Welche Aussagen über Alu-Gusslegierung ist wahr / welche ist falsch
Welche Gitterstruktur hat reines Kupfer
kfz
gut umformbar
2.Welche herausragenden physikalischen Eigenschaften hat Kupfer?
Elektr. Leitfähigkeit:
ElektrischeLeitfähigkeit abhängig vom Reinheitsgrad:
lösliche Elemente besonders schädlich
z.B. P, Fe, Co
Welchen Einfluss hat die Kaltverformung von Kupfer auf die Bruchdehnung?
Die Bruchdehnung nimmt ab!
Welchen Einfluss hat die Kaltverformung von Kupfer auf die Zugfestigkeit?
Die Zugfestigkeit nimmt zu!
Welchen Einfluss hat die Kaltverformung von Kupfer auf die Härte?
Die Härte nimmt bis zu einem gesättigten Zustand zu!
Warum sollte man zum Schmelzschweißen nur O-freies Cuverwenden?
Problem:
Wasserstoffkrankheit durch H-Aufnahme aus Schweißgasen.
H2+ Cu2O → 2Cu + H2O
Wasserdampf auf Primärkorngrenzen führt zu Werkstofftrennungen (Versprödung)!
Durch welche Elemente werden Kupfer-Legierungen mischkristallverfestigt?
Wie heißen die Legierungen in Abhängigkeit von den Legierungselementen (Bitte je Leg.-Element oder Gruppe von Elementen einen Namen angeben)?
Erläutern Sie den Unterschied zwischen Messing und Rotguss?
Was ist der Unterschied zwischen Silber und Neusilber?
Welche Gitterstruktur hat α-bzw. β-Messing bei Raumtemperatur?
α -Messing= <37 % Zn
Bei T=20°C als Mischkristall (MK) kfz
β-Messing= >37 % Zn
Bei T=20°C als MK krz
13. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Bronze.
< 1 % Sn: hartgezogene Drähte für Freileitungen
•5 -8% Sn:kaltverfestigt für Relaisfedern
1. Welche Gitterstruktur hat reines Nickel?
Kubisch flächenzentriert (kfz):
2. Welche herausragenden physikalischenEigenschaften haben Nickel bzw. Ni-Legierungen?
3. Welchen Einfluss hat der zunehmende Nickelgehalt einer Legierung auf die Dehngrenze?
Die Dehngrenze nimmt zu !
4. Durch welche Elemente gegen äußere und innere Oxidation wird Nihochtemperaturkorrosionsbeständig?
5. Wo werden Ni-Basis Superlegierungen eingesetzt? Welche
Verfestigungsmechanismen nutzt man bei diesen Legierungen?
7. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Ni-Cu-Legierungen.
Wärmetauscher
•Kondensatoren in Kraftwerken, Schiffen
•Chemische Industrie
•Glühbirnen
•Brillengestelle
•Schmuck
1. Welche Gitterstruktur hat Kobalt?
α-Cobalt Hexagonal-dichteste Packung (hdp):
Bei Raumtemperatur ist Kobalt hexagonal-dichtest gepackt (hdp) oder kfz-hdpgemischt
Bei hohen Temperaturen (ca. 450 °C):
β-Cobalt Kubisch flächenzentriert (kfz)
2. Welche herausragenden Eigenschaften haben Co-Cr-Mo-Legierungen?
Hohe Härte
•Hohe Elastizität
•Herausragende Korrosionsbeständigkeit
•Gute Löteigenschaften
•biokompatibel
3. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Co-Basis-Legierungen.
Auftragschweißungenfür Panzerungen
•künstliche Hüftimplantate
•Co als Binderphase für WC-Co Verbundwerkstoffe
1. Durch welche Eigenschaften zeichnen sich NE-Metallegegenüber Keramikenaus?
2. Durch welche physikalischen Eigenschaften zeichnen sich Keramikengegenüber polymerenWerkstoffen aus?
3. In welche Gruppen lassen sich Keramiken hinsichtlich ihrer Zusammensetzung einteilen?
Silikatkeramik(Tonkeramik)
•Oxidkeramik
•Nicht-Oxidkeramik
4. Geben Sie zwei Beispiele für Silikat-Keramiken? Wo werden diese eingesetzt?
Steinzeug:Abwasserrohre, säurefeste Ausmauerung
•Steingut:Wandfliese, Sanitärware
•Porzellan, Steatit:Geschirr, Isolatoren
5. Geben Sie zwei Beispiele für Oxidkeramiken? Welche hat die höchste Bruchzähigkeit?
6. Geben Sie zwei Beispiele für Oxidkeramiken? Wo werden diese jeweils beispielsweise eingesetzt?
7. Geben Sie zwei Beispiele für Nichtoxid-Keramiken? Wo werden diese jeweils beispielsweise eingesetzt?
8. Wofür wird SiCund wo SiSiCeingesetzt?
Nicht-Oxidkeramik –SiC:
Siliziumkarbide
SiC: Schleifmittel
SiSiC: Hochtemperaturanwendungen, z.B. Rohre, Brennhilfsmittel
SiSiC= Si-infiltriertes SiC
Durch Modifikation des Sinter-Prozesses, kann ein dichteres und festeres SiCMaterial erstellt werden (sehr geringe Restporosität).
9. Geben Sie zwei Beispiele für C-Keramiken an? Wo werden diese eingesetzt?
C-Keramik: Graphit (hdp)
Elektroden für Lichtbogenöfen
Kontaktwerkstoff für Schleifkontakte
C-Keramik: Diamant (kfz)
Schneidwerkstoffin metallischen/organischen Werkstoffen gebundene Kristalle
Trenn-, Schleifmittellose Kristalle
Beschichtung: Diamond Like Carbon (DLC)
10. Nennen Sie die eigenschaftsbestimmenden chemischen Bindungen bei Graphit und bei Diamant.
Eigenschaften: Graphit (hdp)
Valenzelektronenbindung
Van der Waals Bindung
Eigenschaften: Diamant (kfz)
Kovalente Bindung
11. Skizzieren Sie das Spannung-Dehnung Diagramm von einer Keramik, einem Metall und einem Elastomerund geben Sie eine kurze Begründung für das Spannung-Dehnungverhaltenim elastischen Bereich.
12. Welche Keramik hat eine Gitterstruktur, die der von kubischem Bornitrid ähnelt?
Wo wird Borkarbid und wo kubisches Bornitrid eingesetzt?
Diamant
Bornitride in Nicht-Oxidkeramik BN
Schleifmittel, Schneidplatten (cBN)
Borkarbide in Nicht-Oxidkeramik B4C:
Sandstrahldüsen
Welche Gitterstruktur hat reines Aluminium?
Welche herausragenden physikalischen Eigenschaften hat Aluminium?
Welche Gruppe von Aluminiumlegierungen ist umformbar / nicht umformbar ?
Knetlegierungen sind umformbar
Gusslegierungen sind nicht umformba
Wie kann man bei nicht aushärtbaren Al-Legierungen die Festigkeit steigern?
Kaltverfestigung •
Mischkristallhärtung z.B. durch Mg, Zn
• Korngrenzenverfestigung
Nennen Sie Legierungselemente bei Al-Knetlegierungen für Mischkristall- bzw. Ausscheidungsverfestigung?
Al-Knetlegierung, Mischkristallverfestigung durch: Mg, Zn
Al-Knetlegierung, Ausscheidungsverfestigung durch: Cu, Si & Mg (Mg2Si - Ausscheidungen)
Warum sind Aluminium-Magnesium-Legierungen nicht aushärtbar?
Prinzipiell möglich, jedoch nur mäßige Festigkeitssteigerung
Al3Mg2 scheidet sich bevorzugt an Korngrenzen aus → Versprödung →Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit
Nennen Sie die Verfahrensschritte, die für den Vorgang der Ausscheidungshärtung bei Aluminiumlegierungen notwendig sind ? Erläutern Sie, was bei den jeweiligen Verfahrensschritten der Ausscheidungshärtung im Gefüge passiert.
