Werkstoffkunde

Frontmatter

1. Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

Zusammenfassung

Der Abschnitt zeigt dem Einsteiger in die Werkstoffkunde die Bedeutung und Verflechtung mit anderen Fachgebieten, weist auf Entwicklungsrichtungen hin und stellt die grundsätzliche Herangehensweise an den vielfältigen Stoff dar.

Werkstoffe sind jener Teil der Materie, die der Mensch zur Herstellung von Gütern aller Art benutzt, um seine Bedürfnisse zu befriedigen. Dazu gehören auch die Maschinen zu ihrer Herstellung. Zu den Werkstoffen zählen alle Stoffe für Bauteile in Maschinen, Geräten und Anlagen, ebenso das Material für die Werkzeuge zu ihrer Fertigung.

Das Buch beschränkt sich auf Werkstoffe, die in der Maschinentechnik, im Fahrzeugbau und in der Feingerätetechnik verwendet werden. Andere Bereiche sind z. B. Luftfahrtwerkstoffe, Werkstoffe der E-Technik und Elektronik, Baustoffe für Hoch- und Tiefbau, Werkstoffe für Textilien und Bekleidung, Dentalwerkstoffe.

Werkstoffkunde ist der Name für ein Lehrfach, das die Erkenntnisse der Werkstoffwissenschaft benutzt, um Stoffeigenschaften und Vorgänge in Stoffen bei der Verarbeitung zu erklären. Mit Hilfe von Modellvorstellungen versucht sie, das Unsichtbare zu veranschaulichen.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

2. Metallische Werkstoffe

Zusammenfassung

Metalle bilden unter den chemischen Elementen die größte Gruppe, es sind etwa 70 unter den 88 natürlich vorkommenden Elementen (Abschn. 1.​3.​1 Periodensystem).

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

3. Die Legierung Eisen-Kohlenstoff

Zusammenfassung

Die Legierungen auf der Basis „Eisen“ sind sehr zahlreich und haben einen breiten Anwendungsbereich. Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt bis 2 % werden üblicherweise als Stahl bezeichnet. Es gibt aber auch legierte Stähle mit mehr als 2 % Kohlenstoffgehalt. Da aber alle Stähle grundsätzlich schmiedbar, also warmumformbar sind, ist die folgende Definition sinnvoller.

Es sind ca. 2500 verschiedene Stähle lieferbar. Einfache Stähle sind bereits zu einem Preis von deutlich unter 1 €\(/\)kg zu beschaffen. Das liegt im Wesentlichen daran, dass Eisen mit einem Anteil von etwa 4,7 % an der Erdrinde nach dem Aluminium das am häufigsten vorkommende Metall (siehe Tab. Tab. 2.1) und Eisenerz an vielen Stellen der Welt in Lagerstätten konzentriert ist, sodass es relativ preisgünstig gefördert werden kann. Zusätzlich lässt sich Eisen durch seine ferromagnetischen Eigenschaften hervorragend rezyklieren, Eisenschrott lässt sich von anderem Schrott magnetisch trennen.

Die Ursache für den breiten Anwendungsbereich der Eisenlegierungen liegt in den großen Möglichkeiten, ihre Eigenschaften zu ändern:

$$\displaystyle\left.\begin{array}[]{l}\text{-- durch W{\"a}rmebehandlung}\\ \text{-- durch Legierungselemente}\end{array}\right\}\text{Kombination aus beiden}$$

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

4. Stähle

Zusammenfassung

Stähle und Stahlguss sind wegen ihrer Vielseitigkeit noch immer die wichtigsten Werkstoffe des Maschinenbaues. Ihre Eigenschaften lassen – in Verbindung mit der Wärmebehandlung – viele Kombinationen zwischen Festigkeit, Härte, Zähigkeit und plastischer Verformbarkeit zu.

Die Bedeutung wird durch die Zahl von über 2000 lieferbaren Stahlsorten deutlich. Es gibt Sorten für gegensätzliche Anforderungen, z. B. für

• Konstruktionen und Werkzeuge,
• warm-/kaltgewalzte Profile und Gussteile,
• extrem tiefe und hohe Temperaturen.

Entscheidend dafür sind die Möglichkeiten der Eigenschaftsänderung durch z. B. Normalglühen, Härten und Vergüten.

Ausgangsstoffe für die Stahlerzeugung sind:

• Roheisen aus dem Hochofenprozess,
• Neuschrott aus dem Kreislauf der Stahlgewinnung (z. B. Steiger, Endstücke),
• Altschrott aus dem Abriss von Industrieanlagen und dem Recycling.

