Technologie der Werkstoffe

Unter dem Begriff „Werkstofftechnologie“ soll die Lehre von der Erzeugung der Werkstoffe und ihrer Verarbeitung zu Halb- und Fertigprodukten sowie wichtiger Behandlungsverfahren zum Erzielen bestimmter Eigenschaften verstanden werden. Man unterscheidet:

Abbildung 1.1 gibt einen schematischen Überblick über den Weg vom Rohstoff bis zum endbearbeiteten Bauteil und damit über die verschiedenen Teilgebiete der Werkstofftechnologie.

Jede einzelne Maßnahme im technologischen Verfahrensablauf ist für die Merkmale und Eigenschaften des Endproduktes von Bedeutung. Seine Qualität wird schon durch die ersten Verfahrensschritte wesentlich mitbestimmt. Jeder weitere Verfahrensschritt muss so ausgeführt werden, dass er die Eigenschaften des Endproduktes günstig beeinflusst.

Das Aufarbeiten und Verarbeiten von Altmaterial (Schrott, Werkstoffrecycling) ist, wie in Abschn. 5.5 und Kap. 7 ausgeführt, seit jeher üblich in der Werkstofftechnologie. Seine wirtschaftliche Bedeutung hat stark zugenommen.

Beschrieben wird in knapper Darstellung der Aufbau konventioneller metallischer Werkstoffe mit ihren verschiedenartigen regelmäßigen Atomanordnungen in kleinen Bereichen, den Kristalliten oder Körnern, die mit variabler Größe, Gestalt und Ausrichtung das Gefüge eines Metalls ausmachen, wobei sowohl die Atomanordnungen innerhalb der Kristallite als auch die spezielle Gefügestruktur für seine Eigenschaften von Bedeutung sind. Kenntnisse darüber und über die ebenfalls skizzierten Vorgänge, die in atomaren Bereichen ablaufen können, sind eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit oder Verformbarkeit und für die Auswirkungen, die technologische Prozesse, wie zum Beispiel Wärmebehandlungen, auf dasWerkstoffverhalten ausüben können.

Es wird ein Überblick über wichtige Werkstoffeigenschaften und über zerstörende und zerstörungsfreie Methoden zur Ermittlung dieser Eigenschaften gegeben. Hervorgehoben sind die im Zugersuch ermittelbaren Eigenschaften, die Härte und Zähigkeit sowie das besondereWerkstoffverhalten bei zyklisch wiederholten, schwingenden Beanspruchungen unter Einschluss der starken Gestaltabhängigkeit bzw. des Kerbeinflusses. Auch das Werkstoffverhalten bei langdauernder Beanspruchung unter erhöhter Temperatur wird besprochen. Mit allen Prüfmethoden lassen sich typische, klar definierte Werkstoffkennwerte wie z. B. Zugfestigkeit, Härte oder Kerbschlagzähigkeit ermitteln.

Lernziel ist es zu erfassen, welche Werkstoffkennwerte für die vergleichende Bewertung der in Kapitel 5 beschriebenenWerkstoffe undWerkstoffzustände je nach Beanspruchungsfall nützlich und wichtig sind, und dass sich nur unter Einhaltung der angegebenen Prüfnormen verlässlicheKennwerte gewinnen lassen. Es soll erkannt werden, dass z. B. für die Berechnung des erforderlichen Querschnittes eines mit einer bestimmten Last beanspruchten Bauteils solche verlässlichen Kennwerte unverzichtbar sind.

Das Kapitel behandelt verschiedene Methoden, mit denen durch Veränderungen im Aufbau metallischerWerkstoffe deren Eigenschaften verbessert werden. Lernziel ist es, das je nach Werkstoff und Beanspruchungsfall bestgeeignete Verfahren zur Optimierung derWerkstoffeigenschaften auswählen zu können.