Lösungsglühen
Legierung so hoch erwärmen, das alle Elemente in Lösung gehen → Homogener Mischkristall
Abschrecken
Durch schnelles Abschrecken wird die Diffusion bzw. die Bildung von Ausscheidungenverhindert → Übersättigter Mischkristall
3. Warmauslagern
Geringere Beweglichkeit der Elemente
Bildung von Ausscheidungen
Skizzieren Sie die Härte als Funktion der Glühzeit bei der Ausscheidungshärtung für zwei verschiedene Auslagerungstemperaturen und erläutern Sie die Unterschiede in den Bereichen
Mit welchem Legierungselement werden Al-Gusslegierungen in gängigen kommerziellen Legierungen mischkristall- und mit welchem ausscheidungsverfestigt?
Ausscheidungsverfestigt: Cu, Si Mischkristallverfestigt: Mg
Welche Gießverfahren sind bei Aluminium-Gusslegierungen möglich?
Sandguss Kokillenguss Druckguss
Welche Al-Si-Legierung ist besonders geeignet zum Gießen?
Alle eutektischen Legierungen (Schmelzpunkt möglichst gering halten;
geringerer Energieeinsatz!)
Wie ist die Schweißeignung der verschieden Aluminium-Gusslegierungen?
Nennen Sie Anwendungsbeispiele für reines Aluminium / Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen:
2 Bedingungen für strategische Metalle
Strategisch deshalb, weil sie für die Förderländer oder die verarbeitenden Länder eine besondere wirtschaftliche und damit politische Bedeutung haben
Was ist Wasserstoffkrankheit und wie ensteht diese?
--> weil Wasserstoff beim schweißvorgang beim Schutzgas mit dabei ist
Oben haben wir gesagt bei Feuerrafination extra Wasserstoff hinzugeben da es mit
dem Kupferoxiden reagiert und aufspalteltet dabei war aber der Kupferwerkstoff
flüssig; im festen Zustand jedoch nicht gut da es Wasserdampf entstehen Poren
(=Wasserstoffkrankheit) --> extreme Versprödung und ist nicht mehr brauchbar und
nicht umkehrbar
Welche Gitterstruktur hat Cu-Zn Legierung bei >37% Zn und <37% Zn
<37 % ist kfz; >37% ist krz
Skizziere die Härte als Funktion der Glühzeit bei der Ausscheidungshärtung für 2 verschiedene Auslagerungstemperaturen und erläuter die Unterschiede in den Bereichen
irgendwas mit Messing Fragestellung zum Tiefziehen welche Gitterstruktur und wie
die Gitterstruktur zusammenhängt dass man Tiefziehen kann
alpha Phase ist kfz also duktil und gut verformbar
Welches Metall verwendet man wenn man hohe Härte und Dehnbarkeit haben will
Titan
Keramisch Werkstoffe welche Aussage falsch
hohe Temperatur
Druckbelastung
hohe Härte
Antwort: Druckbelastung
Nickel Superlegierung welche Wärmebehandlungen vorallem
Mischkritallverfestigung und Ausscheidungsverfestigung
Alternative Antwort war auch nur Mischkristallverfestigung (ist aber falsch
weil sind mehrere Verfahren)
Welche Elemente für Ausscheidungsverfahren
Warum reines Kupfer gut umformbar ist
weil es kfz ist also duktil und gut umformbar
Durch welchen technologisches Verfahren kann man Alu wieder enthärten
Wie kann man Alu wieder rückwirkend nicht verfestigen oder so in die Richtung
Kaltverfestigung rückgängig machen
Diamant und Borcabide wozu zugehörig
Nichtoxidkeramik, Karbide
Wieso manche Alu Legierungen korrosionsbeständig sind und manche nicht
2 Werkstoffe strategische Metalle
Indium, Molybdän, Galium
Zukunftstechnologien strategische Metalle
Scandium —> Elektrolyse und für Wasserstoff Technologie
Platin —> Rechenzentren
Welche Legierungselemente stabilisieren die aplha Phase von Titan
Wärmebehandlung spielen bei metallischen Legierungen eine wichtige Rolle. Worauf muss bei der Wärmebehandlung von Titan bzw. deren Legierungen besonders geachtet werden
Welches der folgenden Metalle besitzt bei der Raumtemp. 20 Grad eine kfz Gitterstruktur
Al
Mg
Fe
Keines
Welches der folgenden Metalle bildet bei Raumtemperatur und normaler Umgebungsluft einen fest haftenden dichten Passivfilm
Wofür werden Magnesiumlegierungen unter anderen eingesetzt?
Der Reinheitsgrad spielt eine große Rolle bei der eltrischen Leitfähigkeit von Kupfer. Welche der folgenden Elemente sind im Kupfer unlöslich und habeb somit kaum einen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit
Cd, Fe
O,Pb, Te
P,Ni
Keine der o.a
Warum sollte Geschir auss unlegiertem und unbeschichteten Kupfer nicht werden werden
Welche Aussage ist über die Verknüpfungsverfahren von Monoeren richtig?
Bei werlchen chemischen Herstellungsverfahren für Polymere werden niedermolekulare Stoffe wie zb HCI Abgespaltet?
Welche Elemente bilden typischerweise die Hauptbestandteile von Polymeren
Si, H
C,H
SI,S
Keines der o.a
Welche der im Folgenden genannten Keramiken wird mit Gitterstrukturen ähnlich derjenigen des Graphits oder des Diamanten eingesetzt
Was ist mit der spezifischen Festigkeit eines Werkstoffes genannten
· Das Verhältnis von Duktilität und Härte
· Das Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit
· Der Anstieg der Härte bei Kaltverfestigung
· Keine der voran genannten Antworten
Keine
Richtig ist Dehngrenze / Dichte
1. Eine Aluminium-Kupfer Legierung (Al-Cu) soll ausgehärtet werden. Dabei soll die maximale Härte des Materials erreicht werden.
a) Nenne die Verfahrensschritte, die für den Vorgang der Ausscheidungshärtung notwendig sind und gehen Sie dabei auch auf die mikrostrukturellen Vorgänge ein.
+
b) Skizzieren und beschriften Sie die Verfahrensschritte im Diagramm
1. Lösungsglühen: Legierung so hoch erwärmen, dass alle Elemente in Lösung gehen. Homogenes Mischkritall
2. Abschrecken: Durch schnelles Abschrecken wird die Diffusion bzw. die Bildung von Ausscheidungen verhindert. Übersättigter Mischkristall
3. Warmauslagern: Geringere Beweglichkeit der Elemente. Bldung von Ausscheidungen
Welche Gittterstruktur hat alpha Titan und welches beta titan?
alpha Titan = hdp
beta Titan = krz
Wie kann der Anteil von beta Titan in der hcohfesten Titanlegierung Ti-64-4V erhöht werden? (2 Möglichkeiten)
Durch hinzulegieren von Vanadium
Durch eine Wärmebehandlung >882°
1. Welches der folgenden Metalle bietet sich für den Einsatz als sog. Opferanode (z.B. an Schiffen) an und wird in der Praxis auch hierfür verwendet?
