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Konstruktionswerkstoffe

Prüfungsvorbereitung

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M. H.
Étudier
M. H.
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über Konstruktionswerkstoffe auf Universitätsniveau. Sie behandeln die Eigenschaften, Herstellung und Anwendungen verschiedener Materialien wie Zement, Verbundwerkstoffe mit keramischer, polymerer und metallischer Matrix, sowie deren spezifische Anwendungen in der Luftfahrt, Automobilindustrie und anderen Hochtechnologiebereichen. Ideal für Studierende und Fachleute, die sich mit den mechanischen und thermischen Eigenschaften von Werkstoffen auseinandersetzen.
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6
Langue
Allemand
Catégorie
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Université
Créé / Mis à jour
17.08.2015 / 23.07.2019
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Verschleißmechanismen

Was ist Tribochem. Reaktion (Tribooxidation)?

- chem. Reaktion zw. Grundkörper und/oder Gegenkörper mit Zwischenstoff/Umgebungsmedium

- durch therm. Aktivierung durch Reibung

- Zusammenwirken von lokalem Kontakt, Relativbewegung und chem. Angriff bewirkt:

  • Entfernung passivierender Schutzschichten
  • lokaler Konzentrationsausgleich
  • Vergrößerung reaktionfähiger Oberfläche
  • Temperaturerhöhung infolge Reibungswärme ->Aktivierung

 

Verschleißmechanismen

Was ist Oberflächenzerüttung?

- Rissbildung und -Wachstum infolge wechselnder Beanspruchung

- Analogien zur Ermüdung von Massivmaterialien

- Schädigungsschritte:

  • ERzeugung von Versetzungen unter der mech. beansp. OF
  • Ausstauung von Versetzungen
  • Bildung von Fehlstellen und submikroskopischen Löchern
  • Vereinigung der Löcher zu Rissen parallel zur OF
  • bei Erreichen der kri. Länge kommt es zum Ausreißen von Verschleißpartikel

Vorallem bei schlagender Beanspruchung

Vermeidung durch: Druck auf Oberfläche z.B Kugelstrahlverfestigung (fürht zu OF-Rauigkeit); OF mgl glatt und passgenau

 

 

In welchen Bereichen werden Hartmetalle benötigt? wieviel ca?

Jährlich ca 23.000T

für Metallzerspanung,

Bergbau, Erdöl und Tunnelbau

Holz und Kuststoffbearbeitung

Konstruktionsbauteile

Einteilung der Hartmetalle

  1. WC-Co Hartmetalle (Co-Gehalt < 20%)
  2. WC- (Ti, Ta, Nb) C-Co Hartmetalle
  3. Cermets: Hochticarbidhaltige Hartmetalle mit hohem Binderanteil (>20%)
  4. Sondermetalle

Hartmetalle meist mit Co

Herstellung der Hartmetalle

- aus Pressling durch Flüssigphasensintern Formteile mit Dichte von fast 100%

- Restporosität senkt Zähigkeit sehr stark (Ausschuss)

- direkte Formgebung und indirekte Formgebung (Pressling muss bearbeitet werden)

- Flüssigphasensintern (flüssige Binderphase benetzt Hartstoffphase und löst ihn an, beim Abkühlen komplett wieder ausgeschieden

 

Eigenschaften von Hartmetallen

- hohe Härte bei mgl. feinem Korn gegen Abrasion

- hohe Bruchzähigkeit

- gute Warmhärte und Warmfestigkeitseigenschaften, keine plastische Verformung

- Langzeitstabilität Gefüge

- hohe Festigkeit der Grenzfläche sowohl zwischen den Hartstoffkörnern als auch zw. Binderphase und Hartstoff

- Co steigert Bruchzähigkeit

Kenndaten (in etwa) von WC-Co und die Aufwirkungen von Co und der Kornfeinheit

Dichte: 14,9g/cm³ mit steigendem Co-Gehalt leichter

Härte: 1760 (HV30) mit steigendem Co- Gehalt sinkend

Biegefestigkeit: 6000MPa mit steigendem Co- Gehalt höher

Bruchzähigkeit: Grobkorn > Feinkorn

Druckfestigkeit: Grobkorn < Feinkorn

Härte: Grobkorn < Feinkorn

-> Trend Richtung Feinkorn

Was sind Cermets? Eigenschaften im Vergleich zu WC-Co

bestehen aus Keramischenkomponeten - Carbonitride mit Zusätzen von Ni /Co

Problem: Härte ist kaum steigerbar

kein Gewinn an Bruchzähigkeit

-> kann sich gegen WC-Co nicht durchsetzen

Wie Verhält sich WC-Co mit steigendem Co gehalt und mit steigender Temperatur?