Im EKD ist Roheisen (Tab. 4.1) im eutektischen Bereich zu finden, Stahl dagegen in der Stahlecke. Aus Tab. 4.1 ergibt sich die Aufgabenstellung bei der Stahlerzeugung aus Roheisen:

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

5. Wärmebehandlung der Stähle

Zusammenfassung

Die in diesem Abschnitt behandelten Verfahren sind Teil einer Fertigungshauptgruppe mit der Bezeichnung Stoffeigenschaft Ändern, deren Verfahren sich auf alle metallischen Werkstoffe beziehen. Die hier beschriebenen Verfahren bilden eine Verfahrenshauptgruppe (DIN 8580/03).

Schwerpunkt ist die Wärmebehandlung der Stähle, die nach DIN EN 10052/93 Begriffe der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen genormt ist. Die zugehörigen Verfahren ändern die Eigenschaften von Halbzeugen, Werkzeugen oder Bauteilen zielgerichtet.

Form und Abmessungen sollen sich dabei nicht ändern (mit Ausnahmen), also kein Verzug von Bauteilen auftreten.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

6. Eisen-Gusswerkstoffe

Zusammenfassung

Eisen-Gusswerkstoffe sind durch die Steigerung der Festigkeit und Qualität auch für die Serienfertigung hochbeanspruchter Teile eingeführt, weil sie oft wirtschaftlichere Lösungen bieten als Schmiede- oder Schweißkonstruktionen.

Die Entwicklung verlief auf mehreren Ebenen:

• Metallurgische Verfahren mit verbesserten Öfen, Verfahren und Messtechnik ergeben höhere Treffsicherheit der Schmelzanalysen (konstante Qualität).
• Formtechnik mit Feinguss und verlorenen Modellen führte zu hoher Oberflächengüte und engeren Toleranzen sowie größerer Freiheit in der Gestaltung.
• Gießtechnik mit besserer Kenntnis des Einströmens der Schmelze, der Formfüllung mithilfe der Anschnitt- und Speisergestaltung ergibt Gussteile ohne Lunker und Porositäten (Qualitätssicherung, Nullfehlerproduktion).

Die Verbesserungen der Werkstoff- und Fertigungstechnik des Gusseisens haben dazu geführt, dass die verschiedenen Eisen-Gusswerkstoffe ihr Eigenschaftsprofil den Knetwerkstoffen (Stahl) genähert und zum Teil angeglichen haben, besonders hinsichtlich der Duktilität (Bruchdehnung A, Abb. 6.1).

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

7. Nichteisenmetalle

Zusammenfassung

In Tab. 7.1 sind die Anteile der wichtigsten Metalle angegeben, die in der Erdhülle enthalten sind. Aluminium ist das häufigste.

Trotz seines häufigen Auftretens hat Al nicht die Bedeutung des Eisens erlangt. Die Gründe dafür sind:

• Al ist in vielen nicht abbauwürdigen Erden und Gesteinen enthalten.
• Al benötigt zur Herstellung aus den Rohstoffen viel elektrische Energie, die erst im Jahre 1880 (Werner v. Siemens) erzeugt werden konnte, während Eisen und seine Herstellung schon im Altertum bekannt war.
• Al ist nicht härtbar wie Stahl, es scheidet als Werkstoff für höher beanspruchte Bauteile (z. B. Werkzeuge) aus.
• Bedingt durch seine niedrige Schmelztemperatur hat Al einen niedrigeren E-Modul als Eisen (Steifigkeit).

Die anderen Nicht-Eisen-Metalle, kurz NE-Metalle, sind wesentlich seltener. Sie können wirtschaftlich nur gewonnen werden, weil sie vielfach in Erzgängen, Erznestern oder Schichtablagerungen konzentriert anstehen.

Meist sind mehrere Metallverbindungen miteinander verwachsen, ihre Trennung ist umständlich und teuer. Die Erzeugung beträgt nur einen Bruchteil der Eisen- und Stahlproduktion.

So erklärt sich der z. T. hohe Preis. Der Einsatz der NE-Metalle und ihrer Legierungen ist deshalb auf solche Fälle beschränkt, bei denen ihre besonderen Eigenschaften gegenüber Stahl benötigt werden (Tab. 7.2).

