WST20 Werkstoffkunde WST105 AKAD

Hartguss zeichnet sich durch ein Gefüge aus, in welchem der Kohlenstoff voll in die Karbidbildung (Zementit) geflossen ist. Dies wird durch eine schnelle Erstarrung aus der flüssigen Phase erreicht. Wegen der silbrig hell schimmernden Bruchfläche solcher Gusseisen werden diese auch sehr häufig als weißes Gusseisen bezeichnet.

– gute bis sehr gute Korrosionsbeständigkeit an Luft und in Wasser

– gute plastische Umformbarkeit

– nur schlechte spanende Bearbeitung möglich

– in bestimmten Legierungen hohe Festigkeiten möglich

Blechmessingbesteht aus α-Mischkristallen und ist bei 400 °C bis 500 °C spröde, bei Raumtemperatur weich und gut verformbar, jedoch schlecht spanbar. Stangenmessing ist 2-phasig (α+β-Mischkristalle), ist ebenfalls gut warmformbar, aber aufgrund des 2-phasigen Gefüges auch gut spanend zu bearbeiten

Als Bronze werden drei Arten von Cu-Basislegierungen bezeichnet:

Cu-Sn-Legierungen (Zinnbronze), Cu-Al-Legierungen (Aluminiumbronze) und die eher wenig bekannten Cu-Be-Legierungen (Berylliumbronze).

Berylliumbronze ist sehr gut ausscheidungshärtbar. Durch diesen effektivsten Härtungsmechanismus sind in diesen Legierungen deutlich höhere Festigkeiten und Härten möglich als in den beiden anderen Bronzen.

Die beiden wichtigsten Cu-Basisgusswerkstoffe sind Cu-Sn-Legierungen, die auch als Rotguss bezeichnet werden und Gussmessing (Cu-Zn). Gleichwohl können aber auch sehr viele andere Cu-Legierungen gießtechnisch hergestellt werden.

a) Unlegierter Kaltarbeitsstahl:

Handwerkszeuge, landwirtschaftliche Arbeitsgeräte, Gesenke, Kaltschlagmatrizen, Meser, Handmeißel, Gewindeschneider, Endmaße, Prägewerkzeuge.

b) Legierter Kaltarbeitsstahl:

Holzbearbeitungswerkzeuge, Kaltwalzen, Stempel, Ziehdorne, Werkzeuge für Kunststoffverarbeitung, Schlagscheren, Messer, Prägewerkzeuge, Sägeketten.

c) Warmarbeitsstahl:

große Gesenke, Pressstempel, Schmiedestempel, Druckgießformen, Rohrpressdorne.

b) Tauchzeit ist ein Alternativbegriff für Haltezeit. Tauchzeit = Gesamtzeit vom Eintauchen bis zur Entnahme aus dem Härtebad.

c) Das Anlassen dient dem Ausgleich bzw. dem Abbau der Härtespannungen (zum Einfluss der Anlasstemperatur auf die Härte siehe auch Bild 1 auf S. 181 des Lehrbuches).

Tauchzeit ist ein Alternativbegriff für Haltezeit. Tauchzeit = Gesamtzeit vom Eintauchen bis zur Entnahme aus dem Härtebad.

Das Anlassen dient dem Ausgleich bzw. dem Abbau der Härtespannungen (zum Einfluss der Anlasstemperatur auf die Härte siehe auch Bild 1 auf S. 181 des Lehrbuches).

Einzelschritte bei der Herstellung von Sinterkörpern:

Mischen der Rohstoffe, Vorpressen, Sintern, Nachpressen (Kalibrieren).

Arten des Pulverpressens:

Es werden koaxiales Pressen (siehe Bild 1 auf Seite 190 des Lehrbuches oberer Teil) und

isostatisches Pressen (siehe Bild 1, unterer Teil) unterschieden

Sintern ist das Glühen der Presskörper.

Anwendungsgebiete pulvermetallurgischer Verfahren:

– einbaufertige Sinterformteile,

– Tränkwerkstoffe,

– Metallfilter,

– Formteile aus hochschmelzenden Metallen,

– Spezialverbunde

Zu dieser Gruppe gehören reine Metalle und Legierungen mit der elektrischen Leitfähigkeit über 107S·m-1 (dem spezifischen elektrischen Widerstand kleiner als 100 nΩ·m). Das sind Kupfer und Aluminium sowie Silber, Gold und andere metallische Werkstoffe. Kupfer, Aluminium und ihre Legierungen sind mit Abstand die dominierenden Leiterwerkstoffe.

