Kaltgezogener Stahl ist Edelstahl, der ohne Erwärmung durch Zugkräfte kaltumgeformt wurde. Dieser Prozess ist das Kaltziehen. Dabei wird Draht, ein Stab oder ein Vorprofil aus Stahl bei Raumtemperatur durch formgebende Werkzeuge gezogen, um bestimmte mechanische Eigenschaften und eine präzise Geometrie im Zwischen- oder Fertigprofil zu erzielen.
Rundstäbe oder Flachstähle lassen sich einfach kaltziehen. Komplexe Geometrien müssen aber oft mehrfach kaltgezogen werden. Zwischen den verschiedenen Durchgängen bietet sich das Lösungsglühen an.
Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, wie beispielsweise C15 oder C45, lassen sich besonders gut kaltumformen. Diese unlegierten Kohlenstoffstähle kommen in der Regel in Anwendungen mit geringen mechanischen Belastungen zum Einsatz.
Das Kaltziehen ist ein hochpräzises Verfahren, das drei wesentliche Schritte umfasst:
Das Kaltziehen von Stahl spielt in vielen Industriesektoren eine Rolle, beispielsweise in der Automobilindustrie und in der Luft- und Raumfahrttechnik. Aber auch on der Elektronik oder in der Bauindustrie kommt es zum Einsatz. Konkrete Produkte sind zum Beispiel Rohre, Federn, Bolzen oder auch Drahtseile.
Das Kaltziehen bringt vielfältige Vorteile für ein Werkstück und den Produktionsprozess. Der wichtigste Aspekt ist, dass mit dem Kaltziehen sehr präzise Querschnitte erreicht werden können. Gleichzeitig steigt durch die Kaltverfestigung die Härte des Materials und auch die magnetischen Eigenschaften können zunehmen. Zudem weist kaltgezogener Stahl eine feinkörnige und glänzende Oberflächenqualität auf. Nicht zuletzt spielt aber auch die Kosteneffizienz eine Rolle.
Bei sehr komplexen Geometrien ist das Kaltziehen nicht immer kosteneffizient, weil mehrere Durchgänge und das Lösungsglühen als Zwischenschritt notwendig sein können. Zudem weist kaltgewalzter Stahl beim Biegen eine schlechtere Torsionsleistung als warmgewalzter Stahl auf.
Kaltwalzen und Kaltziehen sind zwei grundlegend unterschiedliche Prozesse der Kaltumformung von Metallen. Folgende Tabelle zeigt beide Verfahren im Überblick.
Kaltwalzen | Kaltziehen | |
---|---|---|
Ausgangsmaterial | – Platte, Band oder Draht aus Metall | – Stab oder Draht aus Metall |
Prozess | – Werkstück wird durch zwei oder mehrere Walzen geführt | – Werkstück wird durch eine oder mehrere Matrizen gezogen |
Hauptziele | – Reduzierung der Dicke – Glättung der Oberfläche | – Reduzierung des Durchmessers – Verlängerung – Formgebung |
Endprodukt | – flach oder bandförmig – Bleche, Bänder | – verschiedene Geometrien – Draht, Stäbe, Rohre |
Anwendung | – z. B. Automobilbau, Bauwesen, Elektronik | – z. B. Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau |
Kaltgewalzter Stahl lässt sich unter bestimmten Voraussetzungen schweißen. Das umfasst eine präzise Oberflächenvorbereitung und ein geeignetes Schweißverfahrens. Zudem kann eine Vorerwärmung des Stahls die Qualität der Schweißverbindungen verbessern.
Im Anschluss an das Kaltziehen bieten sich verschiedene Verfahren an, um die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts weiter zu verbessern und gezielt zu gestalten:
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]]>Der genaue Ablauf des Kaltwalzens und die individuellen Parameter hängen vom eingesetzten Metall und von den gewünschten Eigenschaften ab, die erzielt werden sollen. Die Eigenschaften sind wiederum eng mit dem Einsatzzweck verbunden. Beispielsweise wird im Automotive-Bereich besonderer Wert auf eine hohe Festigkeit und eine Top-Qualität der Oberfläche gelegt.