Ti
Bezeichnungssystem -Alu Legierungen
Wofür werden Co Legierungen eingesetzt
Wofür werden No Baisis Superlegierungen eingesetzt
Welche Verfestigungsmechanismen werden bei Ni Superlegierugnen genutzt
Was versteht man unter der Glasübergangstemperatur bei Kunststoffen
Welche Kunststoffe werden ausschließlich unterhalb der Glastemperatur eingesetzt+Nenne 3 Bsp. eines solchen Kunststoffes und jeweils eine passende Anwendung
Die mechanische Eigenschaften von Cu-Zn Legierungen sind stark abhängig vin Zn Gehalt
Welche Gitterstruktur haben Cu-Zn Legierungen mit <37% und mit >37 %
Welche Legierungen eignet sich für eine spanlose Formgebung wie zb dem Tiefziehen
Gitterstruktur Alu
Verarbeitungseigenschaft Alu
gut warm und kaltumformbar
Spezifische Festigkeit Aussagen
· Mit höherfestem Werkstoff kann man dünnwandiger bauen (spart Gewicht)
· Spezifische Festigkeit als Maß für Eignung eines Werkstoffes zum Leichtbau
Eigenschaften Alu
· Schmelztemp. Von Alu bei 660 also kann man diese Werkstoffe nicht bei hohen Temp. Einsetzen – hat Auswirkungen auf die Festigkeit wenn die Temp. Bei 300 Grad ist fällt diese (in Relation zur Schmelztemp.) – bei teifen Temp. ist Alu gut geeignet
· E-Modul (=Steigung Hookschen Gerade im E Versuch) niedrig --> Alu reagiert elastisch
· Alu ist weich da Zugfestigkeit bei 30...180 liegt
· Dichte halb so viel wie Stahl also halb so viel Gewicht wie Stahl
· Gitterstrukur (kfz) kubisch flächenzentriert --> 12 Gleitsysteme, definierte Gleitrichtung daraus folgt:
· Gute Duktulität, gute plastische Verformbarkeit
· Verarbeitungseigenschaften: gut kalt- und warmumformbar daraus folgt:
Geeignet für die umformende Verarbeitungsverfahren
Unlegiertes Alu - Reinheitsgrad
· 99,98 steht für den Reihnheitsgrad; Rest sind Verunreinigung
· je größer die Zahl ist desto reiner das Alu
Anwendung unlegiertes Alu
· macht sich zu Nutze dass es so gut umformbar ist
· daher Bauteile mit komplizierten Querschnitten, dünnwandige Bauteile durch Umformverfahren wie Extrusion
· Reinstalu für Folien, Refletoren
· Hüttenalu / Primäralu (Reinstalu mit mehr Verunreinigungen) für Fernsterrahmen, Profilem Rohrleitungen
· Sekundäralu (Schrott) für Gebrauchsgegenstände
· dünnwandige Extrusionsbauteile möglich aufgrund der niedrigen Festigkeit (Wärmetauscher) da hohe Wärmeleitfähigkeit + korrosionsbeständig + große Oberfläche)
Unlegiertes Alu Festigkeitssteigerung
· unlegiergtes Alu sehr sehr weich also geringe Festigkeit
· wenn die geringe Festigkeit nicht ausreicht kann man noch kaltverfestigen --> steigert die Festigkeit; jedoch sinkt die Zähigkeit (Bruchdehnung)
· steigt die Festigkeit sinkt die Zähigkeit --> wird spröde (beim kaltverfestigen)
· Bruchdehnung als Maß der Duktilität (dehnbarkeit)
· Aussage Diagramm: bei steigender Festigkeit sinkt die Bruchdehnung bei Kaltverfestigung: Folge es versprödet
Eloxieren - unlegiertes Alu
· Behandlung um Reinstalu (geht auch mit Alulegierungen) an der Oberfläche zu härten, inneres bleibt jedoch weich
· besser mit Reinstalu da durchgängie Schicht mit Legierungen können Verunreiniungen im Werkstoff sein wobei die Oxidationsschicht nicht durchgängig ist
· es wird eine künstliche Oxidschicht die gut haftet
· Färbung möglich
· gleichmäßige dichte Schicht
Vorgehen Eloxieren
· Werkstoff kommt in ein Eloktrolythen --> Spannung angelegt --> künstliche Schicht wird angeregt dicker als osnt
· Oxidschicht beinhaltet Porenschicht --> erzeugt durch die Zugabe von Strom
· da drin sind Schlauchporen für den Materialaustausch --> diese speichern die Farbe und durch Wärmebehandlung werden die Poren verschlossen
· das Aluminiumoxid ist dann sehr hart durch die gewachsene Oxidschicht
Alu Legierungen Unterteilung
· Gusslegierung (werden gegossen und im Gusszustand eingesetzt)
· Knetlegierung (werden umgeformt nach dem Gießen um in Buateilform gebracht zu werden)
Gusslegierungen - wichtiges Legierungselement
· ist Selicium (wie bei Eisen Gusslegierungen) --> dadurch wird die Schmelztemp. gesenkt
· Silicium ist bei Raumtemp. nicht in Alu löslich --> bildet harte Phase
· nur im flüssigen Zustand sind beide Stoffe löslich (oberhalb Eutektikum)
· Si ist härter als Alu --> also weiche Matrix mit harten Anteil von Silicium --> daher die besonderen Eigenschaften der Gusslegierung
Alu häufigste Legierungselemente
Mangan (Mn), Silicium (Si), Zink (Zn), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu)
Alu Legierungselemente - Unterscheidung Knetwerkstoffe
Aufbau und Bedeutung Oxidschicht
· bei Luft überzeiht blankes Alu mit dünner Schutzschicht - passiverite Oberfläche; Korrosionsverhalten von Alu wird über Wirkung der verschiedenen Einflussfakotren auf doe Beständigkeit der Oxidschicht bestimmt
· daher sehr korrosionsbeständig
· Oxidschicht besteht aus 2 Schichten:
porenfreie Sperrschicht ind wasserhaltigen porösen Deckschicht
· Die Oxide von Legierungselementen und Gefügebestandteile werden in die Oxidschicht mit eingebaut --> beeinflussen mechanische, chemische und elektrochemische Verhalten
· Schlussfolgerung:
· Alu besitzt immer eine schützende Oxidschicht
· Zusammensetzung, Dicke, elekt. Widerstand der Oxidschicht sind abhängig von der Legierungszusammensetzung und Herstellungsprozess des Halbzeugs
· für definierte Oberflächenzusammensetzung ist immer eine mechanische, chemische oder elektrochemische Oberflächenvorbehandlung erforderlich
Unterschied nichtaushärtbare und aushärtbare Legierungen
· aushärtbaren Legierungen: man kann Ausscheidungen bilden über Wärmebehanldungen die die Festigkeit erhöhen
· nichtaushärtbaren Legierungen bilden keine Ausscheidungen und der Verfestigungs- Aushärtemechanismen (verantwortlich für Festigkeitseigenschaften)
Bezeichnungssystem Alu Legierungen
· erste Zahl steht für Hauptlegierungselement
· · also diese 4-stellige Nummer 1xxx steht für die chemische Zusammensetzung
· für KL muss man nicht wissen für was welche Zahl steht sondern nur wissen wenn da Zahlen an der Werkstoffbeschreibung dran steht dass es für den Verarbeitungs- udn Wärmebehandlungszustand
Aushärtbare Legierungen Bezeichnungssystem
· T1- T9 geben Infos über Verformung, Wärmebehandlung und Auslagerungen
Gusslegierungen Bezeichnungssystem
· für KL wissen: Alugusslegierung, KT6 gibt Wärmebehandlungszustand und Gussart ist; 42100 chemische Zusammensetzung des Wetkstoffes beschreibt; erste Zahl Hauptlegierungselement
Magnesium Eigenschaften
leicht * geringe Steifigkeit (E-Modul...)