Kupfer als bedeutender Leiterwerkstoff der Elektrotechnik zeichnet sich aus durch

– sehr hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit;

– optimale Festigkeit, Zähigkeit, hohe Umformbarkeit;

– schlechte Zerspanbarkeit und Gießbarkeit;

– gute Korrosionsbeständigkeit;

– gute Legierbarkeit, Schweißbarkeit, Lötbarkeit;

– moderaten Preis;

– leichte Leitungsmontage.

Alle diese Cu-Sorten sind hoch leitfähig für Wärme und Elektrizität, ausgezeichnet umformbar, korrosionsbeständig. Sie unterscheiden sich im Restgehalt an Sauerstoff und Phosphor, was vor allem ihre Eignung zur Wärmebehandlung beeinflusst.

– Cu-ETP ist die sauerstoffhaltige Kupfersorte. Wegen der Wasserstoffversprödung ist

ihre Verarbeitung durch Löten, Schweißen und Glühen stark begrenzt.

– Cu-OF ist die hochreine sauerstofffreie nicht desoxidierte Kupfersorte. Sie darf ohne

Rücksichtnahme auf Wasserstoffversprödung wärmebehandelt, geschweißt, weich- oder hartgelötet werden. Sie findet insbesondere in der Vakuumtechnik, Raumfahrt und in der Supraleittechnik Anwendung.

– Cu-HCP ist die sauerstofffreie desoxidierte Kupfersorte mit einem niedrigen Restphosphorgehalt. Sie ist gut wasserstoffbeständig und daher gut schweiß- und lötbar. Der mischkristallin aufgelöste Phosphor reduziert etwas die elektrische Leitfähigkeit.

Hochlegierte Kupferlegierungen sind reinem Kupfer in mechanischer Festigkeit, Elastizität, Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit so wie Verarbeitungseigenschaften überlegen. Dagegen muss man eine deutliche Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit in Kauf nehmen.

– Messinge haben im Vergleich zu reinem Kupfer eine höhere Festigkeit, die sich durch Kaltverformung weiter steigern lässt, eine höhere Rekristallisationstemperatur, bessere Gießbarkeit und Spanbarkeit. In der Elektrotechnik und Elektronik werden Messinge hauptsächlich für stromleitende Verbindungs-, Kontakt- und Installationsteile eingesetzt.

– Neusilber besitzt im Vergleich zu Messing erhöhte Korrosionsbeständigkeit und (nach Verformungsverfestigung) Festigkeit. In der Elektrotechnik findet Neusilber als Kontaktwerkstoff in den lötfreien Verbindungen, Schleifkontakten sowie als Hartlot Anwendung.

– Bronzen zeichnen sich gegenüber Messingen durch eine höhere Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Gleitfähigkeit aus. Sie sind aber teurer. In der Elektrotechnik werden vor allem Bronzen mit niedrigem Gehalt an Legierungselementen für mechanisch beanspruchte verschleißfeste Teile mit stromleitender Funktion eingesetzt: Kontaktfedern, Steckverbinder, Schleifringe usw.

– Anforderungen: hohe elektrische Leitfähigkeit, hoher Elastizitätsmodul, hohe Zugfestigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, niedrige Masse des Leiterwerkstoffs.

– Werkstoffe: hartgezogene niedriglegierte Cu-Legierungen (CuMg0,2) und Al-Legierungen (Al-Mg-Si „Aldrey“), häufig mit Stahlverstärkung.

– Wegen der niedrigeren Kriechfestigkeit von Aluminium und Oxidschichtbildung ist die Kontaktqualität von Aluminium-Verbindungselementen nicht besonders hoch. Schraub- oder Quetschverbindungen mit Aluminium müssen regelmäßig überprüft und nachgezogen werden.

– Zwischen Aluminium und Kupfer bildet sich bei Nässe ein galvanisches Paar, wobei Aluminium als unedleres Element aufgelöst wird. Deswegen müssen die Cu-Al-Kon-

taktstellen gut vor Nässe geschützt werden (z. B. lackiert).

– Wegen der „Purpurpest“ – der Ausbildung spröder intermetallischer Au-Al-Phasen im Kontaktbereich zwischen Aluminium und Gold – sind die direkten Gold-Aluminium-Kontakte zu vermeiden.

– Wegen der Oxidschichtbildung lässt sich Aluminium mit üblichen Methoden nicht löten.

Die wichtigste Eigenschaft von Edelmetallen ist ihre hohe Korrosionsbeständigkeit.

