Gestaltung von Gußstücken

163 Pages·1969·7.243 MB·German

by  Dr.-Ing. Horst Hentze (auth.)

Konstrantr nsbücher
Herausgeher Profesi'lor Dr.-Iug. K. Kollmann, Karlsruhe
Band 24
Gestaltung
von Gußstücken
Von
H. Hentze
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1969
Dr.-lng. HoRST HENTZE
Dozent an der Staatlichen Ingenieurschule
für Maschinenwesen in Kassel
ISBN 978-3-540-04585-4 ISBN 978-3-662-11868-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-11868-9
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© by Springer-Verlag Berlin Heldeiberg 1969
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nahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen· und Markenschutz· Gesetz
gelmng als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften
Titel·Nr. 6163
Vorwort
Der Einsatz von Gußteilen in Maschinen, Apparaten, Transportmitteln u. a.
ist vor allem deshalb bedeutungsvoll, weil das Gießen ein stoffsparendes, abfall
armes Fertigungsverfahren ist. In der modernen Fertigung hat es daher auch eine
ähnliche Bedeutung wie die Umformverfahren, die aber meist nicht so universell
einzusetzen sind. Gußteile können allerdings nur dann erfolgreich und wirt
schaftlich eingesetzt werden, wenn sie fertigungsgerecht, funktionsgerecht und
damit auch stoffgerecht konstruiert sind. Einen knappgefaßten Überblick zu
geben über die wichtigsten Konstruktionsregeln für Gußteile ist Sinn dieses
Buches. Besonderer Wert ist hierbei auf die fertigungsgerechte Gestaltung gelegt,
da diese gerade bei Gußteilen Voraussetzung für die Funktionserfüllung ist. Die
individuelle Anwendung der Konstruktionsregeln ist jedoch nur durch Zusammen
arbeit mit den angeführten Fertigungsstellen möglich. Im Kapitel "Funktions
gerechte Gestaltung" werden in erster Linie Festigkeitsfragen behandelt. Ins
besondere wird auf die vor allem bei Gußteilen leichte Anwendung der Gestalt
festigkeitslehre hingewiesen. Im Kapitel "Gußwerkstoffe" werden die wichtig
sten Eigenschaften der genormten Gußwerkstoffe angeführt. Eine ausführliche
Darstellung würde den Rahmen des Buches sprengen. Auch sollten aus Gründen
der Wirtschaftlichkeit genormte Werkstoffe bevorzugt werden.
In der Literaturübersicht werden vor allem solche Bücher aufgeführt, die ein
tieferes Eindringen in die angeschnittenen Themen ermöglichen. Sollten die in
vorliegender Schrift dargelegten Richtlinien zur Gestaltung von Gußteilen bei
geringerem Entwicklungsaufwand zu wirtschaftlichen, sich bewährenden Kon
struktionen führen, so ist das gemeinsame Ziel des Herausgebers, des Verlages
und des Verfassers erreicht. Den Firmen und den zahlreichen Fachleuten, die
zu diesem Buch wertvolle Unterlagen und Ratschläge beig2steuert haben, möchte
ich ganz besonders danken.
