Metallische Werkstoffe - Seminare

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Unter metallischen Werkstoffen versteht man reine Metalle und deren Legierungen wie Stahl, Gusseisen, Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Nickel und Zink. Generell zeichnen sich diese Werkstoffe aus durch eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit aus. Daneben zählen die hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie eine geringe Stoßempfindlichkeit zu den Vorzügen. Außerdem sind sie temperaturresistent. Daher eignen sie sich auch für den Einsatz bei hoher Belastung etwa bei Strukturelementen oder lastbeaufschlagten Konstruktionsteilen, wobei sich die gewünschten Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzzweck durch Legierungen mit anderen Elementen einstellen lassen. Der Einsatz von reinen Metallen ist daher eher selten.

Für die Umformung von metallischen Werkstoffen aus ihrem Rohzustand in die gewünschte Bauteilform gibt es eine Vielzahl von Techniken. Sie werden als Schmelze in Formen gegossen. Die Verbindung untereinander wird durch Schweißen, Weichlöten, Hartlöten und Bonden bewerkstelligt. Die Verformung erfolgt durch Schmieden, Ziehen, Walzen, Pressen und Biegen unter hohem Druck. Metalle oder Metalllegierungen können aber auch aus Pulver verpresst und spanabhebend bearbeitet werden.

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Unter metallischen Werkstoffen versteht man reine Metalle und deren Legierungen wie Stahl, Gusseisen, Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Nickel und Zink. Generell zeichnen sich diese Werkstoffe aus durch eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit aus. Daneben zählen die hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie eine geringe Stoßempfindlichkeit zu den Vorzügen. Außerdem sind sie temperaturresistent. Daher eignen sie sich auch für den Einsatz bei hoher Belastung etwa bei Strukturelementen oder lastbeaufschlagten Konstruktionsteilen, wobei sich die gewünschten Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzzweck durch Legierungen mit anderen Elementen einstellen lassen. Der Einsatz von reinen Metallen ist daher eher selten.

Für die Umformung von metallischen Werkstoffen aus ihrem Rohzustand in die gewünschte Bauteilform gibt es eine Vielzahl von Techniken. Sie werden als Schmelze in Formen gegossen. Die Verbindung untereinander wird durch Schweißen, Weichlöten, Hartlöten und Bonden bewerkstelligt. Die Verformung erfolgt durch Schmieden, Ziehen, Walzen, Pressen und Biegen unter hohem Druck. Metalle oder Metalllegierungen können aber auch aus Pulver verpresst und spanabhebend bearbeitet werden.

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Eisenwerkstoffe

Sehr zahlreich sind Legierungen auf Eisenbasis mit einem enorm weitgespreizten Einsatzbereich. Sowohl durch die Art der Wärmebehandlung als auch die Zugabe von Legierungselementen sowie durch Kombinationen aus diesen Maßnahmen lässt sich beinahe jede gewünschte Eigenschaft für technische Anwendungen bis hin zum Hochtemperatureinsatz erzielen. Allein mit dem wichtigsten Legierungselement Kohlenstoff ist die Härtbarkeit und die Festigkeit der Stähle über weite Bereiche einstellbar. Die anderen Legierungselemente (Al, Cu, Ni, Ti, W, Cr, Mn, Nb, Si, V, Zr, Co, Mo, Bor) unterscheiden sich stark in ihrer Wirkung, weil sie im Gefüge an verschiedenen Standorten eingelagert sind und weil sich die Wirkungsweisen zusätzlich in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt verändern. Außerdem gibt es Wechselwirkungen mit weiteren Legierungselementen, die in Kombination zu ganz neuen Eigenschaften führen können. So sind weit über 2000 Stahlsorten für alle möglichen Zwecke auf dem Markt erhältlich, regelmäßig kommen neue Entwicklungen dazu.

Die Gliederung der verschiedenen Stahlsorten erfolgt gemäß DIN EN 10020 nach dem Gehalt an Legierungselementen in die drei Klassen:

Unlegierte Stähle – Nichtrostende Stähle – Andere legierte Stähle.

Man unterscheidet dann noch zwischen den Qualitätsstählen und den Edelstählen, wobei der Reinheitsgrad ausschlaggebend ist, in die unlegiertenQualitätsstähle, die nicht den Kriterien für Edelstähle genügen, und in die unlegierten Edelstähle, die durch aufwändigere Metallurgie zu einem höheren Reinheitsgrad gebracht werden. Sie zeichnen sich durch einen besonders niedrigen Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen aus.

Die Gruppe der nichtrostenden Stähle wird unterteilt einerseits nach dem Ni-Gehalt (kleiner bzw. größer als 2,5 %) und andererseits nach den Haupteigenschaften bzw. deren Verhalten Warmfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Nichtrostende Stähle enthalten im Allgemeinen mindestens 10,5 % Chrom und höchstens 1,2 % Kohlenstoff. Höhere Chromgehalte und Legierungszusätze wie Nickel, Molybdän, Titan oder Niob erhöhen die Korrosionsbeständigkeit.