Deswegen findet eine Oberflächenversilberung oder -vergoldung als Schutz gegen

äußere Einflüsse insbesondere für elektrische Kontakte und Hohlleiter eine breite

Anwendung. Außerdem:

– Silber ist ein hochleitender Werkstoff für Anwendungen insbesondere in der Hochfrequenztechnik: für Kabel, Drähte, Litzen, Hohlleiter, für Elektroden bestimmter Arten von Keramik- und Glimmer-Kondensatoren und als Kontaktwerkstoff.

– Gold wird als Werkstoff für Bonddrähte, Leiterbahnen und Kontaktstellen für integrierte Schaltkreise verwendet.

– Platin ist hochschmelzend und verfügt über besonders stabile physikalische Eigenschaften. Es findet als Kontaktwerkstoff, als Werkstoff für Fühler in der Messtechnik sowie als Heizelement in chemisch aktiven Umgebungen Anwendungen.

– Palladium ersetzt oft Platin aus Kostengründen, z.B. in Kontakten.

– Andere Metalle der Platingruppe werden als Legierungselemente zur Erhöhung der

Festigkeit von Kontaktwerkstoffen eingesetzt.

Funktionswerkstoffe: z. B. Wärmeleitung, Strahlenschutz

Strukturwerkstoffe: z. B. Festigkeit, Steifigkeit

Die Werkstoffeigenschaften können während bzw. in der Fertigung durch die Einwirkung von Maschinen verändert werden.

Möglichst wenig Masse an Werkstoff zur Erfüllung einer bestimmten Funktion.

Smart Materials sind bekannt für ihre Adaptionsfähigkeit, d. h., diese Werkstoffe sind in der Lage, die äußere Beanspruchung sensorartig zu erfassen und ihre Eigenschaften selbsttätig darauf abzustimmen oder zumindest weitestgehend anzupassen. Indiesem Zusammenhang spricht man auch von intelligenten Werkstoffen.

Atomkern:

Dichte und alle kernphysikalischen Eigenschaften wie Neutronenabsorbtion,

Spaltbarkeit.

Valenzelektronen:

chemische Reaktionsfähigkeit, mechanische Festigkeit, elektrische

Leitfähigkeit, Auftreten von Ferromagnetismus, optische Eigenschaften.

a)

Es existiert nur eine Mischkristallphase auf der Kupferseite (siehe Markirung ⊗ im Diagramm).Cu bildet mit Mg zwei intermetallische Verbindungen, MgCu2

und Mg2Cu. Drei Eutektika sind zu finden bei 21,9 % Mg, 57,9 % Mg und 85,5 % Mg

b)

Cu ist gar nicht in Mg löslich, Mg ist maximal bis zu 7 % in Cu bei einer Temperatur

von 722 °C löslich

c)

Das niedrigst schmelzende Eutektikum ist bei 85,5% Mg. Es hat eine Schmelztemperatur von 485°C.

Die Atome von Metallen streben eine dichte Packung von Kugeln mit einer schichtweisen Anordnung im Raum an. Ein solches Raumgitter bildet einen Kristall. Die geschichteten Ebenen lassen sich durch äußere Kräfte relativ leicht gegeneinander verschieben. Dies ist die Ursache für die gute Umformbarkeit der meisten Metalle. Fast alle Metalle sind kristallin.

Die Metallbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die freien Elektronen als

sogenannte „Elektronenwolke“ nicht mehr an den Atomrümpfen gebunden sind.

Dadurch sind sie in dem Gesamtverband beweglich und können damit „Trans-

portaufgaben“ übernehmen.

Die Elementarzelle ist die kleinste kristallografische Einheit, mit der ein Kristallgittertyp mathematisch und geometrisch vollständig beschrieben werden kann

Bei einer dichtesten Kugelpackung werden die Atome bzw. die Atomebenen in einer spezifischen Weise übereinandergeschichtet. Ein gutes Beispiel ist die Schichtung von Zitrusfrüchten oder Äpfeln in Obstkisten, die auf dieselbe Weise eine dichteste Kugelpackung einnehmen. Eine dichtere Packung wie sie z. B. beim kfz Gitter mit 74 % Packungsdichte erreicht werden kann, ist nicht möglich.

Eisen ist ein Element, welches in Abhängigkeit der Temperatur zwei unterschiedliche Kristallgitterformen einnehmen kann. Ein solches Verhalten wird Allotrophie (bei Legierungen Polymorphie) genannt. Bei „tieferen“ Temperaturen unterhalb von 911 °C ist das Eisen krz, darüber ist es bis 1 392 °C kfz, um darüber bis zur Schmelztemperatur wiederum krz zu werden.