Dennoch lässt sich das Kaltwalzen grundlegend in drei Phasen unterteilen – die Vorbereitung, das eigentliche Kaltwalzen und die Nachbearbeitung.
Um den Erfolg des Kaltwalzens gewährleisten zu können, ist eine gründliche Vorbereitung
notwendig. Das umfasst zunächst die Reinigung des Metalls von Schmutz und
Korrosionserscheinungen wie Oxiden. Zusätzlich kann eine Wärmebehandlung sinnvoll sein,
um die Mikrostruktur des Metalls optimal auf das Kaltwalzen vorzubereiten.
Der eigentliche Prozess des Kaltwalzens findet zumeist bei Raumtemperatur statt. Hierbei
wird das Metall zwischen zwei Walzen gepresst. Dadurch verformt und verfestigt sich das
Metall und es wird dünner. Zudem ändern sich Eigenschaften wie die Festigkeit.
Ist die gewünschte Dicke durch das Kaltwalzen erreicht, können nun die Duktilität, Festigkeit und Härte durch weitere Wärmebehandlungen gezielt eingestellt werden. Verschiedene Oberflächenbehandlungen können zudem ästhetische Aspekte beeinflussen und die Korrosionsbeständigkeit erhöhen.
Obwohl der Prozess des Kaltwalzens immer ähnlich abläuft, gibt es bei jedem Metall
Besonderheiten, die berücksichtigt werden müssen. Vor allem das Kaltwalzen von Stahl und
Aluminium weist wesentliche Unterschiede auf.
Aspekte | Kaltwalzen von Stahl | Kaltwalzen von Aluminium |
---|---|---|
Festigkeit und Verformbarkeit | ● Stahl ist fest und schwer verformbar ● wenig Dehnbarkeit ● geringe Streckung bei Verformung ● Hohe Walzkräfte erforderlich, um Dicke merklich zu reduzieren | ● Aluminium ist weich und leicht verformbar ● hohe Dehnbarkeit ● Reduktion der Dicke schon bei geringer Krafteinwirkung |
Oberflächenqualität und Glätte | ● Neigung zu Oberflächenunebenhei en und Rauheit durch Verfestigung des Stahls ● zusätzliche Oberflächenbehandlung erforderlich, um glatte Oberfläche zu erzielen | ● geringere Neigung zur Bildung von Unebenheiten ● bessere Oberflächenqualität auch ohne Nachbearbeitung |
Anwendungen und Beispiele | ● kaltgewalzter Stahl kommt zum Einsatz, wenn Festigkeit, Stabilität und Haltbarkeit im Vordergrund stehen. ● Strukturelemente und Bleche im Maschinen- und Fahrzeugbau und in der Bauindustrie | ● kaltgewalztes Aluminium wird eingesetzt, wenn Leichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit zählen. ● Bleche in der Luft- und Raumfahrt, Dosen und Folien in der Verpackungsindustrie |
Die Mechanik des Kaltwalzens umfasst verschiedene Parameter, die genau aufeinander abgestimmt werden müssen, um die gewünschten Eigenschaften im kaltgewalzten Metall zu erzeugen. Entscheidend ist vor allem die Walzkraft.
Wieviel Kraft zur Deformation des Metalls aufgewendet werden muss, ist abhängig von der Festigkeit des Materials und von der Geometrie der Walzen sowie von der Reibung, die beim Walzen entsteht. Diese Aspekte lassen sich wiederum durch die Walzengröße und die Walzgeschwindigkeit einstellen. Auf diese Weise können Eigenschaften wie die Dicke des Endprodukts gezielt gesteuert werden.
