Konstruktionswerkstoffe

Die elektrolytische Reduktion von Al2 O3 erflogt zwischen zwei Kohlenstoffelektroden in einem Kyolithsalbad.

Das beigemengte Kryolith Na3 Al F6 dient zur Absenkung der Schmeltemperatur des Aluminiums von 2050 °C auf ca 1000 °C.

Aushärtbare Legierungen

        Verfestigung durch Ausscheidung von vorher gelösten Bestandteilen

        Wärmebehandlung bewirkt Festigkeitssteigerung --> Ausscheidungen

        Legierungssysteme: AlCu, AlMgSi, AlCuMg, AlCuSiMn, AlZnMg

Naturharte Legierungen

        Verfestigung durch Mischkristallbildung

        Wärmebehandlung bewirkt Festigkeitsabfall --> Kornvergröberung

        Legierungssysteme: AlMg, AlMgMn, AlZn

Für die Ausscheidungshärtung muss die Gleichgewichtsphase Al2 Cu verhindder werden, da sie inkohärent ausgeschieden wird.

1. Temperatur von 548 °C Übersättigter Mischkristall

2. Abschrecken auf 20 °C Übersettiger Mischkristall

3. Auslagern bei ca 150 °C Guinier-Preston-Zone 1 Einschichtige Kupfer Ketten

4. nach längerem Auslagern bei 150 °C Guinier-Preston-Zone 2 kohärente udn teilkohärente Ausscheidungen.

(höchste Festigkeit 450 MPa)

generell einfach zu schweißen

Geringer Schmelzpunkt onv 660 °C

Hohe Wärmeleitung --> hohe Wärmeabfuhr

Großer thermischer Ausdehnungskoeffizient --> Gefahr von Schweißeigenspannungen

Schemlzpunkt der Oxidschicht bei 2052 °C

Eloxal Verfahren --> Elektrolytische Oxidation des Aluminiums

Gesammtreaktion: 2 Al + 3 H2O --> Al2 O3 + 3 H2

Es Entsteht eine Matt-Graue Oxid-Oberlfäche, die beben diesem Erscheiunugsbild zusätzlich besonders wiederstandsfähig gegenüber Korrosion ist.

Genutzt  wird Alumium als Kathode und Graphit oder Blei als Elektrode in 10 % iger Schwefelsäure

Magnesiumchloridsole (MgCl2)

     Reinigen, Eindampfen, Kristalisation, Dehydrirung

Schemlzflusselektrolyse --> Dabe entsteht Magnesium und Chlorgas

Magnesium schwimmt im Bereich der Kathode auf.

• hohe Spezifische Festigkeit/Steifigkeit
• gute Dämpfungseigenschaften
• relativ gute Gießbarkeit
• hervorragende Zerspanungseigenschaften
• gute Schweißbarkeit
• Recycelbarkeit
• hohe Verfügbarkeit (2,1 der gesammten erdkruste)

Bei Raumtemperatur 2 Unabhänige Gleitsysteme (HDP)

Oberhalb 225 °C ergeben sich 6 Gleitsysteme

Verbesserung der Festigkeit bis 8 Ma.-%

Verbesserung der Gießbarkeit je mehr desto besser

Verbesserung der Korrosionsbestendeigkeit

Zugabe von Yttrium oder Thorium

Verbesserung der Warm und Kriechfestigkeit

Verbesserung der Korrosionsbestendigkeit

Starke Kornfeinung (Hall Petch Beziehung)

Aushärtbare Legierungssysteme z.B. T6 Behandlung

Ausscheidung Thermisch stabiler Phasen

Verarbeitung vorwiegend im Sandguss

Hohe Kosten

Aluminium

+Festigkeit

+Härte

+Gießbarkeit

+Oberflächenpassivisierung

-Mikroporosität

Mangan

+Festigkeit

+Korrosionsbeständigkeit

+Kornfeinung

+Schweißeignung

Zink

+Festigkeit

+ Gießbarkeit

+Kornfeiunung

-Mikrobporosität

-Heißrissbildung

Seltene Erden

+Warmfestigkeit

+ Korrosionsbeständigkeit

+Konrnfeinung

-hoher Preis

Zirkonnium

+Kornfeiunung

+Dehnung

+Korrosionsbeständigkeit

-nicht mit Al Verwendbar

Lithium

+Dehnung

+Dichtereduzierung

+ Kornfeinung

-Hohe Reaktivität der Schmelze

-Korrosionsbeständigkeit

Aluminium:

       Oxidationsschutz durch dünnen elastischen Film Al2 O3  Bei Reacktion Schmelze mit Luft

Magnesium:

      Oxidation und Verdampfung durch Dicken aufgebrochenen Film auf der Schmelze bei Reaktion mit Luft

       MgO Film

Technische Lösungen:

• Verwendung von abdecksalzen
• Zugabe von ddeckschichtbildener Legierungselemente --> zum teil Giftig
• Schmelzbehandlung unter Inertgas
• Einsatz von Reaktivgasen, Bildung von Passivschichten --> Nachteil alle Substanzen giftig

Knetlegierungen

+ hohe Ducktilität

+ Wärmebehandlungsmöglichkeiten

+gute Schweißbarkeit

+dickwandige Bauteile

- Eingeschränkte Kaltvervormbarkeit

- mögliche Anisotropie der mechanischen Eigenschaften

- hohe Herstellkosten

Druckgusslegierungen

+ hohe Produktivität durch kurze taktzeiten und geringen Werkzeugverschleiß

+ dünnwandiges Gießen

- geringe Schweißbarkeit durch Gaseischlüsse

- eingeschränkte Wärmebehandlungsmöglichkeiten

- begrenzte Bauteilgrößen

1. Prozessschritt ist die Herstellung von TiCl4 aus den Rohstoffen

Titanerz + Koks --> + Chlorgas --> Chlorierung --> Kondensation und Destilation --> Titantetrachlorid TiCl4

Reaktion: TiO2 + 2C + 2 Cl2 --> TiCl4 + 2 CO

2. Prozesschritt ist die Herstellung von Titanschwamm aus TiCl4

Titantetrachlorid --> Krollprozessrektor

Reaktion: TiCl4 + 2 Mg --> Ti + 2 MgCl2

• Gitterstruktur bei RT:                  HDP
• Allotropie                                    HDP --> KRZ bei 882,5 °C
• Schmelzpunkt                            1668 °C
• Streckgrenze                              290 - 1150 MPa
• Elastizitätsmodul                        110 GPa

Titan hat die besondere Eigenschaft, bei höheren Temperaturen Gase in großem Maße interstitiell zu lösen

Waaserstoff H2

0,001 Ma.-% bei RT

0,1 Ma.-% bei 300 °C

bis zu 4 Ma.-% bei 900 °C

Bei Übersättigung scheidet TiH2 aus, behindert Gleitversetzungen und bildet TiH Teilchen --> starke Versprödung

Technische Verwendung nur bis 0,01 Ma.-% H2

Einsatz als H2 Speichermedium möglich

Nach der Elektrochemischen Spannungsreihe müsste Titan ein sehr korrosionsanfälliges Metall sein

Praxis: Titan ist ein Metall, das man unter stark korrosiven Beanspruchungen einsetzten kann, da es extrem Korrosionsbeständig ist.

Erklärung: Titan gehört wie Aluminium, Zirkonium und Magnesium zu den passivivirbaren Metallen und bildet unter der Bindung von Sauerstoff an der Oberfläche eine sehr dichte und stabile Deckschicht aus TiO2. Selbst bei einer Beschädigung der Oxidschicht repassiviert das Metall wieder sehr schnell.

Ni Nickel: Memory-Werkstoffe

Nb Nobium: Supraleiter

Fe/Mn Eisen/Mangan: H2 Speicher

Al Aluminium gamma Aluminide

Fe Al Biomaterial

Al+V, Cu, Mo,Zr, Sn Konstruktionsmaterial

Pd, Ni+Mo Korrosionstabilisator

Alpha-stabilisierende Elemente z.B. Al, O, N

+Kriechfestigkeit

+ Schweißbarkeit

Beta-stabilisierende Elemente z.B. Mo, Fe, Cr, Mn

+ Höhere Dichte

+ Wärmebehandelbar

+ Dauerfestigkeit

+Verformabarkeit

Automobielindustrie

       Vorteile durch geringe Dichte bei hoher Temperaturbeständigkeit

                      Anwendung in der Ventiltechnologie

Biomedizintechnik

        Gute Korrosionsbeständigkeit bei guter Dauerfestigkeit gute Knochenbindung

                        Anwendung als Prothesen Platten oder Impantate sowie Stents

Stant besteht aus 50 Ma.-% Ti und 50 Ma.-% Ni --> Formgedächtnischwerkstoff

Stant entfaltet sich erst bei Umspülung mit Blut bei 37 °C.