Kassel, im September 1968
H. Hentze
Inhaltsverzeichnis
l. Gußwerkstoffe ................ . 1
1.1 Eisen-Graphit-Werkstoffe (GG, GGG, GTS, GTW) .. 1
1.1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Gefügeaufbau und mechanische Eigenschaften . 3
1.1.3 Gußstückabmessungen und mechanische Eigenschaften 16
1.1.4 Wärmebehandlung ............ . 19
1.1.5 Zeitstand-, Korrosions- und Verschleißverhalten 26
1.2 Stahlguß . . . . . . . . 28
1.2.1 Festigkeitseigenschaften . . . . . . . . . . . 28
1.2.2 Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.3 Zeitstand-, Bestrahlungs-, Korrosions- und Verschleißverhalten 32
1.3 Leichtmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.1 Festigkeitseigenschaften . . . . . . . . . . . 38
1.3.2 Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . 45
1.3.3 Zeitstand-, Korrosions- und Verschleißverhalten 47
1.4 Schwermetalle . . . . . . 51
1.4.1 Festigkeitseigenschaften . . . . . . . . . . 51
1.4.2 Warmfeste Legierungen . . . . . . . . 53
2. Berücksichtigung der Gieß- und Formverfahren bei der Gußstück-
gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.1 Grundlagen . . . . . . . . . 56
2.1.1 Gußtaleranzen - Gußfehler 56
2.1.2 Einfachheit 63
2.1.3 Werkstoffeinfluß . . . . . 68
2.1.4 Gerichtete Erstarrung . . . 70
2.1.5 Berücksichtigung der Schrumpfspannungen 79
2.2 Schmelzeinrichtungen 83
2.3 Sandguß (einschl. Vollformguß) 86
2.4 Feinguß und Formmaskenguß . 103
2.5 Kokillen-, Niederdruck- und Druckguß 107
2.6 Schleuderguß und Strangguß . . . . 113
3. Berücksichtigung der vVeiterverarbeitung bei der Gußstückgestal-
tung . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.1 Spanen 116
3.2 Umformen 127
3.3 Wärmebehandlung 128
3.4 Oberflächenbehandlung 133
3.5 Fügen . . . . . . . 134
3.6 Prüfen . . . . . . . 137
4. Funktionsgerechte Gestaltung ......... . 140
4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . 140
4.2 Elastische und plastische Formänderung . . . . 141
4.3 Festigkeit gegenüber zügiger Beanspruchung . . . 144
4.4 Festigkeit gegenüber schwingender Beanspruchung 148
Literaturver zei chni s 153
Sachverzeichnis ... 156
1. Gußwerkstoffe
1.1 Eisen-Graphit-Werkstoffe (GG, GGG, GTS, GTW)
1.1.1 Einleitung
Unter Eisen-Graphit-Werkstoffen sind solche Gußwerkstoffe zu verstehen, die
im Endzustand ein Stahlgrundgefüge mit eingelagerten Graphiteinschlüssen
haben. Eigentlich müßten diese Werkstoffe Stahl-Graphit-Werkstoffe heißen,
aus verschiedenen Gründen hat sich aber die obige Bezeichnung eingebürgert.
Tabelle I a. Gußeisen mit Lamellengraphit. Grauguß, unZegiert und niedriglegiert
(Dichte 7,2-7,4 kpjcm3)
(Auszug aus DIN 1691, Ausgabe 1964)
i nacSho rDteI N 1691 ZugfeUsztßig keit' Probenab1m essung
Kurzzeichen Abuissz gau.ug 1fe 1lwa. es1ist9ee4nr9 e sx , Wnuemrkmsteorf1f Nkpoprro/mmbeam4l '- ~ Skp 0pr~/dmb~ ~m-' dedsu RPrrocohhbmgeuesßsts-üecrk s I[ ddeur rZNchuemgnpner-sosbere
Kurzzeichen1 mind. mind. mm mm
-G-~:G=-1~2==-=--=--=I-~:~~~~~~~--=-~~=--1=--=== ----o~~~---I------::""'~:---
a_a_-_1_o __I ---__-_
GG-I4 1_0.6014_ _ 1_ _14_ _1 _ _~ =-- __3 0_ __ 1_ _2 --c0:--
23 13 8
18 20 12,5
GG-15 0.6015 15
30 20
11 45 32
-----G~G~--=-1-=-8---I-~0.-67018 18 30 20
28 13 8
23 20 12,5
0.6020 20
GG-20 30 20
16 45 32
--G,--=22~-----o.-6-02_2_1_ _- -,o2=2----------3"'"o"----l-----=2occ--
-----------------------------33-__1_ 3_ _ ----8--
28 20 12,5
0.6025
GG-25 25 30 20
21 45 32
I--G""'G'-2""'6o----l-=o.-o;6c;;-o2""'6o-1--;c;2c;;-6--1----l-----o3=oc---- 20_ _ _
---------------1--------l-----l--.c;o-·--1-------;c;c-;c--- ---
I 33 !2g0 12,5
GG-30 I1 o.6o3o 3o ~g
26
G--G--3-5--~ 0.6035 --35----3-8---·--l---;;~=~--~~-----c;-1~~,-::5:- --
---
----~-0.-60_4_0_ -~!-=-~--~-~~~=---
GG-40---1- - --4-0--1-j--:-:-
1 Diese Sorten können bei Benutzung von bestehenden Unterlagen weiter verwendet
werden, wenn die Umstellung auf die neuen Sorten aus besonderen Gründen nicht vor
genommen werden kann.