* geringe Temperaturbeständigkeit
* niedrige Wärmeleitfähigkeit
niedrige Festigkeit
spröde
· Leichtestes Leichtmetall das man für Strukturwerkstoff verwenden kann
· Zusätzlich noch Leichtmetall Alu-Legierung und Titan Legierung
· Titan hat davon die höchste Dichte dann Alu-Legierungen und dann Mg-Legierugnen
·
· Festigkeit bevor das Metarial in die plastische Verformung geht bei Mg-Legierungen am niedrigsten
· Titan Legierungen sind am teurersten , dann Mg-Legierungen (ca 5euro /kg und am billigsten Alu
· Dichte bei 1,74 g/cm^3 (vergleichsweise niedrig)
· E-modul bei 45.000 N/mm^2- niedrig also keine gute Steifigkeit
· Bis zu 160 N/mm^2 Zugfestigkeit also geringe Festigkeit
· Bruchdehnung bei 1-12 % also sehr spröde
· Geringe Temp. Beständigkeit wegen geringen Schmelzpunktes
· Für Mg und Mg Legierungen relativ stark korrosionsanfällig
Leichtmetalle Dichte
· Leichtmetalle Dichte unter <5 g/cm^3
Gitterstruktur Mg
hdp
warum Mg bei Raumtemp. Schlecht umformbar sind und was man dagegen tun kann
weil bei geringer Temp. Gleitrichtung entlang der Versalebene und parallel sind; dagegen kann man die Temp. Erhöhen und verformung weiter antreiben dann besser umformbar da dann das Gleitsystem Pyramidalgleitung Typ 2 außerhalb der Basaleben ist
schlecht umformbar
— stark anisotrope Verformung
Mg Zwillingsbildung
· Mg Legierungen neigen dazu Zwillinge zu bilden (also nicht normale Verformung durch Versetzungen
Anwendungen Mg Legierungen
Strukturelle Motorbestandteile
Fahrwerkskomponenten
Implantete aus Mg --> hier Vorteil löst sich auf im Körper nach ner Zeit
Problem bei der Auflösung entstehen Gase die das Gewebe belasten
Vor und Nachteile Werkstoffe für Laptop Gehäuse
o Aluminiumlegierungen Kunststoffe (mit und ohne Faserverstärkung) Magnesiumlegierungen
+ hohe Festigkeit und gute Steifigkeit (gut gegen Verziehen)
+ leicht zu verarbeiten, Gehäuseschalen können aus einem Teil gefräst werden
+ duktil (reißt/bricht nicht so leicht)
+ Eloxieren der Oberfläche erlaubt harte, resistente Oberflächen in verschiedenen Farben
- hohe Wärmeleitung erschwert Kontrolle der Wärmeverteilung im Laptop
- Duktilität: Gehäuse kann Dellen bilden, wenn man es irgendwo anschlägt
+ ohne Faserverstärkung kostengünstig und leicht zu verarbeiten
+ Faserverstärkung erhöht Festigkeit
+ geringe Wärmeleitung angenehm beim Anfassen
+ sehr leicht
- geringe Festigkeit ohne Faserverstärkung (reißt/bricht leicht z.B. beim Fallenlassen des Laptops)
- mit Faserverstärkung: teuer
- mit Fasern: kann auch leicht Brechen/Reißen, wenn Aufprall aus ungünstiger Richtung kommt (Ecke…)
- geringe Härte leichtes Zerkratzen
+ weniger duktil und etwas steifer als Al-Legierungen (weniger anfällig für Kratzer und Dellen)
+ kann oft etwas dünner ausgelegt werden als Al-Legierung
+ leichter als Al-Legierungen
+ Wärmeleitfähigkeit geringer als Al-Legierung (aber höher als Kunststoff…)
- schwerer als Kunststoff
- anfälliger für Brüche/Risse als Al-Legierung, wegen geringerer Duktilität
- deutlich teurer als Al-Legierungen
· Gehört noch zu Leichtmetallen (schwerer als Alu und Mg)
· Nah an der Grenze zu Schwermetallen ca. Bei 4,5g/cm^3 (ab 5g/cm^3 ist kein Leichtmetall mehr)
· Nicht härter als Stahl
· Jedoch manche Titanlegierung gleiche Festigkeit wie Stahl jedoch deutlich leichter aufgrund der Dichte --> deshalb gut geeignet für Leichtbau (jedoch sehr teuer)
· Spezfische Festigkeit (Festigkeit/Dichte) = wieviel Festigkeit bekommt man für kg an Masse
· Also Titan schwerstes Leichtmetall auch mit der der höchsten Festigkeit
· E-Modul bei 110 eher mittel --> Maß für Steifigkeit also wieviel gitbt der Werkstoff nach wenn man ihn elastisch verformt
· Schmelztemp. Bei 1670 recht hoch im Vergleich
· Geringe Wärmeleitfähigkeit (erschwert Werkstoffverarbeitung z.B. bei spanender Verarbeitung)
Schwermetalle
Dichte >5g/cm^3
Titan Gitterstruktur
bei 20 Grad alpha Phase - hdp
>882 beta Phase - krz
· Verschieden Gitterstrukturen heiß auch Allotropie oder auch allotrope Umwandlung
· Hexagonal ist nicht gut kaltumformbar; generell nicht gut umformbar (weil man wenige unabhängige Gleitsysteme haben)
· Krz ist jedoch bei temperaturerhöhung gut warmumformbar
Titan und Sauerstoff
· hohe Löslichkeit für Sauerstoff
o Bis zu 14% Masseanteil Sauerstoff als Legierungselement
o Sauerstoff stabilisiert die alpha Phase --> Nachteil versprödet
o Mit Zunahme von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff steigt die Zugfestigkeit gleichzeitig nimmt die Versprödung zu (Bruchdehnung sinkt)
o Kann ausversehen bei hohen Temp. Passieren --> nicht gut
o Wärmebehandlung unter Schutzgas oder im Vakuum da sonst die Oberfläche sich mit Sauerstoff vollsaugt also nicht im normalen Ofen – gleiches beim schweißen (die schutzgasatmosphäre muss auch bei der Abkühlung der Schweißnaht aufgebracht werden
o Also Titan und Titanlegierungen immer vor der Umgebung schützen wenn man den Werkstoff erwärmt
o Weiteres Problem Oberflächen oxidieren leicht --> normalerweise kein Problem da die Oxidschicht den Werkstoff darunter schützt und wird korrosionsbeständig dadurch; jedoch sind die Späne und Schleifstaub entzündlich wegen des Sauerstoffs --> dagegenwirken mit Kühlschmierstoff
Legierungselemente Titan
· Durch Legierungselemente kann man ß Phase auf Raumtemp. Runterkühlen
· Alpha Phase Legierungselemente zum stabilisieren --> Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Aluminium (Al) -durch Alu Mischkristallverfestigung wird also fester
· Beta Phase stabilisieren Legerierungselemente bsp. - Vanadium (V), Molibdän (Mo, Eisen (Fe), Chrom (Cr), Niob (Nb) --> alles Schwermetalle also erhöhen Dichte und damit das Gewicht
· Wenn man nur Alu reinlegiert dann --> reine alpha Legierung damit erhält der Werkstoff bei Raumtemp. Nur alpha Phase (ist hexagonal dichte gepackt und deshalb spröde mit hohen Festigkeiten)
· Wenn man Stoffe von de 2. Gruppe (V, Cr, Mo, Fe oder Nb) hinzufügt dann --> Legierungen die fast nur aus a Phase bestehen und bisschen ß Phase (durch den ß Anteil erhält die Legierung eine bessere Duktilität=verformt sich stark plastisch bevor es bricht und erhält geringe Festigkeit)
· Alpha und ß Legierung also beide Phasen gleichverteilt man erhält die Eigenschaften von beiden Anteilen
· Fast nur Beta Legierung mit nur wenigen Anteil von a Legierung --> Eigenschaften duktil und weniger fest als alpha und ß Phasen; man muss viele Legeriungselemte hinzufügen da bei Raumtemp. Der Werkstoff lieber alpha Phase ist und man das stabiliseren muss
· Beta Legierung ohne alpha Anteil also krz--> gute Duktilität und Umformbarkeit also weicher
· Also alpha fest und spröde; beta weich und Duktil und besser umformbar
· Alpha Phase ist der natürliche Zustand bei Raumtemp.