- Biegefestigkeit sinkt mit steigender Temperatur (nicht für HT-Anwendung geeignet- muss gekühlt werden)

- mit steigendem Co gehalt sinkt Härte

- mit steigendem Co gehalt steigt Biegefestigkeit

wenn co oxidiert oder mit Schmiemittel reagiert wird nur WC eingesetzt

 

Anwendungen für Hartmetalle

- in der Stanz- und Umformtechnik, Bohr und Schneidwerkzeuge vor allem bei großer Stückzahl geeignet und hohen Qualitätsanforderungen

- austenitische Werkstoffe mit Aufschweißneigung

- Umformung im Grenzbereichder Festigkeitseigenschaften

- hoher Maßhaltigkeit der Produkte

Welche prinzipiellen mgl gibt es Materialien vor Verschleiß zu schützen?

- Verschleißschutzschichten

- geeignete Werkstoffauswahl

- bei Anwendung ein zu Reibkörpern passendes Schmiermittel

Wann werden Verschleißschutzschichten eingesetzt

- wenn das beanspruchte Bautel eine gewisse Zähigkeit auf weisen muss die durch Hartstoffe nicht gegeben ist

Welche Möglichkeiten gibt es Verschleißbeständige Schichten auf Stahl zu aplitzieren?+ Bsp.

- Galvanische Abscheidung: Chrom, nickel-Phosphor, Ni-Si-C

- Thermische Behandlung (Aufkohlen, aufsticken Randschichthärten): CrC, VC FeB

- CVD: TiC, TiN

- PVD: TiC, TCN, TiN, CrN

- Plasmaspritzen: Mo, CrO, Al2O3, WC-Co  (dicke Schichten, gröbere Struktur)

2 Werkstoffe für Verschleißschutzschichten: Herstellung, Anwendung

TiC:

  • Herstellung:
    • aus Elementen
    • carbothermische Reduktion TiO2
    • aus TiCl4 (CVD-Prozesse)
  • andere Anwendungen:
    • Einlagerungen für Al2O3 (ErhöhungBruchfestigkeit/ Bruchzähigkeit)
    • Al2O3/TiN als Schneidkeramik

TiN:

  • Herstellung:
    • als Beschichtung im PVD- Prozess
    • Ti+ NH3, oder N 2
    • TiCl4 + N2+ H2
  • weitere Anwendung:
    • korrosionsbeständige Schichten
    • dekorative Schichten auf Uhren, Schmuck, Keramik -> goldgelb bis schwarz je nach Stöchiometrie

Kristallstruktur von Al2O3

Korund: rhomboedrisch

O2 bildet hexagonal dichteste Packung

Al füllt 2/3 der Oktaederlücken

Synthese über Bayer- Verfahren

Formgebung und Sintern von Al2O3

Formgebung:

  • Pressen in jeglicher Form
  • Spritzgießen Vorteil: komplexe Geometrien
  • Schlickergießen Vorteil: komplexe Geometrien
  • HP, HIP

Sintern:

  • zw. 1400-1800°C Tm = 2050°C
  • Flüssigphasensintern mgl
  • MgO aus sinterzusatz mgl (0,5% erleichtert Korngrenzenbeweglichkeit, Oberflächendiffusion
  • in Forschungen Sintertemp bei 1200°C

Verstärkungsformen durch Al2O3

- Whisker- Verstärkung: K1C 5-8 MPawurzelm -> toxisch

- Nano- Verstärkung: SiC/Al2O3 - hohe Festigkeit und Kriechbeständigkeit

- in-situ Verstärkung: gerichtetes Kornwachstum oder Alkali-/Erdalkalimetalle mit  stengelwachstum

Einsatzgebiete Al2O3

Maschinenbau: Schneidwerkzeug, Gleitringe, Dichtungen, Verteilerscheiben

Zündkerzen, Substrate

Medizin: Hüftgelenke, Zahnimplantate

Textilindustrie Fadenführer

Militär/ Polizei Panzerplatten (kugelsichere Westen)

