkeit im Alpha-Eisen (Ferrit)
- Chrom
- Vanadium
Benennen Sie jeweils vier austenitstabilisierende und ferritstabilisierende
Elemente.
Austenitstabiliesierende Elemente
- Nickel
- Mangan
- Stickstoff
- Kohlenstoff
- Kobalt
Ferritstabilisierende Elemente
- Chrom
- Molybdän
- Vanadium
- Silizium
Erläutern Sie zwei wesentliche Unterschiede zwischen den Stählen und den
Gusseisen.
siehe Bild!
Skizzieren Sie den schematischen Abkühlverlauf für das reine Eisen von 1600°C bis RT.
siehe Bild!
Ordnen Sie folgende Werkstoffe nach aufsteigender Härte ein: Titancarbid, Kubisches Bornitrid, HS6-5-2, Wolframcarbid, Diamant, WC-25Co, Aluminium-Oxidkeramik.
??
Wodurch unterscheiden sich HIPen von Werkzeugstählen und Sintern von Hartmetallen?
??
Welche Oxidkeramik wird als Schneidstoff eingesetzt? Nennen Sie Beispiele für die Anwendung.
Oxidkeramik (Al2O3) "Aluminiumoxid"
Gleichbleibende Schneidbedingungen und ohne Kühlung
Skizzieren und erläutern Sie den Aufbau von Schleifscheiben bzw. Schleifpapier.
siehe Bild!
Welche Stoffe werden als nichtoxidische Schneidkeramik bezeichnet und wo finden sie Anwendung?
Siliciumnitrid-> Si3N4
Unbeschichtet oder beschichtet, geeignet für Bearbeitung von lamellarem Gusseisen GJL und Gusseisen mit Kugelgraphit GJS bei hohen Schnittdaten
Was ist CBN?
Synthetisches kubisches Bornitrid-> CBN
Zweithärtestes Materials nach dem Diamant, aber bessere Bruchzähigkeit
Ausgezeichnete Warmfestigkeit, zulässige Temperaturen bis 1400°C
CBN wird auf einen Hartmetallträger aufgelötet, um eine Schneidplatte zu bilden
weitläufig für die Schlichtbearbeitung beim Drehen gehärteter Stähle mit einer Härte von mehr als 45 HRC verwendet und für das Hochgeschwindigkeits-Schruppen von Grauguss
Nennen Sie typische Anwendungsfelder für Hartmetalle mit Feinstkorn, mittlerem Korn und Grobkorn.
Feinstkornsorte:
Durchschnittlich Korngröße < 1 μm
Zerspanende Werkzeuge
Fein- bis mittelkörnige Sorte:
Durchschnittliche Korngröße 2 μm
Kaltumformwerkzeuge
Grobkörnige Sorte:
Durchschnittlich Korngröße 3 bis 5 μm
Gesteinsbearbeitung, Bergbau, Bauindustrie
Sonderhartmetall „Ferro-Titanit“:
Durchschnittlich Korngröße 15 μm
Kunststoffrecycling, Kunststoffverarbeitung
Wodurch kommt die hohe Dichte von Hartmetall gegenüber dem Stahl zustande? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wodurch kommt die hohe Dichte von Hartmetall gegenüber dem Stahl zustande? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wodurch können Verschleißfestigkeit und Zähigkeit eines Hartmetalls gezielt eingestellt werden?
Carbidkorngröße und Co-Gehalt beeinflussen die Verschleißfestigkeit des Hartmetalls
(Carbidart)
Carbidkorngröße und Co-Gehalt beeinflussen die Zähigkeit des Hartmetalls
(Bindemetall)
Was versteht man unter dem „Flüssigphasen-Sintern“? Erläutern Sie allgemein und anhand eines konkreten Werkstoffbeispiels.
Sintern unter Anwesenheit einer flüssigen Phase
??
Was ist ein Hartmetall?