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

8. Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

Zusammenfassung

In diesem Abschnitt sind Werkstoffe behandelt, die nicht zu den Metallen oder Polymeren zählen. Ihre Rohstoffe sind anorganisch (also basierend nicht auf Kohlenwasserstoffen) und bestehen oft aus Gemischen chemischer Verbindungen von Metallen der ersten drei Gruppen des PSE und Verbindungen des Siliziums, das in der Erdrinde mit ca. 25 % enthalten ist. Ihre Struktur basiert auf kovalenten Bindungen, in der Regel mit ionischen Bindungsanteilen. Zu den nichtmetallisch-anorganische Werkstoffen zählen eine Reihe von Werkstoffgruppen (Tab. 8.1):

Die Stoffe werden in vielen Technikbereichen genutzt, Tab. 8.2 gibt einen Überblick.

Dieses Kapitel beschränkt sich auf die Stoffe, die durch ihr Eigenschaftsprofil als Ingenieur-Keramik für Bauteile im Maschinenbau und in der Feinwerktechnik verwendet werden können.

Keramik gehört zu den ältesten Werkstoffen der Menschheit. Sie waren Naturstoffe mit ortsabhängiger Zusammensetzung.

Durch Verwendung reinerer Ausgangsstoffe wurden diese Produkte für die moderne Technik verwendbar, wie z. B. Porzellan als Isolator für die Elektrotechnik.

Neue Stoffe und Verfahren haben technische Keramik für den Maschinenbau interessant gemacht. Sie besitzen eine Kombination von Härte, Verschleißwiderstand und Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen, die selbst Ni-Basis-Superlegierungen nicht aufweisen.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

9. Kunststoffe (Polymere)

Zusammenfassung

Kunststoffe sind gegenüber Metallen und Keramiken junge Werkstoffe, die in kaum 100 Jahren seit ihrer Entdeckung viele Anwendungsbereiche erobert haben. Die Zahl der Sorten und Mischungen untereinander oder mit Zusätzen entstand aus den Anforderungen der Anwender.

Aufgrund ihres Eigenschaftsprofils haben sie viele klassische Werkstoffe ersetzt. Beispiele hierfür sind z. B. Fensterprofile, als Ersatz für Holzfensterrahmen, Anwendungen im Sanitärbereich als Ersatz für Keramik und emaillierte Metalle und auch Anwendungen im Automobilbau sowohl für Außenteile (Außenspiegelgehäuse, Stoßfänger) als auch im Innenbereich (Armaturentafeln, Griffe aller Art, Ansaugkrümmer im Motorenbereich) (s. Abb. 9.1). Ihre Vorzüge sind die Kombinationen aus Korrosionsbeständigkeit und geringer Dichte verbunden mit kostengünstiger Herstellung von Bauteilen mit großer Gestaltungsfreiheit.

Die Eigenschaften der Kunststoffe unterscheiden sich wesentlich von denen der Metalle. Dieses Kapitel geht zunächst auf die Eigenschaften ein, hier besteht anders als bei den Metallen sehr häufig eine Abhängigkeit von der Temperatur. Im Weiteren wird der Aufbau erklärt, um das Verhalten der Kunststoffe unter Temperatur- und Zeit abhängigen Lasten zu verstehen. Der Abschnitt über die chemischen Grundlagen der Kunststoffe gibt dem Anwender ein Verständnis, das auch die Grenzen und die Lebensdauer der Kunststoffe betrifft. Das Kapitel schießt ab mit einer Übersicht über sehr häufig eingesetzte Standardkunststoffe.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

10. Verbundstrukturen und Verbundwerkstoffe

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Verbundlösungen gibt es bei technischen Anwendungen schon seit geraumer Zeit. Dabei werden stets verschiedene Medien bzw. Werkstoffe zu einem Ganzen verknüpft. Grundgedanke dabei ist, durch Arbeitsteilung im Verbund:Dazu werden die Komponenten so ausgesucht und konstruktiv verbunden, dass jeder Stoff in seinen speziellen und für den vorliegenden Fall benötigten Eigenschaften beansprucht wird. Man unterscheidet je nach Fertigungsaufwand:

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

11. Werkstoffe besonderer Herstellung oder Eigenschaften

Zusammenfassung

Pulvermetallurgie (PM) ist nach DIN EN ISO 3252/00 ein Teilgebiet der Metallurgie, das sich mit der Herstellung von Metallpulvern und Bauteilen daraus befasst. Grundsätzlich müssen mindestens drei Fertigungsstufen durchlaufen werden:

• Pulvergewinnung
• Formgebung und Verdichtung
• Verfestigung durch Sintern.

PM gehört damit zu den Verfahren der Fertigungs-Hauptgruppe Urformen (Tab. 11.1). Das Verfahren wird auch für keramische Stoffe und Verbundwerkstoffe angewandt.