In der Gruppe der anderen legierten Stähle finden sich die legierten Qualitätsstähle und die legierten Edelstähle. Sie entsprechen nicht der Definition der nichtrostenden Stähle und unterscheiden sich voneinander durch die chemische Zusammensetzung, also durch den Gehalt an Legierungselementen, der bei den Qualitätsstählen niedriger ist. Daraus ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften, so besitzen die Qualitätsstähle beispielsweise in der Regel keine Eignung zum Vergüten oder Oberflächenhärten.

 

Nichteisenmetalle

In Anwendungsbereichen, in denen es auf ein niedriges Gewicht von Bauteilen ankommt wie etwa im Flugzeug- und zunehmend auch im Fahrzeugbau, kommen die Nichteisenmetalle (NE-Metalle) Aluminium, Magnesium und Titan zum Zuge. Nickel, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Silber usw. zählen auch zu den Nichteisenmetallen, haben aber andere Eigenschaften, die sie für besondere Einsatzzwecke prädestinieren, wie etwa besondere Gleiteigenschaften (Blei, Zinn, Kupfer), Leitfähigkeit (Silber, Kupfer) oder niedriger Schmelzpunkt (Blei, Zink).

Die Besonderheit der Werkstoffe Aluminium, Magnesium und Titan liegt also in ihrer niedrigen Dichte und damit niedrigem Gewicht. Außer Aluminium, das in der Erdrinde von allen Metallen am häufigsten vorkommt, sind die anderen NE-Metalle wesentlich seltener und sind nur mit größerem Aufwand zu gewinnen, wodurch sich die höheren Preise erklären lassen. Der Einsatz von solchen Werkstoffen kommt deshalb nur dann infrage, wenn besondere Eigenschaften gefordert sind, die von Stählen nicht geboten werden können.

Titan beispielsweise ist zusammen mit seinen Legierungen ein noch recht junger Werkstoff. Da Titan zunächst fast ausschließlich in der Luftfahrt Verwendung fand, gilt es auch heute immer noch als exklusiv und teuer. Dabei dringt dieser Werkstoff wegen hervorragenden Eigenschaften wie

  • Hohe Festigkeit bei niedriger Dichte
  • Hervorragende Korrosionsbeständigkeit
  • Niedriger Elastizitätsmodul
  • Sehr gute Biokompatibilität
  • Gutes Dekorvermögen
  • Gute Verarbeitbarkeit
  • Große Verfügbarkeit

in immer größere Anwendungsbereiche vor. Zwar wird immer noch der größte Anteil in der Luft- und Raumfahrt verwendet, aber Anwendungen im Chemieanlagenbau, Maschinenbau, Automobilbau, Medizintechnik, Architektur und Sport, um nur einige zu nennen, kommen ohne Titan mittlerweile nicht mehr aus. Je nach Anforderungsprofil des fertigen Bauteils wird der Werkstoff in den Modifikationen α, α+β und β eingesetzt. Diese Modifikationen werden durch spezielle Legierungselemente erreicht, die ein sehr unterschiedliches Verhalten z. B. in Zusammenhang mit der Warm- und Kaltfestigkeit, Umformung und chemischer Beständigkeit aufweisen. Viele Anwendungen werden durch die Oberflächeneigenschaften des Titans beeinflusst (Korrosion, Dauerfestigkeit, Tribologie, Dekorfähigkeit etc.), die sich vor allem im Kontakt mit anderen Werkstoffen positiv aber auch negativ bemerkbar machen können. Die Fügetechniken Titan/Titan oder Titan mit anderen Werkstoffen sind für viele Bauteile von großer Wichtigkeit1.


1Dr.-Ing Heinz Sibum, Titan-Anwenderseminar, Haus der Technik in Kooperation mit EMPA-Akademie, Dübendorf (Schweiz), 2011

Eisenwerkstoffe Sehr zahlreich sind Legierungen auf Eisenbasis mit einem enorm weitgespreizten Einsatzbereich. Sowohl durch die Art der Wärmebehandlung als auch die Zugabe von... mehr erfahren »
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Eisenwerkstoffe

Sehr zahlreich sind Legierungen auf Eisenbasis mit einem enorm weitgespreizten Einsatzbereich. Sowohl durch die Art der Wärmebehandlung als auch die Zugabe von Legierungselementen sowie durch Kombinationen aus diesen Maßnahmen lässt sich beinahe jede gewünschte Eigenschaft für technische Anwendungen bis hin zum Hochtemperatureinsatz erzielen. Allein mit dem wichtigsten Legierungselement Kohlenstoff ist die Härtbarkeit und die Festigkeit der Stähle über weite Bereiche einstellbar. Die anderen Legierungselemente (Al, Cu, Ni, Ti, W, Cr, Mn, Nb, Si, V, Zr, Co, Mo, Bor) unterscheiden sich stark in ihrer Wirkung, weil sie im Gefüge an verschiedenen Standorten eingelagert sind und weil sich die Wirkungsweisen zusätzlich in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt verändern. Außerdem gibt es Wechselwirkungen mit weiteren Legierungselementen, die in Kombination zu ganz neuen Eigenschaften führen können. So sind weit über 2000 Stahlsorten für alle möglichen Zwecke auf dem Markt erhältlich, regelmäßig kommen neue Entwicklungen dazu.