Hartmetalle sind Schneidstoffe, die durch Flüssigphasensintern hergestellt werden und am häufigsten aus einer Cobalt-Matrix mit eingelagerten Wolframcarbiden bestehen.
Geben Sie eine begründete Auswahl von Gusswerkstoffen für folgende Anwendungen an:
Mechanisch hoch beanspruchte Gehäuseteile für Gasturbinen
Extruderschnecken zur Betonförderung
Zähe Gehäuse für die Kältetechnik
Preiswerte und lang haltbare Kanaldeckel
PKW-Kurbelwellen
Werkzeugmaschinen-Aufnehmerblock mit guten Dämpfungseigenschaften
Pumpenteile einer Meerwasserentsalzungsanlage
???
Wie unterscheiden sich Gusseisen und Stahlguss? Diskutieren Sie drei wesentliche Unterschiede.
Kohlenstoffgehalt :
Stahlguss unter 2,06
Gusseisen über 2,06
Gießtemperatur:
Stahlg. 1600
Gusse. 1200
Schmiedbarkeit/Verformbarkeit:
Stahlguss ist
Gusseisen nicht
Wodurch erhalten verschleißbeständige Gusseisen ihre gute Verschleißbeständigkeit? Erläutern Sie.
Chrom > 0.3 % -> Carbidbildung, Erhöhung Härte und Verschleißbeständigkeit
Erläutern Sie die Vorgänge beim Glühen von Hartguss in oxidierender Atmosphäre, wodurch eine ferritische Matrix im Gusseisen eingestellt wird.
??
Was ist Temperguss und was versteht man unter „Temperkohle“?
Temperguss (lat. temperare = mäßigen) ist ein Eisen-Kohlenstoff-Werkstoff, der anders als andere Gusseisensorten aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung und des Erstarrungsvorgangs nach dem metastabilen System des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammsgrafitfrei erstarrt und als vorerst harter, spröder Temperrohguss in der Gussform entsteht. Eine anschließende Wärmebehandlung, das Tempern, bewirkt eine Gefügeumwandlung. Der Zementit im Gussgefüge wird erst nach besonders langer Glühzeit zum Zerfall gebracht. Der dabei entstehende Grafit wird als Temperkohle bezeichnet und zeichnet sich durch seine charakteristische Knöllchenform aus. Durch diese Gestalt unterbrechen die Temperkohleflocken den Zusammenhang der metallischen Grundmasse nicht so ungünstig und mit potentieller Kerbwirkung wie die Grafitlamellen im Gusseisen mit Lamellengrafit. Das ist der Hauptgrund, warum Temperguss bessere mechanische Eigenschaften als normales Gusseisen mit Lamellengrafit aufweist und daher als zäh und gut bearbeitbar bezeichnet werden kann. Anhand des Bruchaussehens wird der Temperguss in schwarzen und weißen Temperguss unterteilt.
Welche Art von Gusseisen ist einzusetzen, wenn hohe Ansprüche an die Korrosionseigenschaften des Gussteils bestehen? Erläutern Sie Ihre Antwort.
Austenitisches Gusseisen; insbesondere lamellengraphit mit unverletzter Gusshaut (schicht die weitestgehen von der Atmosphäre trennt)
Vergleichen Sie die Zähigkeit von Gusseisen mit Kugelgraphit und von Gusseisen mit Lamellengraphit? Wie lässt sich der Unterschied erklären?
Die lamellen wirken als innere Kerbe und verschlechtern somit deutlich die Zugfähigkeit.
Ein Gusseisen enthält 3,5 % Kohlenstoff, 2 % Silizium, 1 % Mangan und 0,35 % Phosphor. Ermitteln Sie mathematisch nachvollziehbar, ob es sich um ein übereutektisches Gusseisen handelt.
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Cartes-fiches
Ordnen Sie folgende Werkstoffe nach aufsteigender Härte ein: Titancarbid, Kubisches Bornitrid, HS6-5-2, Wolframcarbid, Diamant, WC-25Co, Aluminium-Oxidkeramik.