Die Formel zur Berechnung der Walzkraft beim Kaltwalzen veranschaulicht die Abhängigkeit der Walzkraft von diversen Parametern des Materials.
h0 = Startdicke des Materials
hf = Enddicke nach dem Kaltwalzen
k = formabhängiger Festigkeitskoeffizient
w = Materialbreite
Δ h = Dickenreduktion
Aspekte | Vorteile des Kaltwalzens | Nachteile des Kaltwalzens |
---|---|---|
Mechanische Eigenschaften | – gezielte Verbesserung von Festigkeit, Härte und Zähigkeit | – unerwünschte Veränderungen der Mikrostruktur möglich |
Oberflächenqualität | – hohe Oberflächengüte mit glatter Oberfläche und geringer Rauheit | – Kratzer oder Risse bei unzureichender Vorbereitung möglich |
Maßgenauigkeit | – präzise Kontrolle der Dicke und Form des Materials – hohe Maßgenauigkeit und geringe Toleranzen | – unerwünschte Verformungen bei komplexen Geometrien oder sehr dünnen Blechen möglich |
Effizienz | – kein Aufheizen notwendig – geringerer Energieverbrauch als beim Warmwalzen | – hoher Anfangsaufwand zur Vorbereitung |
Einsatzmöglichkeiten | – viele Metalle geeignet (Stahl, Kupfer, Aluminium und Legierungen) – vielseitige Anwendungsbereiche | – nur begrenzte Reduktion der Dicke möglich |
Kaltwalzen wird in der Produktion von Bauteilen in vielfältigen Branchen eingesetzt. Ein typischer Anwendungsbereich sind hochfeste Stahlbleche im Karosseriebau, die sowohl Sicherheit als auch ein geringes Gewicht bieten. Auch in der Elektronik kommen kaltgewalzte Elemente zum Einsatz – zum Beispiel Kupferfolien in der Leiterplattenfertigung. Zudem sind Strukturkomponenten aus kaltgewalztem Stahl im Bauwesen unverzichtbar.
Wie der Name bereits verrät, liegt der Hauptunterschied zwischen Kaltwalzen und Warmwalzen in der Temperatur des Metalls. Kaltwalzen kann bei Raumtemperatur stattfinden. Beim Warmwalzen muss die individuelle Rekristallisationstemperatur des jeweiligen Materials überschritten werden, um das Material besser formbar zu machen.
Aspekt | Warmwalzen | Kaltwalzen |
---|---|---|
Temperatur | – hohe Temperaturen – mindestens oberhalb der Rekristallisationstemperatur | – Raumtemperatur oder darunter |
Formbarkeit | – Formbarkeit steigt – Duktilität steigt | – stark begrenzte Formbarkeit – stark begrenzte Duktilität |
Oberflächenqualität | – gröbere Oberfläche – oft Nachbearbeitung erforderlich | – glattere Oberfläche – enge Toleranzen |
Energieverbrauch | – Aufheizen des Materials – höherer Energieverbrauch | – geringer Energieverbrauch |
Dicke des Endprodukts | – kann größer sein | – ist immer geringer |
Anwendungen | – große Strukturelemente – dicke Bleche | – dünne Bleche und Bänder – Präzisionskomponenten |
Materialauswahl | – vielfältig – z. B. Stahl, Aluminium, Kupfer | – vielfältig – z. B. Stahl, Aluminium, Kupfer |
Eine Kaltwalzanlage ist eine industrielle Einrichtung, die zur Verformung von Metallblechen und -bändern bei Raumtemperatur eingesetzt wird. Sie besteht typischerweise aus Einrichtungen zur Materialvorbereitung, Walzgerüsten, Walzaggregaten und Kühlvorrichtungen.
Während des Kaltwalzens wird das Metall zumeist durch mehrere Walzenpaare geführt, um die gewünschte Dicke und Form zu erreichen. Kaltwalzanlagen sind in der Stahl- und Aluminiumindustrie weit verbreitet und spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von dünnen, präzisen Metallprodukten.
Bereits im 17. Jahrhundert wurden erste einfache Walzwerke in England dokumentiert. Mit der industriellen Revolution nahm der Bedarf an dünnen Blechen zum Bau von Maschinen zu. Eine kostengünstige und effiziente Verarbeitungsmöglichkeit von Metallen wurde notwendig.