Formspeicherung durch eine martensitische Umwandlung   Werstoff: 50 %Nickel 50 %Titan

Dreiteilung des Effektes:

1. Superelastizität

     Ca. 8 % superelastische Dehnung

2. Thermische "Erinnerung"

     (reversible thermisch induzierte Formrückbildung durch Erwärmung und Abkühlung)

3. Martensitische Deformatione

     (martensitische Verformung durch Zwillingsbildung geht nach der Austenitisierung durch Erwärmung wieder in den Ausgangszustand zurück).

Draht mit Gedächtniss

1. Der NiTinol-Draht wird über 50 °C in eine gerade Form gebracht
2. Beim Abkühlen unter 50°C verändert sich das Kristallgitter abrupt, die Äußere Form des Drahtes bleibt gleich
3. Beim Verformen des Drahtes verändert sich das Kristallgitter nicht
4. Beim Erwärmen über 50 °C "Erinnnert" sich der Draht an seine alte Form

Lineare Kettenmolekühle, Verzweigte Kettenmolekühle --> Thermoplast

      Schmelzbar, löslich, bei Raumtemperatur i.A. weich bis zäh

Schwach vernetzte Kettenmolekühle --> Elastomere

      nicht Schmelzbar, quelbar, unlöslich, bei Raumtemperatur im elast, weichen zähen Zustand

Stark vernetzte Kettenmolekeühle --> Duroplaste

     nicht schmelzbar, nicht quelbar, nicht löslich, bei Raumtemperatur i.A. hart.

Thermoplaste bestehen aus vielen einzelnen Makromolekühlen.

Bindungsart: Wasserstoffbrückenbindungen und van-der-Waals Kräfte gebunden --> löslich in Lösungsmitteln

Temperaturerhöhung: Molekühle znehmend untereinander bewegliche --> schmeze entsteht

Warme Umformung möglich z.B. Spritzguss, Extrudiren, Spinnen

Material erstarrt teikristalin oder amorph

Kristalintensität bestimmt Gebrauchseigenschaften --> hoher Grad an Kristallinität ergibt festere Materialien

Elastomere bestehen aus eineme einzigen Molekühl

Bindungsart: Kovalente Bindungen vieler Polymerketten, die an einigen Stellen verbuden sind, so dass ein großes Molekühl entsteht. --> unlöslich in Lösungsmitteln

Temperaturerhöhung: das Melekühl wird Weicher, es entsteht aber keine Schmelze --> Zersetzung

Keine Umformung möglich, Endform muss bei Herstellung erreicht werden

Material erstarr Amorph

Material besitzt Gummielastisches Verhalten

Sehr Starke verformung möglich, nimmt seinde Ursprüngliche Form nach Wegfall der Kräfte wieder ein.

Keine bleibende Plastische Verformung

Duromere bestehen aus einem einzigen großen Molekühl

Bindungsart: Kovalente Bindungen vieler Polymerketten, die an vielen Stellen verbunden sind, so dass ein großes Molekühl entsteht

unlöslich in Lösungsmitteln

Temperaturerhöhung: kein schmelzen sondern Zersetzung

Material kann nicht Umgeformt werden, sondern nur Urgeformt werden

Keine Plastische Verformung möglich

bricht spröde bei überlastung der Festigkeitsgrenzen.

Extrudieren

      Ist das Hauptverfahren zur kontinuierlichen Verarbeitung von Kunststoffen

Spritzgießen

      Kurze Durchlaufzeiten, Keine oder nur geringe Nacharbeit, Komplexe Formen herstellbar, hohe Repruduzierbarkeit

      --> Massenartikefertigung

Kalandrieren

      Kontinuierliches Vefahren, Kunststoffmischung wird zunächst in einem Spalt zweier gegenläuftiger rotierender und beheitzter Metallwalzen aufgeschmolzen. zusätzliche Homogenisierung und Dickeneinstellung des Flächigen Endproduktes durch weitere, nachgeschaltete Walzen.