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Wodurch unterscheiden sich HIPen von Werkzeugstählen und Sintern von Hartmetallen?
??
Welche Oxidkeramik wird als Schneidstoff eingesetzt? Nennen Sie Beispiele für die Anwendung.
Oxidkeramik (Al2O3) "Aluminiumoxid"
Gleichbleibende Schneidbedingungen und ohne Kühlung
Skizzieren und erläutern Sie den Aufbau von Schleifscheiben bzw. Schleifpapier.
siehe Bild!
Welche Stoffe werden als nichtoxidische Schneidkeramik bezeichnet und wo finden sie Anwendung?
Siliciumnitrid-> Si3N4
Unbeschichtet oder beschichtet, geeignet für Bearbeitung von lamellarem Gusseisen GJL und Gusseisen mit Kugelgraphit GJS bei hohen Schnittdaten
Was ist CBN?
Synthetisches kubisches Bornitrid-> CBN
Zweithärtestes Materials nach dem Diamant, aber bessere Bruchzähigkeit
Ausgezeichnete Warmfestigkeit, zulässige Temperaturen bis 1400°C
CBN wird auf einen Hartmetallträger aufgelötet, um eine Schneidplatte zu bilden
weitläufig für die Schlichtbearbeitung beim Drehen gehärteter Stähle mit einer Härte von mehr als 45 HRC verwendet und für das Hochgeschwindigkeits-Schruppen von Grauguss
Nennen Sie typische Anwendungsfelder für Hartmetalle mit Feinstkorn, mittlerem Korn und Grobkorn.
Feinstkornsorte:
Durchschnittlich Korngröße < 1 μm
Zerspanende Werkzeuge
Fein- bis mittelkörnige Sorte:
Durchschnittliche Korngröße 2 μm
Kaltumformwerkzeuge
Grobkörnige Sorte:
Durchschnittlich Korngröße 3 bis 5 μm
Gesteinsbearbeitung, Bergbau, Bauindustrie
Sonderhartmetall „Ferro-Titanit“:
Durchschnittlich Korngröße 15 μm
Kunststoffrecycling, Kunststoffverarbeitung
Wodurch kommt die hohe Dichte von Hartmetall gegenüber dem Stahl zustande? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wodurch kommt die hohe Dichte von Hartmetall gegenüber dem Stahl zustande? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wodurch können Verschleißfestigkeit und Zähigkeit eines Hartmetalls gezielt eingestellt werden?
Carbidkorngröße und Co-Gehalt beeinflussen die Verschleißfestigkeit des Hartmetalls
(Carbidart)
Carbidkorngröße und Co-Gehalt beeinflussen die Zähigkeit des Hartmetalls
(Bindemetall)
Was versteht man unter dem „Flüssigphasen-Sintern“? Erläutern Sie allgemein und anhand eines konkreten Werkstoffbeispiels.
Sintern unter Anwesenheit einer flüssigen Phase
??
Was ist ein Hartmetall?
Hartmetalle sind Schneidstoffe, die durch Flüssigphasensintern hergestellt werden und am häufigsten aus einer Cobalt-Matrix mit eingelagerten Wolframcarbiden bestehen.
Geben Sie eine begründete Auswahl von Gusswerkstoffen für folgende Anwendungen an:
Mechanisch hoch beanspruchte Gehäuseteile für Gasturbinen
Extruderschnecken zur Betonförderung
Zähe Gehäuse für die Kältetechnik
Preiswerte und lang haltbare Kanaldeckel
PKW-Kurbelwellen
Werkzeugmaschinen-Aufnehmerblock mit guten Dämpfungseigenschaften
Pumpenteile einer Meerwasserentsalzungsanlage
???
Wie unterscheiden sich Gusseisen und Stahlguss? Diskutieren Sie drei wesentliche Unterschiede.