· Beta Phase ist meist metastabil (nicht perfekt stabil da der Werkstoff in den alpha Zustand will) und kann durch Wärme teilweise kleine alpha Bereiche ausscheiden
Titan 64 (tiAl6V4) - a ß Legierung
· Gut korrosionsbeständig wie immer bei Titanlegierungen
· Biokompatibel (Zulassung) dadurch kann man auch Implantate draus machen
· Anwendung: Schmuck, Bohrgestänge, Rohre für ölförderung da hohe Temp. Gut verträglich
· Bei Temp. Geht die Festigkeit runter trotzdem relativ hoch
Kupfer
· Legieren mit Zinn (Sn) --> entsteht Bronze hat höhere Festigkeit und Härte bei guter Zähigkeit
· Cu hat gute elekt. Leitfähigkeit
· Anwendung bei elektrischen Leitungen, Windkraftanlagen (vor allem in 2035), Hochtemperatursupraleiter, Additive Fertigung (3D Drucker) - abhängig vom Reinheitsgrad
· Kupfer ist teuer dafür korrosionsbeständigkeit
· Schwermetall
Cu Legierungen
· Niedriglegiertes Kupfer ( max 5% Legierungselemente) --> Festigkeit gewinnen muss entgegengesetzt zu unlegierten Kupfer
· Zinnbonze (Cu+Sn) also Zinn
· Messing (Cu+Zink) also Zn
· Neusilber (Cu+Ni+Zn) --> Nickel in Kupfer führt zur Farbänderung
· Rotguss (Cu+Sn+Zn+Pb)
· CuAl-Bronze (Cu+Al)
· CuNi-Legierung (Cu+Ni)
· Kupferlegierungen verlieren immer an Farbe kommt immer auf Legierungselement an da Kupfer relativ rein ist
Anwendung unlegiertes Kupfer
· Wärmeleitfähigkeit und elekt. Leitfähigkeit proportional daher auch für Wärmetauscher
· Reines Kupfer ist weich und duktil mit niedriger Festigkeit perfekt für Umformverfahren um Drähte zu ziehen; --> Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung (Kaltverfestigung stört jedoch elektr. Leitfähigkeit da der Kristall gestört wird)
· Wenn man den Draht dünner macht mit Kaltverfstigung steigt die Festigkeit dafür sinkt die Bruchdehnung also spröder
Lässt sich rückgängig machen mit Rekristilation bei schon leicht erhöhten Temp
Kupfer & Sauerstoff
· Hoher Reinheitsgrad bedeutet wenig Sauerstoff
· Ein bisschen Sauerstoff ist nicht schlimm und hält sich in Grenzen bei der Leitfähigkeit
· Problem ist dass Sauerstoff nicht löslich in Kupfer ist es bilden sich Kupferoxide was schlecht für mechanische Eigenschaften sind vor allem bei schwingender Bewegung (bei Drähten)
· Zweites Problem sauerstoffhaltige Kupferwerkstoffe lassen sich nicht schweißen
Oben haben wir gesagt bei Feuerrafination extra Wasserstoff hinzugeben da es mit dem Kupferoxiden reagiert und aufspalteltet dabei war aber der Kupferwerkstoff flüssig; im festen Zustand jedoch nicht gut da es Wasserdampf entstehen Poren (=Wasserstoffkrankheit) --> extreme Versprödung und ist nicht mehr brauchbar und nicht umkehrbar – KL FRAGE SS22
· Also Sauerstoff für die elektrische Leitfähigkeit nicht schlimm jedoch Probleme bei mechanischer Beanspruchung und insbesondere wenn man den Werkstoff schweißen will
Zusammenfassunf unlegiertes Kupfer
· geringe Festigkeit
· hohe Wärme‐ / elektrische Leitfähigkeit
· bei Dauerbelastung (mechanisch) O‐freie Legierung verwenden
· zum Schweißen auch O‐frei (wegen hoher Wärmeleitfähigkeit muss sowieso sehr viel Energie aufgewendet werden)
· korrosionsbeständig in basischen und neutralen Medien --> Wasserleitungen, Braukessel (kann man aus unlegierten oder niedriglegierten Kupfer herstellen)
· nicht korrosionsbeständig bei Säuren (ungeeignet für Lebensmittel wie Säfte, Weine…) --> es entsteht giftiges Cu‐Acetat („Grünspan“) Cu(CH3COO)2 & H2O
· unter Witterungseinfluss (Dächer, Fassaden…) Bildung einer schützenden Patina --> Cu‐Carbonat mit C aus der Luft Cu2(OH)2CO
Kupfer Zink: Messing Legierung
Cu-Zn
· Kann einphasig sein also besteht nur aus alpha Mischkritall bis ca. 37% Zink kfz
· Mischkristallverfestigung durch Zink unter Beibehaltung guter Duktilität
· Bei höherem Zinkgehalt zusätzlich beta Mischkristall (krz) also >37 % KL FRAGE SS22
--> Weiterer Anstieg der Festigkeit aber deutlicher Verlust der Duktilität
· Alpha Messing gut geeignet für Bauteilfertigung durch Umformung
--> Max. Formänderungsvermögen bei ca 28% Zink bsp CuZn28 also hohe Bruchdehnung = hohe Duktilität also gut formbar nach den 28% sinkt die Bruchdehnung
--> Tiefziehen, strangpressen bsp. Für Hülsen für Lippenstifte oder Feuerzeuge
a+ß-Messing
° heterogenes Gefüge
° Anstieg von Härte, Abnahme der Duktilität
° gut geeignet für spanende
Bearbeitung durch kurze Späne
* noch verstärkt durch Zugabe von 1-2% Pb [%] N
Massenfertigung von
Drehteilen,Kugelschreiberspitzen
> Feinmechanikbauteile
Kupfer Nickel Zink (Neusilber) Cu-Ni-Zn
· 10-25% Nickel
· Nicht mehr rot sondern silber (nickel gehalt nimmt den rotton raus)
· Besser korrosionsbeständig als Messing und läuft nicht an
· Höhere Festigkeit als Messing
· Anwendung: Besteck, Feinmechanik, Reißzeuge
· Anfällig für Spannungsrisskorrosion bei Anwesenheit von Feuchtigkeit --> Spannungsarmglühen von umgeformten Bauteilen und Eigenspannungen zu entfernen
Zinnbronze: Cu-Sn (Kupfer Zinn)
· bis ca. 1,5% Sn Drähte für Telefonfreileitungen
· bis ca. 8% Sn Knetlegierungen (also umformen, schmieden)
· bis ca. 14% Sn Gusslegierungen
· großes Erstarrungsintervall verursacht inhomogene Verteilung der Legierungselemente (Seigerungen)
--> Bildung von spröder intermetallischer δ‐Phase (Cu31Sn8)
· oft ist noch Phosphor aus der Desoxidierung enthalten ( lokale Versprödung bei inhomogener Verteilung
· Wenn man einphasiger, weitgehend homogener Werkstoff (Bedingung für Duktilität!) haben will nur durch präzise Wärmebehandlung möglich
--> nur bis 6% Sn durch Glühen z.B. bei 650°C für 24h erreichbar
--> höhere Sn‐Gehalte haben geringe Duktilität
· Gusslegierungen bei höheren Anteil von Zinn was spröde ist:
· weitere Mischkristallverfestigung durch höheren Sn‐Gehalt
· max. Festigkeit & hinreichende Duktilität bei ca. 14% Sn
· Wärmebehandlung zur Beseitigung der spröden δ‐Phase notwendig à
--> Gussbauteile für den Maschinenbau (z.B. Zahnräder, Armaturen, Gleitlager)
· Gleitlager aus Gussbronze:
· heterogene Mikrostruktur gut für Gleit‐ und Verschleißeigenschaften (soll ruhig fester und spröder sein)
· Zusatz von Blei: weiche Blei‐Phase im Gefüge sorgt für „Selbstschmierung
· mit steigenden Zinn gehalt steigt die Zugfestigkeit und Dehnung; jedoch die elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sinkt
Weitere Cu Basis Legierungen
· Glockenbronze – Zinn‐Gussbronze mit ca. 20‐24% Sn
--> extrem spröde, daraus werden Glocken gegossen
· Rotguss – Zinn‐Gussbronze mit zusätzlich Zn und Pb
--> z.B. 10% Sn, 20% Zn für korrosionsbeständige Maschinenbauteile
· Cu‐Al Legierungen („Aluminiumbronze“) - Bronze auch nicht Zinn drin ist
--> Mischkristallverfestigung durch Al
--> Ausscheidungsverfestigung durch Fe und Ni
-->hohe Festigkeit bei hervorragender Korrosionsbeständigkeit ( Pumpenlaufräder, Schiffspropeller)
· Cu‐Ni Legierungen
–> typischerweise 8,5 bis 45% Ni Cu und Ni sind im Periodensystem Nachbarn und beide kfz
--> vollständige Mischbarkeit (Löslichkeit) also ein Mischkristall obwohl es 2 Stoff sind mit unterschiedlichen Eigenschaften und Farben
--> dadurch „stufenlos“ einstellbare Eigenschaften (Leitfähigkeit, Festigkeit, Korrosionsbest.)