Für die Methode des Legierens ist eine Betrachtung der Vorgänge beim Erstarren und weiteren Abkühlen mehrkomponentiger Metallschmelzen anhand von Zustandsdiagrammen nötig. Diese geben an welche Kristallitarten sich dabei je nach Temperatur und Legierungszusammensetzung bilden können. Anhand einfacher Legierungssysteme sind mögliche Fälle unterschiedlicher Zustandsdiagramme aufgeführt. Eine zweite Maßnahme zum Erzielen günstiger Eigenschaften sind Wärmebehandlungen von Stahl. Für ihr Verständnis wichtig sind Kenntnisse der für Stahl und Gusseisen zuständigen Eisen-Kohlenstoff-Diagramme.Wärmebehandlungen mit vollkommenerDurchwärmung, wie das Härten und Vergüten, zielen auf günstige Kombinationen von Festigkeit und Verformbarkeit ab. Dem gegenübergestellt werden die andersartigen Ziele der Randschichtbehandlungsverfahren Einsatzhärten,Nitrieren und Induktionshärten. Das fürAluminiumlegierungen wichtige Kaltverformen ist als dritte möglicheMethode aufgeführt. Beispiele für geeignete Bauteile undWerkstoffe sind jeweils genannt.

In dieser technologieorientierten Darstellung werden die zur Eigenschaftsverbesserung ausgenutzten Mechanismen (Mischkristall-, Versetzungs-, Korngrenzen-, Teilchenverfestigung) nicht explizit angesprochen.

Aufgeführt sind zunächst die Normen anhand derer verschiedenartige Stähle, Gusseisensorten und Nichteisen-Metalle durch Kurzzeichen benannt und unterschieden werden. Es ist im Detail erläutert, welche Hinweise auf Gebrauchseigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten den kennzeichnenden Kurzzeichen zu entnehmen sind.

Im Folgenden sind die wichtigsten Stahlsorten in einer Reihenfolge nach verschiedenen Anwendungszwecken jeweils unter Angabe des entscheidend wichtigen Kohlenstoffgehalts und wichtiger Kennwerte in ihrer Unterschiedlichkeit beschrieben. Bei den daraufhin genannten Gusseisensorten stellen die den Anwendungszweck bestimmenden Gefügezustände das Ordnungsprinzip dar. Den Abschnitten Nichteisen- und Schwermetalle sind jeweils kurze Angaben zu ihrer Herstellung vorangestellt ehe die einzelnen, zum Teil durchWärmebehandlungen in ihren Eigenschaften stark veränderbaren Sorten beschrieben und Anwendungen aufgezeigt werden.

Ziel ist es, den Leser in die Lage zu versetzen, bei vorgegebenem Anforderungskatalog für ein Bauteil geeignete metallischeWerkstoffe oderWerkstoffzustände auszuwählen, deren Einsatzmöglichkeit dann noch anhand der Ver- und Bearbeitungsmöglichkeiten geprüft werden muss.

Hinweisen auf Naturstoffe folgen Angaben zur Herstellung von synthetischen Stoffen auf nichtmetallisch-anorganischer Basis, den keramische Werkstoffen. Ausführungen zu den typischen Eigenschaften verschiedener Sorten zeigen die speziellen Einsatzgebiete wieHochtemperatur-, Verschleiß-, Temperaturwechsel- oder korrosive Beanspruchungen oder alsWärmedämmschichten, bei denen sie metallischenWerkstoffen überlegen sind.

Bei den Polymerwerkstoffen wird neben den Herstellungsverfahren Polymerisation, Polykondensation, Polyaddition der typischeAufbau auf organischer Basis beschrieben, beideminden linearenoder ringförmigenKetten vonKohlenstoff- undWasserstoffatomen andere Atomarten, z. B. Chlor oder Fluor, eingebaut sein können. Im Zusammenhang mit den verschiedenen Bindungskräften innerhalb und zwischen Molekülketten werden Unterschiede im temperaturabhängigen Formänderungs- und Festigkeitsverhalten amorpher und teilkristalliner Thermoplaste und Duroplaste erläutert. Die Beschreibung der Vielzahl verschiedener Kunststoffsorten nennt typische Erzeugnisformen und Anwendungsfälle und für die mit Glas- oder Kohlenstofffasern verstärkten Verbunde ihre hohen Festigkeitswerte. Lehrziel ist Verständnis der durch den spezifischen Aufbau bedingten, speziellen Eigenschaften der Kunststoffe und damit ihrer besondere Anwendungsmöglichkeiten. Die Auswahl bestimmter Kunststoffsorten für Bauteile muss den starken Temperatureinfluss auf ihre Eigenschaften berücksichtigen.