2 Eine Norm über Werkstoffnummern ist in Vorbereitung. Die kursiv gesetzten Zahlen
sind vorgeschlagen.
3 Die ~'Iindestwerte der Zugfestigkeit der Gußeisensorten GG-15 bis GG-40 dürfen um
höchstens 10 kpjmm2 überschritten werden, wenn bei der Bestellung nichts anderes verein
bart wurde.
4 Im getrennt gegossenen Probestück.
2 1. Gußwerkstoffe
Zu dieser Werkstoffgruppe zählen z. B. Gußeisen mit Lamellen- und Kugel
graphit und Temperguß. Die Herstellungsverfahren sind für die Großzahl von
derartigen Werkstoffen recht unterschiedlich. Einige dieser Werkstoffe sind nach
DIN genormt1 (Tab. 1, 2, 3). Es muß aber darauf hingewiesen werden, daß die
angeführten Festigkeitseigenschaften nur für mitgegossene Probestäbe gelten.
Die Werkstoffeigenschaften im Werkstück können jedoch anders sein. Anhalts-
Tabelle 1 b. Gußeisen mit Lamellengraphit (Beiblatt zum Entwurf der neuen Norm DIN 1691)
Zugfestigkeit und Härte können nach Wanddicke oder Oberflächen-Volumen-Verhältnis
eines Gußstückes geschätzt werden.
Yerhälfnis 0/Y
Gußstück mil einer Wanddicke:
um um oderüber
!.fmm OOmm
werte für die chemische Zusammensetzung gibt Tab. 4. Hinzu kommen bei den
hochfesten Sorten noch rel. niedrige Zusätze von Ni, Cr, Mo u. a ..
Durch das verwirrend große Angebot in dieser Werkstoffgruppe hat es der
Maschinenbauer schwer, sich den nach Eigenschaften, Preis und Fertigungsmög
lichkeiten günstigsten Werkstoff auszusuchen. Außerdem sind wichtige Kenn
werte des Werkstückstoffes (Gußstückstoffes) - also nicht des Werkstoffes in
mitgegossenen Proben - schwer zu beschaffen. Geht man aber bei einer Be
schreibung derEisen-Graphit-Werkstoffe nicht von der Herstellung, sondern von
den Gebrauchseigenschaften, insbesondere aber von den wichtigsten Festigkeits
und Verformungskennwerten aus, so erkennt man ein übersichtliches Werkstoff
band mit stetig sich ändernden Eigenschaften [43, 44, 45].
1 Die Auszugsweise Wiedergabe der Normen erfolgt mit Genehmigung des Deutschen
Normenausschusses. Maßgebend ist die jeweils neueste Ausgabe des Normblattes im Norm
format A4, des bei der Beuth-Vertrieb GmbH, 1 Berlin 30 und 5 Köln, erhältlich ist.
1.1 Eisen-Graphit-Werkstoffe (GG, GGG, GTS, GTW) 3
1.1.2 Gefügeaufbau und mechanische Eigenschaften
Elastizitätsmodul. Die mechanischen Eigenschaften hängen zweifellos vom Ge
fügeaufbau und damit auch von der chemischen Zusammensetzung ab. Besonders
gut läßt sich der Zusammenhang zwischen Gefügeaufbau und dem Ursprungs
elastizitätsmodul als dem wichtigsten Kennwert für die elastische Verformung
16 r-----,----,----,-----, O% Graphit
kp/4 nm2 v zor---4---+---~-~'
GG
t IZ V V
/
10
.// _i "GG-Hode//
8
b V V
6 Y:.. V
4
V"'/ V
z
h I..P
0 w
0 ~ ~ ~ ~ @ ~ ~
t
Bild 1. Spannungs-Dehnungsverhaltcn von Grauguß
und einem GraugußmodelL Nach THU~I/UDE [46].