--> Thermoelemente (Konstantan CuNi44) ü
--> Kondensatoren (Warmfestigkeit)
--> Meerwasserentsalzungsanlagen (Korrosionsbeständigkeit)
Reines Nickel - Eigenschaften
· Korrosionsbeständigkeit, vor allem gegen nicht oxidierende Säuren und Nasskorrosion, und auch noch bei hoher Temperatur (reines Nickel ist gut geeigent für aggresive Umgebungen bei hohen Temp.)
· sehr gute Kriechbeständigkeit bei hohen Einsatztemperaturen
-->werden in verschiedenen Legierungssystemen und auch unlegiert (als reines Nickel)
· kubisch‐flächenzentrierte (kfz) Gitterstruktur
--> dadurch hohe Duktilität also gut umformbar und weich, lässt sich aber auch gut kaltverfestigen aber nicht gute Festigkeit
In Deutschland häufigster Auslöser von Kontaktallergien, insbesondere gefährlich beim Einatmen von Pulver
· reines Nickel wird technisch nicht häufig genutzt
· Verwendung im Laborbetrieb (Tiegel, Greifzangen...) und im Apparatebau für Reaktoren in der chemischen Industrie --> wegen der guten korrosionsbeständigkeit und verformbarkeit
· Für große Bauteile wird oft billiger Stahl mit reinem Nickel beschichtet
· Ni ist bis 360°C ferromagnetisch, daher auch Anwendungen in marinen Echoloten oder Ultraschallgeneratoren (reines Nickel bei Raumtemp. ist magnetisch)
· Verarbeitungseigenschaften sind sehr ähnlich zu austenitischen (ebenfalls kfz) Stählen
· Ni hat hohe Affinitiät zu Schwefel. Dieser diffundiert aus der Umgebung (aus Verbrennungsgasen, Trennschmiermitteln...) entlang der Korngrenzen ins Bauteilinnere und bildet dort Nickelsulfid. Bei mechanischer Belastung, Verformung oder Korrosionsangriff führt dies zum Aufreißen der Korngrenzen
legiertes Nickel
· oft mit Mangan (Mn) legiert
· Steigerung der Festigkeit (Mischkristallverfestigung) von Zugabe Mangan ohne Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit
· Mangan schützt vor Schwefel; Affinität von Mn zu Schwefelàwie bei Stahl Bildung von Mangansulfiden, daher Entfernen des S von den Korngrenzen
· Mg kann den Job auch übernehmen
· zusätzlich 1 – 2% Si erhöht Beständigkeit gegen Verbrennungsgase weiter
--> Anwendung für Zündkerzenelektroden in Otto‐Motoren
Ni-Cu Legierung Kupfer Nickel (Monel)
· bei der Verhüttung (nickel und Kupfer) entsteht eine „natürliche“ Legierung mit ca. 70% Ni, 30% Cu und ein wenig Fe
--> hat bessere Korrosionsbeständigkeit gegen aggressive Säuren als reines Ni
--> wird heute gezielt hergestellt unter dem Namen „Monel“ – NiCu30Fe
· Zulegieren von Al erlaubt zusätzlich Ausscheidungsverfestigung (Ni3Al)
· Mit Zugabe von Nickel bei Kupfer setigt die Festigkeit da Nickel der schwere Metall ist
· Zulegieren von Si führt zu Gießbarkeit
--> Anwendungen in Wärmetauschern, Kondensatoren etc. in der Energieerzeugung, Seeschiffen, chemischen Industrie
Nickel Legierung Mischkristallverfestigung
· durch Cr (Chrom), Co(Cobalt, Mo (Molibdän),W (Wolfram)
· Ausscheidungsverfestigung durch Al, Ti
· Erhöhung der Schmelztemperatur der jeweiligen Legierung
--> höhere Warmfestigkeit
· Bildung dichter, festhaftender Oxidschichten (Passivschicht) durch Chrom (z.B. Cr2O3)
--> Verbesserung der Zunderbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit
--> also bei hohen Temp. chemisch beständig und so die Betriebsdauer der Bauteile erhöhen
Nickel Chrom Legierung (Nichrom)
· vollständige Löslichkeit von Cr in Ni bis zu 30% Cr
· bis zu 12% Cr führen zu Anstieg der Korrosionsrate im Vergleich zu reinem Ni --> das heißt wenn man Chrom hinzufügt sinkt die Korrosionsbeständigkeit da der Anteil zu wenig ist um die Schicht zu bilden --> jedoch gut bei Mischkristallverfestigung
· mehr als 15% Cr senken die Korrosionsrate sehr stark (also bessere korrosionsbeständigkeit)
· Cr führt zu Verlust der Duktilität
--> weit verbreitete Legierungen enthalten ca. 20% Cr: guter Kompromiss zwischen Korrosionsbeständigkeit (durch schützende Oxidschicht) und Duktilität
--> Anwendung als Heizelemente in industriellen Öfen bis ca. 1150°C
--> Legierungen mit ca. 60% Cr weisen hohe Härte und Bruchdehnung von nur ca. 1% auf
diese 60 & Chrom Legierungen haben Anwendung in korrosiver Umgebung bei hohen Temperaturen und mechanischem Verschleiß (z.B. Ventilsitzringe in Großdieselmotoren)
· also Chrom steigerung Festigkeit aber senken von Duktilität
Nickel Chrom Eisen (Inconel)
· diese Legierung mit Nickel Chrom und Eisen heißt Inconel
· Zulegieren von Fe senkt die Werkstoffkosten von Ni‐Cr‐Legierungen
· leichte Abnahme von Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit
· rangiert zwischen nichtrostenden Stählen und Ni‐Superlegierungen
· Anwendungen
Auslassventile in Verbrennungsmotoren
andere Bauteile von Motoren
Ofenkomponenten
Ni Superlegierungen
· --> Verbesserung der emch. Eigenschaften und höhere Temp.