Kristallstruktur ZrO2

- besitzt drei stabilde Modifikationen:

kubisch: > 2370°C

tetragonal: <2370°C

monoklin: < 950°C

letzte Umwandlung mit Volumensteigerung von 3-4% verbunden: kann zu Rissbildung führen

kubisches System kann durch Zusätze wie MgO, CaO, Y2O3  stabilisiert werden

 

Anwendungen von ZrO2

- Schneidkeramik

- Heißextrusionswerkzeuge

- Dichtungen für Ventile, Pumpen

- Kolbenauskleidung

- Turbinenschaufelbeschichtung (Wärmeschutzschicht)

- geringe Zähigkeit, ->Abplatzgefahr

Was ist ein Verbundwerkstoff?

- bestehen aus ein oder mehreren Komponenten die makroskopisch von einander getrennt werden können

- Grenzflächen zw. Matrix und Einlagerungskomponente ist entscheidend

 

Wozu braucht man Verbundwerkstoffe

- Werkstoff nach Maß

- Optimierung mech. Eigenschaften (Festigkeit, Bruchzähigkeit, Seifigkeit ect.)

 

Einteilung der Verbundwerkstoffe

  1. Art der Matrix: metallisch, keramisch, Polymer
  2. Form der Zweitphase: Teilchen, Fasern, Laminate
  3. Konnektivität: Ausrichtung der Faser in 1, 2 oder 3 Dim
    • 3/0: Matrix mit einzelnen Einschlüssen
    • 3/1: Matrix mit uniaxial ausgerichteten Fasern
    • 3/2: Matrix mit einzelnen Fasergeweben
    • 3/3: Durchdringung einer zweiten 3-dim Phase (Durchdringungsgefüge)
    • 2/2 Laminate

Eigenschaften Faserverbundwerkstoffe

- größere Festigkeit, Ermüdungsresistenz, besseres Festigkeits- Dichte-Verhältnis der Faser

- Kräfte werden von der Matrix auf die Faser übertragen

Besonderheiten und Eigenschaften von Glasfasern

Bestandteile: SiO2- Al2O3- B2O3-CaO

Extrusion von geschmolzenem Glas werden zu dünnen Fäden gezogen

Kennwerte:

Dichte: 2,5 g/cm³

E-Modul: 70-90 GPa

sigma: bis 5 GPa

Beschichtung um Oxidation zu verhindern, Grenzflächen aktivierung

Fadenhandlich beachten

Besonderheiten und Eigenschaften organischer Fasern

- dienen hauptsächlich zur Verstärkung von Kunstoffen

- z.b Aramidfasern - aromatische Polymere

- Kevlar und Polyethylenfasern

Welche Typen von Faserverstärkung gibt es?

- Glasfasern

- Kohlefasern

- Borfasern

- organische Fasern: Kevlar, Aramid, Polyethylen

- Keramische Wasern aus SiC meist in metallischer Matrix, Al2O3  meist in Kunststoff

MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe

Einteilung

  1. Dispersionsverfestigt:durchmesser 0,01- 0,1µm (5nm), 1-15% typisch 2-3%
  2. Teilchenverstärkt: durchmesser > 1µm  V=5-40%
  3. Whiskerverstärkt: 1< l>50µm  5-60%
  4. Faserverstärk l> 50µm 10-70%

MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe

Beispiele

Al /Al2O3 (Faser/ Teilchen)

Al/SiC Teilchen

Al/ Stahlfasern

Cu/ C-Fasern  Festigkeit geht hoch

 

 

MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe

Vorteile

- hohe Festigkeit

- hoher E-Modul

- hohe Zähigkeit, gute Kerbschlägzähigkeit

- gute Temperaturbeständigkeit

- gute Oberflächeneigenschaften (geringer Verschleiß, geringere Sensitivität gegen Oberflächenrisse)

- hohe elektrische unf thermische Leitfähigkeit

- Ermüdungsfestigkeit steigt

MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe

Herstellungsverfahren

Squeeze casting (Gießpressen)