E0 für GG.L ~ 0,895 · 10' kp/mm';
E0 für GGL-:Ilodell ~ 0,795 · 10' kpjmm'.
k1p6 f mmz /X
GGG '/GGG-Hode/1
t1 2
V/
10
8 /// '"P' 00 o,zs 0,50 0,75 1,00
FA--
b 6
/_~ ~ '>.::
4 "'<>o'-> ~~ §!
z / / "<:C::::."C ~ ~1\
V/ Graphitausbildung
0
0 ~ w ~ @ w @ ~ ~ ""' *
~.:5~ t:;)~
I 1,, ~~ ~
60 80 700 JZO !W 760 ~~~ ~t§ t.5
e·!Os_ Werkstoff
Bild 2. Spannungs-Dehnungsverhalten von Gußeisen Bild 3. Elastizitätsmodul E, in Abhängigkeit
mit Kugelgraphit und einem GGG-llfodell. von Graphitausbildung und Graphitmenge (Gewichts
Nach THUM/UDE [46]. teile). Graphitausbildung nach Stahl-Eisen-Prüfblatt
E, für GGG ~ 1,64 · 10' kp/mm'; 1560-57 gekennzeichnet.
E, für GGG-M:odell ~ 1,67 · 10' kp/mm' . Für nicht, bzw. niedrig legierte E-G-W [46].
erklären. Unter dem Ursprungselastizitätsmodul versteht man das Steigungs
maß der Spannungs-Dehnungskurve im praktisch linearen Anfangsbereich. Für
die meisten metallischen Werkstoffe, damit auch für die Eisen-Graphit-Werk
stoffe, gilt zwar, daß der Ursprungselastizitätsmodul mit zunehmender Kaltver
formung des Ausgangsgefüges niedriger wird, man kann aber trotzdem bei den
meisten Gußteilen ab GG-20 in erster Näherung mit dem Ursprungselastizitä,ts
modul des Ausgangswerkstoffes rechnen. Die grundlegenden Arbeiten über die
Beziehung zwischen Gefügeaufbau und Elastizitätsmodul stammen von TRUM
und UDE [30]. UDE hat bereits 1929 durch Schlitzen, bzw. Bohren von Stahl
flachstäben Modellwerkstoffe für GG und GGG hergestellt (Bilder l, 2). Durch
4 1. Gußwerkstoffe
Tabelle 1 c. Austenitisches Gußeisen mit Lamellengraphit
Sorte Gewährleistete Werte Zug-
Chemische Zusammensetzung in Gew.-% I festigkeit'
Kurzzeichen Wnuemrkmsteorf1f . macx . Si I Mn I Ni Cr I Cu Im kinpd</e1mBs tmen' s
GGL-NiMn 13 7 0.6652 3,0 1,5-3,0 6,0-7,0 I 12-14 14
I
I
--- --
GGL-
NiCuCr 15 6 2 0.6655 3,0 1,0-2,8 1,0-1,5 13,5-17,5 1,0-2,5 5,5-7,5 15
GGL-
NiCuCr 15 6 3 0.6656 3,0 1,0-2,8 1,0-1,5 13,5-17,5 2,5-3,5 5,5-7,5 18
GGL-NiCr 20 2 0.6660 3,0 1,0-2,8 1,0-1,5 18-22 1,0-2,5 15
I
I
I
GGL-NiCr 20 3 0.6661 3,0 1,0-2,8 1,0-1,51 18-22 2,5-3,51 18
GGL-
NiSiCr 20 4 3 0.6667 2,5 3,5-5,5 1,0-1,5 18-22 11,5-4,5 18
------- - ---
GGL-NiCr 30 3 0.6676 2,6 1,0-2,0 I 0,4-0,8 28-32 2,5-3,5 17
I
-----
GGL- 0.6680 2,6 5,0-6,0 0,4-0,8 29-32 14,5-5,5 15
NiSiCr 30 55
I
GGL-Ni 35 0.6683 2,4 1.0-2,0 I 0,4-0,8 34-36 14
1
I I
1 Eine Norm über Werkstoffnummern der Hauptgruppe 0 ist in Vorbereitung. Die kursiv
gesetzten Zahlen sind vorgeschlagen.
2 an getrennt gegossenen Probestücken
3 Die angegebenen Eigenschaften hängen von der chemischen Zusammensetzung ab.
Gegegebenenfalls ist eine engere Begrenzung der Zusammensetzung erforderlich.