· mehrstufige Wärmebehandlung bei diesen Superlegierungen für optimale Eigenschaften:
o a) Mischkristallverfestigung
o b) Ausscheidungsverfestigung
o c) zusätzliche inkohärente Ausscheidungen
o ‐ auf den Korngrenzen um deren Abgleiten zu verhindern (Kriechen!)
o ‐ im Korninneren als Partikelverstärkung
Legierungselemente Ni Superlegierungen
· für Klausur wichtig aus dieser Tabelle dass es viele Legierungselemente gibt die man miteinander nutzen kann was zur komplizierten Wärmebehandlung führt und schwer zu kontrollieren Eigenschaften führt die aber super sind wenn man es richtig macht
· und welche Arten der Werkstoffverfestigungen es geben kann bei Superlegierungen (also zb Mischkristallhärter)
Unterschied untermetallische Phase und Karbiden
· Unterschied intermetallische Phasen und Karbide
o besteht aus 2 oder mehreren Metallen; Intermetallische Phasen sind metallische Bindungen und ionische und kovalente Bindungen; haben eine georndete Struktur; hohe thermische und chemische Stabilität; spörde und geringe Leitfähigkeit
--> Geordnete Kristalle mit homogener Verteilung und festen Positionen der verschiedenen Elemente.
--> Geringe Plastizität, hohe thermische Stabilität.
--> Gut geeignet zur Verfestigung bei hohen Einsatztemperaturen.
o Unterschied zu normalen Legierung ist dass bei Legierungen keine geordnete Struktur ist
o Karbide: ionische und kovalente Bindungen; starke Bindungen, hart; spörde und stei, thermisch und chemisch stabil, gerine Leitfähigkeit
Kobalt Co - rein
· bei hohen Temperaturen kubisch‐flächenzentriert (kfz, wie Ni)
· Problem: bei Raumtemperatur hexagonal‐dichtestgepackt (hdp) oder kfz‐hdp gemischt
– weil die Stapelfehlerenergie ist gering und die kfz und hdp Gitterstrukturen sind ähnlich, daher oft gemischte Struktur
Anwendung Kobalt
Wendeschneidplatten
Co-Cr Legierung
· ist biokompatibel also wird auch. bei Hüfgelenken eingesetzt (Co-Cr Legierungen) - Superlegierungen anstatt Nickel mit kobalt
Keramische Werkstoffe
Keramische Werkstoffe werden in ihrer chemischen Struktur bezeichnet
Keramische Werkstoffe Zusammensetzung
C,N,O,Al,Si,Ge
Kriterien Keramik
o nicht metallisch
o anorganisch
o aus pulverförmigen Ausgangsmaterial durch Temperatureinwirkung ausgehärtet (gesintert)
Bindungsmechanismen - Keramische Werkstoffe
Atomordnung - Keramische Werkstoffe
o kritallin (regelmäßig)
o amporh (regellos) weniger Raumfüllung
o Pulverpartiekl > 100mikrometer sind Grobkeramik (nicht hohe Anforderungen an Eigenschaften)
o Pulverpartikel <100 mikrometer sind Feinkeramik
o Unterteilung abhängig vom chemischen Aufbau des Materials
o die Unterteilung nach Korngrößen ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung
Werkstoffgruppen Keramik
Keramische Werkstoffe vs Metalle
o Silikatkeramik: Überwiegend aus SiO2, i.d.R. ist der Anteil an SiO2 > 20 Gew.‐%
o Beispiele verschiedene Silikatkeramiken:
o Steatit (Magnesiumsilikate)- besteht aus natürlichen Ausgangsstoffen (aus Berg ausbuttelt), hauptsächlich Speckstein ...z.B. für elektronische Bauteile (Sicherungen...) oder in der Wärmetechnik
o Porzellan (Aluminiumsilikate, z.B. Al4[(OH)8|Si4O10] ) ...z.B. für Freileitungsisolatoren
o Unterschied Porzellan und Steatit ist das Porzellan Aluminum dabei hat
o mechanische Eigenschaftn:
zusammengefasst Steatit kann meher
o Eigenschaften
o gutes elektrisches Isoliervermögen
o gute chemische Beständigkeit
niedrige Sintertemperatur
o gute Verarbeitbarkeit / dünnwandige Bauteile möglich
o gute Verfügbarkeit / günstig
Fertigungskette Keramische Werkstoffe
Einflussfaktoren Eigenschaften keramische Bauteile
Silikatkeramik Bsp.
Steingut
o Steingut ...bestehen alle zu hohem Anteil aus Aluminiumoxid...
o Brennen < 1200°C
o porös, nimmt Wasser auf
o z.B. Bodenfliesen (Innenraum)
Steinzeug
o Brennen > 1200°C
o nicht/kaum porös
o z.B. Sanitärkeramik
Feinsteinzeug
o ...wie Steinzeug
o ...feiner gemahlen ...bessere Eigenschaften
Unterschied zu Porzellan:
· relativ grob und nicht für technische Anwendungen - Steingut
· nicht hohe mechanische Ansprüche
· Steingut unter 1200 Grad gebrannt
Oxidkeramik
o besteht aus Oxiden von Aluminium, Zirkonium, Magnesium, Beryllium, Thorium
Unterteilung Oxidkeramik
Aluminimoxid und Zirkonoxid ZrO2
Aluminiumoxid
auch „Korund“)
o häufigste Oxidkeramik
o Al2O3 Gehalt von 80% bis 99%
o Mischkeramik: Anteile von ZrO2 und TiC zur Steigerung von Härte und Biegefestigkeit
o Eigenschaften ändern sich mit Aluminiumanteil (je reiner desto bessere mechanische Eigenschaften):
o E-Modul, Biegefestigkeit, Wärmeleitung höher bei reines Alu-Oxid
o besondere Eigenschaften
o sehr hohe Härte ≈ 2100 HV
o hohe Temperaturbeständigkeit
o hohe Warmhärte
o hohe Biegefestigkeit
o korrosionsbeständig
o verschleißbeständig (deswegen oft in technischen Bauteilen)
o hohe Sintertemperaturen notwendig (hohe Energiekosten also teurer)
o Korngröße Unterscheidung nach feinkristallin und grobkristallin
o je feiner das Korn desto besser ist die Bruchzähigkeit
Anwendung Aluminiumoxid
o Anwendungsbereiche (hohe Härte und überall wo tribologische Beanspruchung ist also Verschleiß)
o Schneidstoff
o Fadenführung
o Gleitringdichtung
o Hochleistungszündkerze
o Medizintechnik: Hüftgelenksprothesen
Zirkonoxid
o hat mehrere Kristallstrukturen abhängig von Temp.
o Umwandlung beim Abkühlen:
o > 2000°C kubisch
o > 1000°C tetragonal
o RT monoklin
sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Wärmeausdehnung
o Hohe Volumenänderung würde zum Zerspringen des Bauteils führen!
Stabilisierung der tetragonalen oder kubischen Phase durch Zugabe von MgO, CaO, Y2O3 o.a.