Kohlenstoffgehalt :
Stahlguss unter 2,06
Gusseisen über 2,06
Gießtemperatur:
Stahlg. 1600
Gusse. 1200
Schmiedbarkeit/Verformbarkeit:
Stahlguss ist
Gusseisen nicht
Wodurch erhalten verschleißbeständige Gusseisen ihre gute Verschleißbeständigkeit? Erläutern Sie.
Chrom > 0.3 % -> Carbidbildung, Erhöhung Härte und Verschleißbeständigkeit
Erläutern Sie die Vorgänge beim Glühen von Hartguss in oxidierender Atmosphäre, wodurch eine ferritische Matrix im Gusseisen eingestellt wird.
??
Was ist Temperguss und was versteht man unter „Temperkohle“?
Temperguss (lat. temperare = mäßigen) ist ein Eisen-Kohlenstoff-Werkstoff, der anders als andere Gusseisensorten aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung und des Erstarrungsvorgangs nach dem metastabilen System des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammsgrafitfrei erstarrt und als vorerst harter, spröder Temperrohguss in der Gussform entsteht. Eine anschließende Wärmebehandlung, das Tempern, bewirkt eine Gefügeumwandlung. Der Zementit im Gussgefüge wird erst nach besonders langer Glühzeit zum Zerfall gebracht. Der dabei entstehende Grafit wird als Temperkohle bezeichnet und zeichnet sich durch seine charakteristische Knöllchenform aus. Durch diese Gestalt unterbrechen die Temperkohleflocken den Zusammenhang der metallischen Grundmasse nicht so ungünstig und mit potentieller Kerbwirkung wie die Grafitlamellen im Gusseisen mit Lamellengrafit. Das ist der Hauptgrund, warum Temperguss bessere mechanische Eigenschaften als normales Gusseisen mit Lamellengrafit aufweist und daher als zäh und gut bearbeitbar bezeichnet werden kann. Anhand des Bruchaussehens wird der Temperguss in schwarzen und weißen Temperguss unterteilt.
Welche Art von Gusseisen ist einzusetzen, wenn hohe Ansprüche an die Korrosionseigenschaften des Gussteils bestehen? Erläutern Sie Ihre Antwort.
Austenitisches Gusseisen; insbesondere lamellengraphit mit unverletzter Gusshaut (schicht die weitestgehen von der Atmosphäre trennt)
Vergleichen Sie die Zähigkeit von Gusseisen mit Kugelgraphit und von Gusseisen mit Lamellengraphit? Wie lässt sich der Unterschied erklären?
Die lamellen wirken als innere Kerbe und verschlechtern somit deutlich die Zugfähigkeit.
Ein Gusseisen enthält 3,5 % Kohlenstoff, 2 % Silizium, 1 % Mangan und 0,35 % Phosphor. Ermitteln Sie mathematisch nachvollziehbar, ob es sich um ein übereutektisches Gusseisen handelt.
??
Was versteht man unter „Notlaufeigenschaften“?
gute Gleiteigenschaften, Graphitlamellen wirken als
inneres Schmiermittel ( Notlaufeigenschaften)
Vergleichen Sie die Wärmeleitfähigkeit von Stahl und Gusseisen anhand konkreter Werte.
Stahl unlegiert 48…58
Gusseisen 52
umso höher die Zugfestigkeit desto geringer wird die wärmeleitfaähigkeit
Durch welche Maßnahme wird kugelförmiger Graphit im Gusseisen eingestellt?
Einformung des Graphits zu Kugeln durch Mg
Welche Art der Abkühlung muss gewählt werden, um lamellares Gusseisen mit ferritischer Matrix, Hartguss bzw. lamellares Gusseisen mit perlitischer Matrix herzustellen?
???
Was versteht man unter dem „Schwindmaß“ von Gusseisen?
Unter Schwindmaß versteht man also das Ausmaß, in dem sich ein Maß eines Gußteils gegenüber dem Maß der Gießform verkürzt.
Welche Möglichkeit besteht, die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen zu prüfen, ohne das Bauteil selbst zu zerstören? Wie wird die Prüfung im Werkstoffnamen ersichtlich?