Im 19. Jahrhundert wurden Hochwalzwerke und immer fortschrittlichere Walzmaschinen entwickelt. Jetzt konnte die Dicke des Endprodukts präzise eingestellt werden. Das ermöglichte den Einsatz in vielfältigen Branchen.
Ein weiterer Meilenstein in der Geschichte des Kaltwalzens ist das 20. Jahrhundert mit einer zunehmenden Modernisierung und Automatisierung in der Metallindustrie. Zudem wurden neue Legierungstechnologien entwickelt, wodurch die Vielfalt an Metallen angestiegen ist, die sich zum Kaltwalzen eignet – und damit auch das Repertoire an Eigenschaften der Endprodukte.
Heute ist das Kaltwalzen ein unverzichtbarer Prozess in der Metallverarbeitung, der inzahlreichen Branchen von der Automobil- bis zur Elektronikindustrie eingesetzt wird.
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]]>Im Zusammenhang mit der Dauerfestigkeit gibt es verschiedene Schaubilder, die wiederum unterschiedliche Sachverhalte darstellen. Das S-N Diagramm zeigt die Ergebnisse des Dauerschwingversuchs nach August Wöhler.
Das S-N-Diagramm geht von einer bestimmten Mittelspannung aus. Bei dynamisch belastetsten Materialien ändert sich die Mittelspannung aber im Verlauf der Zeit. Dieser Zusammenhang wird im Smith- und im Haigh-Diagramm dargestellt.
Mit dem Dauerschwingversuch ermittelt man die Dauerfestigkeit. Der Versuchsaufbau sieht vor, verschiedene Proben auf verschiedenen Lasthorizonten zu prüfen. Jeder Versuch wird so lange wiederholt, bis das Material per zuvor festgelegter Definition versagt (wenn sich zum Beispiel Risse bilden oder bei Bruch).
Die Wöhlerlinie im S-N-Diagramm zeigt die Ergebnisse des Dauerschwingversuchs in Form von der Nennspannungsamplitude Sa. Die Mittelspannung ist der Mittelwert aus der im Versuch maximal zugeführten Spannung, der Oberspannung So, und der minimal zugeführten Spannung, der Unterspannung Su. Es ergibt sich folgende Formel:
Wöhlerlinie
Das Smith-Diagramm zeigt die Abhängigkeiten zwischen Mittelspannung, Amplitude, Spannung und Dauerfestigkeit. Um die komplexen Berechnungen vereinfacht darzustellen, werden Goodman-Linien herangezogen. Das Smith-Diagramm stellt dann die jeweils für die Dauerfestigkeit zulässige Oberspannung So und die Unterspannung Su in Abhängigkeit von der Mittelspannung Sm dar.
Smith-Diagramm
Das Haigh-Diagramm zeigt die dauerfeste Spannungsamplitude über der Mittelspannung. Zudem helfen Ursprungsgeraden dabei, aus den Wertepaaren aus Spannungsamplitude und Mittelspannung die Spannungsverhältnisse abzulesen. Zur Vereinfachung wird die Goodman-Gerade genutzt. Unterhalb dieser liegt der Dauerfestigkeitsbereich. Aus der Steigung der Goodman-Geraden lässt sich die Mittelspannungsempfindlichkeit ermitteln.
Haigh-Diagramm
Die individuelle Dauerfestigkeit ist zum einen von der Beschaffenheit des Materials abhängig und zum anderen von äußeren Einflüssen wie der Art der Belastung, Korrosion und Temperatur. Diese Aspekte stehen miteinander in Wechselwirkung. Einer der wichtigsten Einflussfaktoren ist dabei die Eigenspannung.
Eigenspannungen entstehen in einem Werkstoff aufgrund unterschiedlicher Faktoren und treten in nahezu allen Phasen der Materialverarbeitung und Nutzung auf. Je nach Art der Spannung ergeben sich verschiedene Auswirkungen auf die Dauerfestigkeit. Druckeigenspannungen haben einen positiven Einfluss, während Zugeigenspannungen die Dauerfestigkeit herabsetzen.