Die Herstellung von Stahl erfolgt in einem zweistufigen Prozess, bei dem die Reduktion von Erzen mit Hilfe von Koks zunächst zu Roheisen mit ungünstig hohem Kohlenstoffgehalt führt und dann ein Frischverfahren zur Verringerung des Kohlenstoffgehaltes angeschlossen wird. Nur durch Absenkung der Kohlenstoffgehalte unter 2,06% beim Frischen lassen sich die besonders vorteilhaften Festigkeits-, Verformungs- und Verarbeitungseigenschaften der Stähle erreichen. Eine alternative Methode zu den verschiedenen Frischverfahren ist die Stahlerzeugung im Elektroofen, bei der beim Einschmelzen von Schrott die Reaktion von Eisenoxiden mit dem Kohlenstoff des Bades zu einer gewissen Entkohlung führt. Die Erzeugung höchstwertiger Stahlqualitäten erfordert als Sekundärmetallurgie bezeichnete Zusatzmaßnahmen, bei denen sich z. B. durch Entgasen von Stahlschmelzen im Vakuum besonders niedrige Sauerstoff oder Schwefelgehallte ergeben. Schließlich erfolgt das Vergießen des Stahls entweder als Blockguss in Kokillen oder heute vielfach im Stranggussverfahren, mit dem sehr wirtschaftlich Brammen oder Knüppel erzeugt werden.

Lernziel bei diesem Kapitel ist das Verständnis der chemischen Vorgänge bei der Roheisen- und Stahlerzeugung und der Bedeutung aller Maßnahmen für die Beschaffenheit von Stahlprodukten.

Die Abb. 8.1 enthält ein Ordnungssystem für die Fertigungsverfahren in Anlehnung an DIN 8580:03. Diese systematische Einordnung aller Verfahren, die Umformverfahren detailliert nach den Kraftrichtungen unterteilt, dient einer allgemeinen Übersicht. Die Darstellung der verschiedenen Fertigungsverfahren in den folgenden Abschnitten Warmformgebung, Kaltformgebung, Gießereitechnik, Pulvermetallurgie und Sprühkompaktieren, Beschichten von Stahl sowie Fügetechnik richtet sich stark nach der jeweiligen praktischen Bedeutung und erfolgt beim Umformen verfahrens- und produktorientiert für Schmiedeteile, Grob- oder Feinbleche, Profile, nahtlose, geschweißte und Präzisions-Stahlrohre sowie Stangen und Drähte [7.1, 8.1–8.23]. Die Ausführungen und Angaben der folgenden Kapitel gelten vielfach allgemein für metallische Werkstoffe der technischen Praxis. Der besonderen Bedeutung der Stähle entsprechend wird häufig speziell auf deren Verarbeitung eingegangen. Im Hinblick auf Besonderheiten bei der Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen sei auf [5.25, 5.26] verwiesen.

Nach Erläuterung des Werkstoffverhaltens bei der Warmformgebung wird das Schmieden mit seinen Varianten als Verfahren vorgestellt, das endkonturnahe Produkte ermöglicht. Das Warmwalzen von Stählen erzeugt dagegen weiter zu verarbeitende Halbzeuge. Der Beschreibung der Herstellung nahtloser Rohre folgt diejenige geschweißter Rohre sowie als Massivumformverfahren das Strangpressen für Stahl- oder NE-Metallprodukte. Kaltformgebungsverfahren (Biegen, Tief-, Streckziehen, Drücken) bringen vielfach Bleche in eine gewünschte Endform oder stellen aus Vorprodukten, z. B. durch Ziehvorgänge (Draht-, Präzisionsrohrziehen), Endprodukte her.DurchMassivumformen beim Fließpressen werden zylindrische Voll- oder Hohlkörper erzeugt [7.1,8.1–8.23].

Die Eigenschaften von Bauteilen aus Polymerwerkstoffen hängen stark vom jeweiligen Herstellungsverfahren ab. Damit kommt den Beschreibungen der einzelnen Verfahren für die Thermo- und Duroplastproduktion besondere Bedeutung zu. Das mit aufgeführte Schweißen und Kleben von Kunststoffen erfolgt in einer vom Vorgehen bei Metallen recht unterschiedlichen Weise.