Bei einer elastischen Verformung werden die Atome in Beanspruchungsrichtung auseinandergezogen, während sie quer dazu zusammengeschoben werden. Mit beiden Verschiebungen wird der Gleichgewichtsabstand, in dem sich anziehende und abstoßende Bindungskräfte die Waage halten, verlassen. Dadurch bauen sich Rückstellkräfte auf, die bei Entlastung zu einer vollständigen Rückverformung führen (= reversibel).

Die plastische Verformung führt zu einer bleibenden Formänderung. Die von außen angreifenden Kräfte führen im Inneren zu einer so großen Verschiebung der Atome, dass die Bindungskräfte überschritten werden, die Atome sich gegeneinander so weit verschieben, dass neue Bindungskräfte mit den nächsten Atomen aufgebaut werden. Bei Entlastung geht auch hier ein Teil der Verformung elastisch zurück, aber die größere Verschiebung der Atome gegeneinander bleibt als plastische Verformung erhalten (= irreversibel).

Gitterbaufehler sind, wie der Name schon sagt, Fehler des regelmäßigen Gitteraufbaus. Man teilt sie gemäß ihrer geometrischen Dimension ein, wobei 0-dimensionale Fehler als punktförmig betrachtet werden (Atomgröße). Eine schöne tabellarische Übersicht wird auf Seite 34 des Lehrbuches gezeigt.

Kaltumformung ist eine Umformung, die in der Regel kalt, also ohne zusätzliches Erhitzen des Werkstoffes vorgenommen wird. Genauer ist es jedoch, insbesondere zur Abgrenzung der Kalt- und Warmumformung zueinander, wenn man von der Rekristallisationstemperatur ausgeht. Danach ist eine Kaltumformung eine Umformung, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt wird, eine Warmumformung hingegen oberhalb der Rekristallisationstemperatur.

Grundsätzlich kann die Festigkeit mit allen Gitterbaufehlern gesteigert werden. Es kommt immer darauf an, der Bewegung der Versetzungen, die bei der Verformung durch das Gitter wandern, Hindernisse in den Weg zu legen. Alle Gitterbaufehler führen zu einer mehr oder weniger starken Verzerrung des Raumgitters und genau dies ist für die Versetzungen sehr hinderlich. Natürlich gibt es recht große Unterschiede in der Verzrungs- und damit der Widerstandswirkung gegenüber der Versetzungsbewegung der einzelnen Härtungsmechanismen. Eine ungefähre Rangfolge kann wie folgt angegeben werden (von niedriger bis sehr hoher Festigkeitssteigerung):

– Mischkristallhärtung (0-dimensional),

– Korngrenzenhärtung (2-dimensional),

– Kaltverfestigung (1-dimensional),

– Ausscheidungshärtung (3-dimensional)

Nur mit bzw. durch Legierungen können ganz spezifische Eigenschaften eingestellt werden. Meist sind es nicht nur einzelne neue oder optimierte Eigenschaften, sondern man ist bestrebt, ein ganzes Eigenschaftsprofil zu realisieren, welches im Idealfall mit dem geforderten Beanspruchungsprofil deckungsgleich sein sollte.

Vollkommene Löslichkeit:

In allen Konzentrationsbereichen können sich die Legierungsatome mit den Atomen des Basiselementes vermischen. Dies gilt sowohl für Schmelzen als auch für die Festkörper.

Begrenzte Löslichkeit:

Die Vermischung der Atome von Legierungs- und Basiselement ist auf ein oder mehrere Konzentrationsbereiche beschränkt. In diesen ist Löslichkeit bis zu einem bestimmten Maximalwert bei einer bestimmten Temperatur gegeben.

Vollkommene Unlöslichkeit:

Legierungs- und Basisatome können sich überhaupt nicht vermischen. Dies kann sogar in der Schmelze der Fall sein, wie z. B. bei Eisen und Blei (analoges Beispiel: Öl und Wasser).

In einem Zustandsschaubild sind, wie der Name es schon besagt, alle Zustände eines Legierungssystems in Abhängigkeit der Temperatur und der Konzentration der beteiligten Komponenten dargestellt. Sogenannte Phasengrenzlinien umschreiben bzw. definieren die Gebiete der einzelnen auftretenden Phasen.

Mit dem Hebelgesetz können innerhalb der 2-Phasen-Gebiete eines Zustandsdiagramms für eine bestimmte Legierung die Gehalte der hier präsenten Phasen bei einer bestimmten Temperatur bestimmt werden.