--> Fertigung von Platten, Folien, Bodenbelägen und Kusntleder

Polymerschäume

Metalle: metallische Bindung, kristalines Gefüge, gut leitend, plastisch, meist chemisch unbeständig

Keramik: kristalines amorphes Gefüge, schlecht leitend, nicht Plastisch, chemisch beständig

Kunststoffe: homöopolare und dipolare Bindungen, amorph oder teilkristalin, schlecht leitend, hochtemp. plastisch, chemisch beständig

--> Verbundwerkstoffe

Teilchenverbund

Faserverbund

Schichtverbund

Durchdringungsverbund

MMC im Motorenbau

     Al/SiC Berstärkung an der Brennraumwandung oder Verstärkte Zylinderbalfbuchse --> Werkstoffverbund

MMC Faserverstrkte Aluminium Bremstrommel -> Verbundwerkstoff

Die wirkliche Festigkeit eines festen Stoffes ist sehr viel niedriger als die theoretisch berechnete

Moderne Kohlefasern erreichen bis zu 80 % der theoretischen Steifigkeit und bis zu 25 % der theoretischen Zugefestigkeit

Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als in anderer Form, und je dünner die Faster, desto größer ist die Festigkeit.

--> Grund für dises Phänomen ist, dass sich die Defektzahl pro Längeneinheit verringert. in Faser um Faktor 2,5 * 10^3 größerer Defektabstand als im kompakten Körper.

Keramische Werkstoffe: Grobkeramik, Feinkeramik

Feinkeramik wird unter teilt in Sanitärkeramik, Zierkeramik, Technische Keramik, Geschirkeramik

Die Technische Keramik wird dann weiter in  Strukturkeramik, Hochleistungskeramik und Industriekeramik aufgeteilt.

Die Hochleistungskeramik wiederum wird in Funktionskeramik, Elektrokeramik, Schneidkeramik, Biokeramik unterteilt.

Funktionskeramik:

      Hier werden die Eigenschaften für eine aktive Funktion verwendet z.B. besondere elektrische, magnetische, dieelektrische oder optische Kennwerte aufweisen.

Elektrokeramik:

         Wird in der Elektronik und Elektrotechnik eingesetzt auf grund ihrer Isolierfähigkeit, mechanischen Festigkeit, Halbleitung, deren nicht linearer Wiederstand, Hochtemperatur Supraleitung.

Schneidkeramik:

       hervorragende Verschleiß und Hitzebeständigkeit wird für die spanende bearbeitung eingesetzt.

Biokeramik:

        wird genutzt um Kochen Zähne odr hartes Gewebe zu ersetzen.

Diese Keramik gehört zu der Elektrokeramik und es ist möglich unter Krafteinfluss Strom zu erzeugen.

Keramiken (Kristalle) mit einer polaren Achse (elektrische Dipole) erzeugen bei mechanischer Belastung entlang dieser Achse Oberflächenladungen

Beispiel: Quartz SiO2

Voraussetzung nicht zentrosymetischer Kristall !!!

Für Keramische werkstoffe liegt in der Regel eine Mischform von ionischer und kovalenter Bindung vor.

Die starken Bindungskräfte keramischer Materialien kommen in den hohen E-Module und Härtewerten, den hohen schmelzpunkten, der geringen Wärmeausdehnung und der guten chemischen Resistenz dieser Werkstoffe zum Ausdruck.

Die Kovalente Bindung ist stark gerichtet; Zuordnung und Abstand benachbarter Atomi liegen genau fest. Die Stabilität ionsicher und kovalent gebudender Feststoffe hängt stark von der Aufrechterhaltung der atomaren Geomertireaber und erklärt die fehlende plastische Verformbarkeit bei Belastung.

Die Pulverteilchen werde verdichtet und in eine Zusammenhängende Form gebracht

  --> Grünling

Grünling kann spanend bearbeitet werden

Anschließend Sintern

1. Trocknen        muss langsam erfolgen um Rissbildung zu vermeiden (es kommt zu einer Schwindung)
2. Ausbrennen    Plativiszierungs und Verdampfungsmittel werden verdampft oder verkohlt
3. Verglühen       optinoal, teilweise vorverfestigung zum Vorzihen der Endbearbeitung
4. Brennen         Beim Brennen bilden sich die starken chemischen Bindungen. Die porösität nimmt ab, es kommt zu einer Verdichtung. Die resultierende Brennschwindung mit zuvor mit einberechnet werden.