Zerstörungsfreie Prüfverfahren:
Oberflächenrauheit von Gussstücken DIN EN 1370 (2012)
Ultraschallprüfung von GJS DIN EN 12680 (2012)
Durchstrahlungsprüfung von dickwandigem GJS DIN EN 12681 (2003)
Was bedeutet die Werkstoffbezeichnung En-GJS-400-15?
Gusseisen mit Kugelgraphit; 400Mpa (N/mm²) Zugfestigkeit; 15% Bruchdehnung
Welche Arten der Graphitform können bei Gusseisen unterschieden werden? Welchen Einfluss haben diese auf die Dämpfungseigenschaften?
Lamellengraphit: gutes Dämpfungsverhalten; Anwendung: für untergeordnete mechanische Anforderungen, aber bei Verschleiß, für Laufruhe bzw. Dämpfung und bei Temperaturwechseln, einfache Bauteile
Kugelgraphit: schlechtes Dämpfungsverhalten
Vermiculargraphit; bessere Dämpfung als GJS aber schlecher als GJL; Anwendungen insbesondere im Dieselmotorenbau wegen besserer thermischer und mechanischer Beanspruchbarkeit gegenüber GJL, Beispiele: Fahrzeugbau Zylinderkopf, Zylinderdeckel, Lagerschild, Gabelstück Landmaschinenbau Kettenräder, Handhebel, Klemmstücke Metallurgie Stahlwerkskokillen Glasindustrie Glasformen
Was versteht man unter „weißem Gusseisen“?
C als Zementit ausgeschieden metallisch hell, weißes Gusseisen (Hartguss)
C als Graphit ausgeschieden graues Gusseisen
Hartguss (weißes Gusseisen): Helle Zementitbereiche werden von Perlit umschlossen, der eine lamellare Struktur aus Ferrit und Zementit aufweist
Anhand welcher Kriterien können Stähle und Gusseisen voneinander unterschieden werden? Erläutern Sie.
Kohlenstoffgehalt. Guss ab 2,06% und Stahl bis 2,06%
guss ist nicht verformbar
Können Werkzeuge aus pulvermetallurgischen Werkzeugstählen beschichtet werden? Erläutern Sie die Verfahren und deren Wirkung.
Ja können sie!
Sortieren Sie die aufgeführten Werkstoffe in eine Gruppe der nichtrostenden Stähle oder der Werkzeugstähle ein und begründen Sie:
X20Cr13, 45NiCrMo16, X2CrMoTi18-2, HS6-5-2C, X37CrMoV5-1, X100CrMoV5, X5CrNi18-10.
???
Nennen Sie vier Vorteile der pulvermetallurgisch hergestellten Stähle gegenüber den schmelzmetallurgisch hergestellten.
siehe Bild!
Erläutern Sie vergleichend das Gefüge von Werkstoffen, die schmelzmetallurgisch bzw. pulvermetallurgisch hergestellt wurden.
siehe Bild!
Welcher Vorgang sorgt beim Sintern für das Entstehen dichter Körper?
durch den hohen Prozessdruck (ca. 1000 bar) tritt zudem eine hohe Verdichtung bzw. messbare Schrumpfung der Kapsel auf
Warum ist es wichtig, sowohl bei der Pulvererzeugung als auch beim Kapseln und Pressen den Luftsauerstoff möglichst fern zu halten?
um Oxidationsvorgänge des Pulvers zu verhindern, welche eine Rissbildung an den Korngrenzen begünstigen würden
Erläutern Sie den pulvermetallurgischen Prozess zur Herstellung von Werkzeugstählen.
siehe Bild!
Welches Problem tritt bei der Härtung von Schnellarbeitsstählen auf und wie kann dieses beseitigt werden?
???
Warum sind Schnellarbeitsstähle in der Lage, bis zu 65 HRC an Härte zu erreichen? Erläutern Sie.
siehe Bild!