Auffederung der "Stahlbrücken" über den keine Zugspannung übertragenden
Graphiteinschlüssen wird der Elastizitätsmodul der Eisen-Graphit-Werkstoffe
kleiner als der eines Stahles entsprechender chemischer Zusammensetzung (ohne
Graphit). Diese Beziehung wird dargestellt für nicht oder niedrig legierte Sorten
in Bild 3 oder allgemeiner durch die Formel
E0 = f (E08t, Graphitform, -größe und -menge)
E0 = E0st (1- v) · FA6•5·v
1.1 Eisen-Graphit-Werkstoffe (GG, GGG, GTS, GTW) 5
(Auszug aus DIN 1694, Okt. 1966)
Eigenschaften' Hinweise für die Verwendung
Nicht magnetisierbar Nicht magnetisierbare Gußteile, z. B. Preß
deckel für Turbogeneratoren, Gehäuse für
Schaltanlagen, Isolatorenflansche, Klem
men, Durchführungen
- ----
------~------------
Gut korrosionsbeständig, vor allem gegen Pumpen, Ventile, Ofenbauteile, Lauf-
Alkalien, verdünnte Säuren, Seewasser büchsen, Kolbenringträger für Leicht-
und Salzlösungen, recht gut oxydations- metallkolben, nicht magnetisierbare Guß-
beständig, gute Gleiteigenschaften, hohe teile
I'
Wärmeausdehnung, nicht magnetisierbar,
sofern Chromgehalt niedrig I
Gegenüber GGL-NiCuCr 15 6 2 korrosions- -~--P-u_m_p_e-,n-,_V_e_n_t-il_e_,__O_ f _e_n_b_a_u_t_e_il_e,-Lauf-
und erosionsbeständiger büchsen, Kolbenringträger für Leicht-
! metallkalben
---·--- ---------
Ähnlich wie GGL-NiCuCr 15 6 2, jedoch I
korrosionsbeständiger gegenüber Alka- I Wie GGL-NiCuCr 15 6 2, jedoch._vorzugs
Iien, gut oxydationsbeständig, gute Gleit für Alkalienpumpen, Kessel für Atzalkali,
eigenschaften, hohe -Wärmeausdehnung, Seifen-, Nahrungsmittel-, Kunstseide- und
~!~~;i~agnetisierbar, sofern ~~romgeh~~-~ Kunststoffindustrie, Verwendung dort, wo
allgemein kupferfreie Werkstoffe erforder
Wie GGL-NiCr 20 2, jedoch erosions-, I lich sind
oxydations und wachstumsbeständiger
Gut korrosionsbeständig, auch gegen ver Pumpenteile, Ventile, Gußteile für Indu
dünnte Schwefelsäure, sehr gut oxyda strieöfen
tionsbeständig
-----------------------
Bis 800 °0 oxydations-und wärmeschock Pumpen, Kessel, Ventile, Filterteile, Ab
beständig, gut korrosionsbeständig bei er gasleitungen, Turboladergehäuse
höhten Temperaturen, besonders ero
sionsbeständig in Naßdampf und Salz
schlämmen, mittlere Wärmeausdehnung
Besonders korrosions-, erosions- und oxy Wie GGL-NiSiCr 20 4 3
dationsbeständig, mittlere 'Värmeaus
dehnung
Wärmeschockbeständig, geringe Wärme Maßbeständige Teile für Werkzeugmaschi
ausdehnung nen, wissenschaftliche Instrumente, Glas
preßfarmen
Tabelle 2a. Gußeisen mit Kugelgraphit1 (Dichte 7,2 kgfdm3)
(Auszug aus DIN 1693 , Ausgabe September 1961)
Sorte Zugfestigkeit Streckgrenze Bruchdehnung
Kurzzeichen I Werkstoff- kp{amn m' kp/masm ' 6%, Gefüge
nummer2 mind. mind. mind.
GGG-45 - 45 35 5 vorwiegend ferritisch
GGG-38 - 38 25 17 vorwiegend ferritisch
GGG-42 - 42 28 12 vorwiegend ferritisch
GGG-50 - I 50 I 35 7 ferritisch/perlitisch
GGG-60 - 60 42 2 ferri tisch/perlit isch
GGG-70 - I 70 i 50 2 vorwiegend perlitisch
1 Ausführliche Darstellung der Werkstoffeigenschaften befindet sich in den Mitteilungen
Blatt Nr. 1403 der Zentrale für Gußverwendung, 4 Düsseldorf, Grunerstr. 31.
2 Eine Norm über Werkstoffnummern für Eisen-Kohlenstoff-Gußwerkstoffe ist in V orberei
tung.