o Problem der Volumenänderung von Raumtemp. und der hohen temp. führt dazu dass es zerspringen würde deswegen vernachlässigt man die monkline Phase indem man Elemente hinzufügt und die tetragonale und kubische Phase stabilisiert
o ob es tetragonal, kubisch oder gemischt diese Phasenzustände haben große Unterschiede auf die mechanischen Eigenschaften
Anwendung Zirkonoxid
o Anwendungsbereiche (wieder hohe Härte und verschleißbeständigkeit):
§ Ziehringe
§ Fadenführung
§ Strangpressmatritzen
§ Medizintechnik: ZrO2+ 5% Y2O3
aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit
Unterteilung
o elektrisch und wärmeleitfähig
o nitride = Verbindung mit Stickstoff (Siliziumnitrid, Sialon, Bornitrid)
o nicht elektrisch und nicht wärmleitfähig
Eigenschaften Nichtoxidkeramiken
· hohe Temperaturstabilität und behalten dabei ihre Festigkeit
· die 3 härtesten Werkstoffe sind Nichtoxidkeramiken wie Diamant, Bornitrid
Nichtoxidkeramiken - kovalente Bindungen
· hauptsächlich die kovalente Bindung (feste chemische Bidnung)
· geringe Sinterfähigkeit
o feste Elektronenpaarbindung löst sich bei hohen Temperaturen nicht/kaum, daher können auch kaum neue Bindungen entstehen
· Lösung von geringe Sinterfähigkeit zu beheben:
o es werden oft Hilfsmittel zugegeben, die die Pulverpartikel binden, z.B. durch Schmelzen, Diffusion oder chemische Reaktionen (Artfremde Mittel keine reine Keramik)
o hohe Prozessdrücke ermöglichen auch Sintern ohne fremde Stoffe ( z.B. durch Heißisostatisches Pressen)
Siliziumkarbid Sic - Nichtoxidkeramik
Si und Kohlenstoff da Karbid)
· Einsetzbar als Konstruktions‐ oder Funktionswerkstoff Eigenschaften stark abhängig von der Herstellungsmethode
· also Sic ist nicht gleich Sic sondern kommt extrem auf die Herstellungsmethode drauf an (also welche Art – artfremdgebundene oder arteigengebundene)
· besondere hervorhebende Eigenschaft von Sic merken: Sic hat extrem hohe Wärmeleitfähigkeit (vor allem gesintertet mit hoher Dichte Sic) also deutlich höher als bei Stahl
Anwendungsbereiche
— Schleifmittel, vor allemkonventionelles Schleifpapier
— Gleitlager
— Düsen
— im Verbund als ballistischer
Schutz
Besonderheiten Sic
isostatisches Pressen
· warum man nicht komplexe Bauteile fertigen kann
· warum es sehr teuer ist
Siliziumnitrid - Oxidkeramik
· ist eine Verbindung aus Si und Sticksoff
· Eigenschaften kommt wieder auf Herstellungsprozess an
· besonders hohe Zähigkeit und Biegefestigkeit (für eine Keramik...)
· Problem mit Siliziumnitrid: zersetzt sich ab ca. 1700°C wieder (nicht für sehr hohe Temperaturen geeignet
· für mechanisch hochebeanspruchte Siliziumnitrid einer Siliziumkarbid vorziehen
· Hier wird reines Si‐ Pulver gepresst und unter erhöhter Temperatur mit N2‐Gas beaufschlagt
· Si wird nitriert, erst dabei wird Si2N4 daraus
· besonders hohe Zähigkeit und Biegefestigkeit (für eine Keramik)
· zersetzt sich ab ca. 1700°C wieder (nicht für sehr hohe Temperaturen geeignet)
· Wärmeleitfähigkeit wie Stähle aber etwas niedriger als Siliziumnitrid
Siliziumnitrid - Anwendung
wegen hohen Festigkeiten
schnelllaufende Lager (leichter als Stahl) • geringes Gewicht • hohe mechanische Belastbarkeit (nicht so spröde wie andere keramische Bauteile) • gute Verschleißbeständigkeit (auch trockener Notlauf) • bis ca. 500°C Einsatztemperatur • teurer aber langlebiger als Stahllager
Wendeschneidplatten (wegen den guten mechanischen Eigenschaften
Borcabid
besonders hohe Härte und Verschleißbeständigkeit (vor allem gegen Abrasion
· hohe Warmhärte: Härte bleibt auch bei hohen Temperaturen (bis ca. 1500°C
· erhalten!)
· • allerdings: hohe Reaktionsneigung bei Temperaturen > 700°C
o also sehr reaktiv mit Stiffstoff und bekommt dann andere Eigenschaften oxidiert, reagiert mit Stickstoff und mit Metallen nicht geeignet als Lagerwerkstoff, schlechte Notlaufeigenschaften
Anwendung Borcabid
· Schleif‐ & Läppmittel (extreme Härte!)
· Düsen für Strahltechnik (z.B. Sandstrahlen)
· Schleifscheiben‐Abrichter
· bearbeitet Schleifmittel von Siliziumnitrid Schleifmittel
Unterschied in den Besonderheiten / Eigenschaften Siliziumnitrid und Siliziumkarbid, Borkabid
· Siliziumnitrid hohe Festigkeit; nicht temperatur hochbeständig
· Siliziumkarbid hohe Wärmeleitfähigkeit
Borcabid besonders hart und auch hart bei hohen Temperaturen; aber auch sehr
Nichtoxidkeramiken - C Werkstoffe
Graphit hdp
· Eigenschaften:
o Parallel verlaufende Schichten
o kovalente Bindungen in der Basisebene; Verbindungen zwischen den Schichten nur aber schwache Kräfte
o also feste Bindung in den Versalebenen (gute el. Leitfähigkeit und Wärmelitefähigkeit); schwache Bindung zwischen den Versalebenen (schwache el. Leitfähigkeit und Wärmelitefähigkeit);
o Valenzelektronenbindung zwischen den Schichten
o Hohe Anisotropie der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften
o also verschiedene Eigenschaften je nach Richtung
Anwendungen Graphit
o Elektroden für Lichtbogenöfen
o Kontaktwerkstoff für Schleifkontakte
o Schmiermittel
o Fasern (parallel zu den Schichten / kovalente Bindung)
C Werkstoffe - Nichtoxidkeramiken - Diamant
· hohe Härte (10000 HV)
· hohe chemische Beständigkeit
· hohe Wärmeleitfähigkeit (2300 W/(Km))
· sehr guter elektrischer Isolato
· durch Energieeintrag oder elastische Verformung steigt elektrische Leitfähigkeit (elektrischer Halbleiter)
· oxidiert ab ca. 700°C
Anwendung Diamant
· Trenn / Schleifmittellose Kristalle Schneidwerkstoffin metallischen / organischen
· Werkstoffen gebundene Kristalle Abtastkörper (z.B. in Rauheits‐ / Härtemessgeräten) Ziehsteine
o Pulver - Aufbereitung - Urformen - Grün-/Weißbearbeitung - Sintern - Endbearbeitung - Bauteil
o Pulver: im Ausgang ein bestimmtes Pulver welches aufbereitet und gemischt werden
o Aufbereitung: Pulverarten (entweder direkt Pulver oder aus Stein und wird dann gemahlen):
o am häufigsten Feldspalt mit unterschiedlicher Zusammensetzung zb. Si, Al, B
o also hat man diese Siliziumoxide = Silikate diese Selikate werden gemischt mit Hilfstoffen
o Hilfsstoffe dafür da um zb Selikate in Urform zu bringen
o Urformen: Hilfsstoffe werden zusätzlich auch mit Wasser gemischt
o Wasserzugabe mit dem Ziel dass Konsistenz flüssig ist (Schlicker) oder fest wie Ton
o je nachdem welchen Porzess man einesetzt kann man unterschiedliche Methoden um es in From zu geben zum urformen
§ spritzen (wenns flüssig ist)
§ pressen(bei festeren)
§ gießen(wenns flüssig ist)
§ extrudieren (bei festeren)
o Grün/Weißbearbeitung - Sintern - Endbearbeitung
o Grünling bzw. grünling Bearbeitung: bei festen Zustand nur
§ wird in Form gebracht (vor dem sintern/brennen) weil es noch relativ weich ist und kann man bohren
o Weißling
§ die Urform kann man alternativ auch ansintern (noch nicht ausgehärtet aber bereits formstabil)
o Sintern
§ zuerst ein Trockungsschritt (Wasser entfernen)
§ danach bei höheren Temp. gesinert
§ Bauteil verliert Wasser, Hilfsstoffe schmelzen oder verbrenne
§ Bauteil schrumpft
Nachbearbeitung (zb schleifen
b. Glasur bzw. Einfärbung nach dem Grünling
Bedruckung nach dem Sintern - Logos usw.
Testung auf Druck
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