Die Gliederung der verschiedenen Stahlsorten erfolgt gemäß DIN EN 10020 nach dem Gehalt an Legierungselementen in die drei Klassen:

Unlegierte Stähle – Nichtrostende Stähle – Andere legierte Stähle.

Man unterscheidet dann noch zwischen den Qualitätsstählen und den Edelstählen, wobei der Reinheitsgrad ausschlaggebend ist, in die unlegiertenQualitätsstähle, die nicht den Kriterien für Edelstähle genügen, und in die unlegierten Edelstähle, die durch aufwändigere Metallurgie zu einem höheren Reinheitsgrad gebracht werden. Sie zeichnen sich durch einen besonders niedrigen Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen aus.

Die Gruppe der nichtrostenden Stähle wird unterteilt einerseits nach dem Ni-Gehalt (kleiner bzw. größer als 2,5 %) und andererseits nach den Haupteigenschaften bzw. deren Verhalten Warmfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Nichtrostende Stähle enthalten im Allgemeinen mindestens 10,5 % Chrom und höchstens 1,2 % Kohlenstoff. Höhere Chromgehalte und Legierungszusätze wie Nickel, Molybdän, Titan oder Niob erhöhen die Korrosionsbeständigkeit.

In der Gruppe der anderen legierten Stähle finden sich die legierten Qualitätsstähle und die legierten Edelstähle. Sie entsprechen nicht der Definition der nichtrostenden Stähle und unterscheiden sich voneinander durch die chemische Zusammensetzung, also durch den Gehalt an Legierungselementen, der bei den Qualitätsstählen niedriger ist. Daraus ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften, so besitzen die Qualitätsstähle beispielsweise in der Regel keine Eignung zum Vergüten oder Oberflächenhärten.

 

Nichteisenmetalle

In Anwendungsbereichen, in denen es auf ein niedriges Gewicht von Bauteilen ankommt wie etwa im Flugzeug- und zunehmend auch im Fahrzeugbau, kommen die Nichteisenmetalle (NE-Metalle) Aluminium, Magnesium und Titan zum Zuge. Nickel, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Silber usw. zählen auch zu den Nichteisenmetallen, haben aber andere Eigenschaften, die sie für besondere Einsatzzwecke prädestinieren, wie etwa besondere Gleiteigenschaften (Blei, Zinn, Kupfer), Leitfähigkeit (Silber, Kupfer) oder niedriger Schmelzpunkt (Blei, Zink).

Die Besonderheit der Werkstoffe Aluminium, Magnesium und Titan liegt also in ihrer niedrigen Dichte und damit niedrigem Gewicht. Außer Aluminium, das in der Erdrinde von allen Metallen am häufigsten vorkommt, sind die anderen NE-Metalle wesentlich seltener und sind nur mit größerem Aufwand zu gewinnen, wodurch sich die höheren Preise erklären lassen. Der Einsatz von solchen Werkstoffen kommt deshalb nur dann infrage, wenn besondere Eigenschaften gefordert sind, die von Stählen nicht geboten werden können.

Titan beispielsweise ist zusammen mit seinen Legierungen ein noch recht junger Werkstoff. Da Titan zunächst fast ausschließlich in der Luftfahrt Verwendung fand, gilt es auch heute immer noch als exklusiv und teuer. Dabei dringt dieser Werkstoff wegen hervorragenden Eigenschaften wie

  • Hohe Festigkeit bei niedriger Dichte
  • Hervorragende Korrosionsbeständigkeit
  • Niedriger Elastizitätsmodul
  • Sehr gute Biokompatibilität
  • Gutes Dekorvermögen
  • Gute Verarbeitbarkeit
  • Große Verfügbarkeit

in immer größere Anwendungsbereiche vor. Zwar wird immer noch der größte Anteil in der Luft- und Raumfahrt verwendet, aber Anwendungen im Chemieanlagenbau, Maschinenbau, Automobilbau, Medizintechnik, Architektur und Sport, um nur einige zu nennen, kommen ohne Titan mittlerweile nicht mehr aus. Je nach Anforderungsprofil des fertigen Bauteils wird der Werkstoff in den Modifikationen α, α+β und β eingesetzt. Diese Modifikationen werden durch spezielle Legierungselemente erreicht, die ein sehr unterschiedliches Verhalten z. B. in Zusammenhang mit der Warm- und Kaltfestigkeit, Umformung und chemischer Beständigkeit aufweisen. Viele Anwendungen werden durch die Oberflächeneigenschaften des Titans beeinflusst (Korrosion, Dauerfestigkeit, Tribologie, Dekorfähigkeit etc.), die sich vor allem im Kontakt mit anderen Werkstoffen positiv aber auch negativ bemerkbar machen können. Die Fügetechniken Titan/Titan oder Titan mit anderen Werkstoffen sind für viele Bauteile von großer Wichtigkeit1.


1Dr.-Ing Heinz Sibum, Titan-Anwenderseminar, Haus der Technik in Kooperation mit EMPA-Akademie, Dübendorf (Schweiz), 2011

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