  • Metall wird in fserige Vorform mit kleinen Poren gegossen
  • erstarrt unter Druck-> verdichten flüssiges Metall
  • Vorteil: geringe Porosität, keine Hohlräume bei Verdichtung
  • Nachteile: leichte Partikel schwimmen auf, evtl chem. Reaktion durch Druck, bei zu früher Ascheidung wird Rest nich gefüllt -> Lufteinschlüsse

Druckgießen: ähnlich wie Gießpressen aber komplizierter

Plasmaspritzen:

  • Pulver in Plasmazone eingefüllt->schmelzen->verspritzen

Verbundgießen:

  • keramisches Pulver i Metallschmelze eingerühert und gegossen

Pulvermetallurgie:

  • Herstellung ODS

Verschweißen von Folien

  • zw. Metallfolien werden Fasern gelegt und heißgepresset (Diffusion bonding)

MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe

Eigenschaften der Grenzfläche

Materialien mir ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten oder alpha Einlagerungskomponete > als Alpha Matrix -> Druckspannung

Grenzfläche stellt zusätzliche Diffusionswege zur Verfügung

Korrosionsprobleme an GF

Grenzfläche kann Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen

bei Wärmebehandlung Vergröberung Gefüge möglich

MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe

Auswirkungen der Größe und des Abstandes der Teilchen

Verstärkung ist um so effektiver je kleiner die Teilchen und je geringer der Abstand zw. ihnen ist

Die Bruchzähigkeit jedoch sinkt mit höherem Volumenanteil und kleinerem Teilchenabstand

Emodul steigt mit höherem Volumenanteil, sinkt mit kleineren Teilchen

MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe

Anwendungen

- KFZ: Kolben für Dieselmotoren, Kardanwelle, Bremsscheiben, Gehäuse für Bordelektronik, Motorblock,

- LRF: Rotorschaufeln

- Cu mit SiC Fasern: Schiffsschrauben

- mkroelektronische Bauteile

- Superleitende Drähte für Kernsfusion

 

PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix

Aufgabe Matirx und Fasern

Matrix

  • Positionierung der Faser
  • Schutz der Faser vor Kontaktabrieb
  • Lastverteilung

Faser:

  • Festigkeit
  • Steifigkeit

PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix

Herstellung

- Thermoplaste (PES, PA, Polysulfane) oder Duromere (Epoxide, Phenole)

3 Möglichkeiten zur Herstellung

  • Imprägnierung: Harz wird Faservorform zugegeben -> gehärtet
  • Infiltration: Flüssige Polymermasse wird in Faservorform infiltriert
  • Thermoplastisches Formpressen: vorwiegend in Automobilindustrie

PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix

Eigenschaften

für hohe Steifigkeit: Kohlefaser

für hohe Zähigkeit, Bruchfestigkeit: Aramid, Polyethylenfasern

bei Temp. Erhöhung oft Festigkeitsverlust

Vorteil: hohe Festigkeit und trotzdem leicht

bei niedrigen Temperaturen oft spröde (vorallem Duroplaste)

 

PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix

Anwendungen

Luftfahrtindustrie: Flugzeugrumpf, Flügel, Leitwerk, Innenausstattung

Raumfahrt: Raketen, Tanks, Motorblöcke

Militär: Panzerung gegen Geschosse

Automobilindustrie: Türen, Stoßstanken

Marine: Schiffkörper bei kleinen Schiffen; Motorbooten  und Segeljachten

Dachbespannungen, Sonnensegel

CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Herstellung

Schlickerprozess

  • Fasern durch Bad geführt, aufgerollt, getrocknet, gespült und in Lagen heißgepresst SiC/Glaskeramik

Reaktionbinden

dünne Folien aus Si und SiC Fasern werden aufeinandergelegt und heißgepresst

anschlißendes Nitridieren fürht zu Si3N4 mit 23% SiC Fasern

Imprägnieren

Fasergewebe werden imprägniert

CVI- Verfahren

teuer, beste Resultate aber langsam

typisch SiC/SiC Werkstoffe

Schmelzprozesse

flüssiges Metalll oxidiert an Oberfläche, wird aufgerissen mehr Metall oxidiert

typisches Produkt: 60% SiC, 20%Al, 20%Al2O3

CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Eigenschaften

- hohe Bruchzähigkeit durch Rissüberbrückung

- großer Vorteil Hochtemperatur beständig

- wichtig Grenzfläche und Defektdichte der Faser

Study