Teile größerer Masse sind durch PM technisch und aus Kostengründen nicht herstellbar. Deswegen erzeugt die PM nur weniger als 1 Masse-% der Gießereiproduktion.

Pulvermetallurgische Werkstoffe können mit Eigenschaften ausgerüstet werden, die bei Guss-und Knetwerkstoffen nicht realisierbar sind, denn schmelzmetallurgisch hergestellte Legierungen erstarren nach den Gesetzen des jeweiligen Zustandsdiagramms. Die dabei entstehenden Gefüge sind gekennzeichnet durch (Tab. 11.2):

Beim Gusswerkstoff sind Grundeigenschaften meist durch die Analyse vorgegeben, evtl. im Einschmelzmaterial schon vorhanden. Brauchbare Werkstoffe entstehen nur bei bestimmten Analysen eines Stoffsystems.

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12. Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz

Zusammenfassung

Korrosion ist die chemisch-physikalische Reaktion eines metallischen Stoffes mit seiner Umgebung, die zu einer Eigenschaftsänderung führt, welche die Funktion eines metallischen Bauteiles oder des zugehörigen Systems beeinträchtigt.

Reaktionen des Metalls mit dem Umgebungsmedium, in dem das eigentliche Angriffsmittel enthalten ist, wandeln den Werkstoff in das Korrosionsprodukt (z. B. Rost) um. Es kann löslich, locker oder auch fest haftend sein.

Korrosion (lat. corrodere \(=\) zernagen) – z. B. das Rosten des Stahles – verursacht Schäden, die jährlich auf ca. 4 % des Bruttosozialproduktes geschätzt werden. Sie steht damit als Schadensursache gleichrangig neben dem Verschleiß. Korrosion und Korrosionsschutz haben deshalb große Bedeutung. Es wird durch eine große Anzahl von Normen und anderen technischen Regeln deutlich.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

13. Überlegungen zur Werkstoffauswahl

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Anforderungsprofil kann sein:

• Festigkeitsbeanspruchung: erzeugt innere Kräfte (Spannungen), sie führen zu Verformungen, evtl. zum Bruch.
• Korrosionsbeanspruchung: Reaktionen mit umgebenden Stoffen führen zu Rostbildung und ggf. Stoffverlust am Bauteil (Durchbrüche an Leitungen).
• Verschleißbeanspruchung: Reibung führt oft zu Verschleiß, das bedeutet Materialverlust an der Oberfläche.
• Thermische Beanspruchung: Abnahme der Festigkeit, evtl. Gefügeveränderung bei höheren Temperaturen, Wärmeausdehnung. Bei einigen Stoffen tritt bei tiefen Temperaturen eine Versprödung auf.

Diesen Anforderungen an das Bauteil muss der Werkstoff ohne Funktionsverlust widerstehen. Seine Eigenschaften ergeben zusammen sein Eigenschaftsprofil. Durch die Forderung nach einer Sicherheit gilt deshalb:

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14. Werkstoffprüfung

Zusammenfassung

Das Fachgebiet der Werkstoffprüfung ist sehr umfangreich. Alle Werkstoffe müssen immer wieder geprüft werden – neben den metallischen Werkstoffen auch Kunststoffe, Gläser, keramische Stoffe, Halbleiter und Verbundwerkstoffe. Hauptaufgaben der Werkstoffprüfung sind

• Sicherung der Qualität der Produkte in den Fertigungsgängen (Wareneingangs-, Produktionskontrolle)
• Untersuchung von Schäden in der Forschung
• Ermittlung von Kennwerten der Werkstoffeigenschaften zur Auswahl von Werkstoffen und Dimensionierung von Bauteilen in der Konstruktion
• Entwicklung geeigneter Prüfverfahren.

Die Prüfverfahren werden in unterschiedliche Gruppen eingeteilt (Tab. 14.1):

Im Rahmen des Buches werden nur die Prüfverfahren näher behandelt, die zum Verständnis des behandelten Lehrstoffs wichtig sind oder für den Arbeitsbereich des Technikers oder der Ingenieurin im Maschinenbau bedeutsam sein könnten (Qualitätssicherung). Das ist nur ein kleiner Ausschnitt der o. a. Untersuchungen:

• Prüfung von mechanischen Werkstoffkennwerten (Abnahme und Gütekontrolle),
• Prüfung von Verarbeitungseigenschaften,
• Gefügeuntersuchungen,
• Prüfung von Roh- und Fertigteilen auf Fehler (zerstörungsfreie Prüfung, ZfP)
• Chemische Analyse.

Wolfgang Weißbach, Michael Dahms, Christoph Jaroschek

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