Grundlagen der Metallurgie und des Maschinenbaus

Stahlherstellung und -verarbeitung

Stahlerzeugung im Hochofen und Konverter

Die Gewinnung von Stahl beginnt mit der Trennung von Eisen (Fe) und Hochofenschlacke. Gusseisen wird, ähnlich wie in Kupolöfen, entschwefelt und von Verunreinigungen befreit.

Im Sauerstoffkonverter (z.B. LD-Verfahren) wird flüssiges Roheisen zusammen mit Schrott in einen zylindrisch-konischen Behälter gegeben. Dieser ist innen mit feuerfester Keramik ausgekleidet und besitzt eine offene Mündung mit mehreren Düsen im oberen Bereich. Ein Strahl reinen Sauerstoffs wird unter Druck auf die Schmelze geblasen, was Reaktionen auslöst, die Verunreinigungen reduzieren und die Schmelze bei hohen Temperaturen flüssig halten.

Elektroofen

Der Elektroofen ist ein Stahlgefäß mit Wasserkühlung und äußerer feuerfester Keramikauskleidung. Er wird mit einem Deckel verschlossen, der drei Graphitelektroden trägt. Hier werden Ferrolegierungen (FeC), Kalk und Schrott zugegeben. Durch das Einschmelzen des Eisens und die Erhöhung der Temperatur des Schmelzgutes können anschließend Elemente hinzugefügt werden, um präzise Legierungen herzustellen. Eine genaue Kontrolle von Temperatur und Stahlzusammensetzung ist dabei entscheidend.

Verfestigung von Stahl

Der Prozess der Stahlverfestigung beinhaltet das Gießen des flüssigen Stahls in Formen oder Kühlkanäle. Wenn die Form einen rechteckigen Barrenabschnitt hat, erreicht der Stahl den Warmwalzbereich, ohne dass ein erneutes Erhitzen erforderlich ist.

Wärmebehandlungen von Stahl

Wärmebehandlungen sind Prozesse, bei denen Stahl kontrollierten Temperaturänderungen unterzogen wird, um die Eigenschaften seiner Bestandteile zu variieren.

• Härten (Tremp): Ziel ist die Erzeugung einer martensitischen Gefügestruktur im Stahl. Dies geschieht durch Erhitzen des Stahls auf Austenitisierungstemperatur und anschließendes schnelles Abkühlen (Abschrecken), wodurch Martensit gebildet wird.
• Anlassen (Revingut): Nach dem Härten wird der Stahl auf eine Temperatur unterhalb von ca. 723°C erhitzt und anschließend an Luft abgekühlt. Dies verhindert die Bildung von Austenit, erhöht die Zähigkeit und verbessert die mechanischen Eigenschaften.
• Glühen (Recuita): Glühen dient dazu, die Härte zu verringern und die Elastizität zu erhöhen, um den Stahl besser bearbeiten zu können. Der Stahl wird auf eine hohe Temperatur erhitzt und langsam an Luft abgekühlt. Dieser Prozess führt zu einer Verformbarkeit und einem schnellen Glühen, jedoch nicht zu einer Härtung.

Arten des Glühens:

• Normalglühen (Regenerationsglühen): Für Stähle mit über 0,6% Kohlenstoff.
• Weichglühen (Kugelglühen): Für legierte Stähle und Werkzeugstähle, um Sprödigkeit zu reduzieren und eine Erweichung zu erzielen.
• Normalisieren: Erhitzen bis zur Austenitisierungstemperatur und Abkühlen an Luft (ähnlich dem Anlassen, aber nicht dem Glühen). Dient dazu, das Korngefüge zu verfeinern, die Korngröße zu verringern und innere Spannungen, die durch Verformung entstanden sind, abzubauen.

Grundlagen des Maschinenbaus

Eigenschaften von Stirnrädern

Gerade Stirnräder haben folgende charakteristische Größen:

• Teilkreisdurchmesser (dp): dp = m * z
• Zähnezahl (Z)
• Modul (m): m = dp / Z
• Teilung (p): p = m * π
• Zahnkopfhöhe (h_a)
• Zahnfußhöhe (h_f)
• Zahndicke
• Achsabstand (c): c = (dp1 + dp2) / 2
• Außendurchmesser (d_a): d_a = dp + 2m
• Fußkreisdurchmesser (d_f): d_f = dp - 2.5m
• Grundkreisdurchmesser (d_b)
• Eingriffslinie

Grundkreis: Der Kreis, von dem aus die Evolventenprofile der Zähne erzeugt werden.

Eingriffslinie: Die Gerade, die den Berührungspunkt der Normalen am Teilkreis oder zwischen den beiden Flanken zweier in Kontakt stehender Zähne darstellt.

Eingriffswinkel: Der Winkel zwischen der Eingriffslinie und der Tangente am Teilkreis.

Geschwindigkeitsverhältnisse und Mechanismen

Geschwindigkeitsverhältnis: Die Winkelgeschwindigkeiten zwischen Eingang und Ausgang stehen in Beziehung. ω₁ / ω₂ = d₂ / d₁

Geschwindigkeit der Zahnstange (bei rotierendem Ritzel): v = (m * z * ω) / 2 (wobei ω die Winkelgeschwindigkeit in rad/s ist)

Geschwindigkeit der Mutter (bei rotierender Spindel): v = (ω * Steigung) / (2 * π)

Watt-Regler

Der Watt-Regler ist eine Vorrichtung, die in Dampfmaschinen verwendet wird, um den Dampfzugang zum Zylinder zu steuern. Er basiert auf der Drehzahl des Mechanismus, um die Zentrifugalkraft zu erhöhen oder zu verringern. Bei hoher Drehzahl steigen die Reglerkugeln, das verbundene Ventil schließt den Dampfdurchgang, und die Drehzahl verringert sich.

Intermittierende Mechanismen

Intermittierende Mechanismen sind Vorrichtungen, die regelmäßig einen physikalischen Effekt einer variablen Größe der Maschine nutzen.

• Malteserkreuzgetriebe: Ein Hebel und ein angetriebenes Rad drehen sich. Eine Umdrehung des Antriebsrads bewirkt, dass ein Teil des Abtriebsrads in eine bestimmte Position gebracht wird und dort stoppt.
• Sperrklinkenmechanismus: Ein Mechanismus zur Übertragung einer Kreisbewegung, der es einem Baum (Welle) ermöglicht, einen anderen Baum, eine Riemenscheibe oder ein Zahnrad mit einer bestimmten Drehrichtung zu bewegen.