Ausschlaggebend ist der jeweilige Einfluss auf die Mittelspannung, die wiederum entscheidend für die Dauerfestigkeit ist. Schweißnähte stehen beispielsweise unter hohen Zugspannungen. Fertigungsverfahren wie Schlussrollen können Druckeigenspannungen einbringen, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen.
Neben der Eigenspannung beeinflussen eine Reihe weiterer Bauteileigenschaften die Dauerfestigkeit.
Zugfestigkeit | Die Dauerfestigkeit verhält sich proportional zur Zugfestigkeit des Werkstoffs. Das heißt, wenn die Zugfestigkeit steigt, steigt auch die Dauerfestigkeit. |
Duktilität | Eine hohe Duktilität wirkt sich positiv auf die Mittelspannungsempfindlichkeit und somit auf die Dauerfestigkeit aus. |
Rauheit | Eine hohe Duktilität wirkt sich positiv auf die Mittelspannungsempfindlichkeit und somit auf die Dauerfestigkeit aus. |
Bauteilgröße | Die Bauteilgröße hat zum einen Einfluss auf technologische Aspekte wie die Randschichtdicke oder die Randfestigkeit. Zum anderen ändern sich mit der Größe auch das durch die Belastung beanspruchte Volumen und die Oberfläche. Das beeinflusst die statistische Verteilung von Fehlstellen. Zudem weißen größere Bauteile bei gleichen Gegebenheiten einen geringeren Spannungsgradienten auf. Damit sinkt die Stützwirkung des umliegenden Materials und somit auch die Dauerfestigkeit. |
Sonstige | Die Bauteilgröße hat zum einen Einfluss auf technologische Aspekte wie die Randschichtdicke oder die Randfestigkeit. Zum anderen ändern sich mit der Größe auch das durch die Belastung beanspruchte Volumen und die Oberfläche. Das beeinflusst die statistische Verteilung von Fehlstellen. Zudem weißen größere Bauteile bei gleichen Gegebenheiten einen geringeren Spannungsgradienten auf. Damit sinkt die Stützwirkung des umliegenden Materials und somit auch die Dauerfestigkeit. |
Auch externe Einflussfaktoren bzw. der Einsatzzweck des Werkstücks müssen hinsichtlich der Dauerfestigkeit berücksichtigt werden.
Art der Beanspruchung | Beanspruchung in Form von Schubspannung setzt eine höhere Dauerfestigkeit voraus als Beanspruchungen, die Normalspannung erzeugen. |
Belastungsspitzen | Kommt es zu Belastungsspitzen oberhalb der Dauerfestigkeit eines Materials, kann eine Absenkung der Dauerfestigkeit erfolgen. Belastungen, die zuvor kein Problem dargestellt haben, können nun zu weiterer Schädigung beitragen. Die Bemessungswöhlerlinien helfen, diesen Effekt zu berücksichtigen. |
Korrosion | Mit zunehmender Korrosion nimmt die Dauerfestigkeit eines Bauteils ab. Sie fördert die Entstehung und das Wachstum von Rissen. |
Kerbwirkung | Je schärfer die Kerbe, desto negativer ist der Einfluss auf die Dauerfestigkeit des Bauteils. Hingegen nimmt die Dauerfestigkeit der lokalen Kerbspannung durch die Stützwirkung zu. |
Temperatur | Bei geringen Temperaturen steigt die statische Festigkeit und damit grundsätzlich auch die Dauerfestigkeit. Allerdings sinkt die Duktilität, was sich wiederum negativ auf die Dauerfestigkeit auswirkt. Bei hohen Temperaturen nimmt die Dauerfestigkeit hingegen ab. Wann genau das der Fall ist, variiert je nach Material. Die FKM-Richtlinie sieht eine Berücksichtigung der Temperatur außerhalb folgender Bereiche vor: ● Stahl: -40 °C bis 500 °C ● Gusseisen: -25 °C bis 500 °C ● Aluminium: -25 °C bis 200 °C |
Wesentliche Hebel zur Erhöhung der Dauerfestigkeit eines Bauelements sind die Konstruktionsweise der Maschine und eine Oberflächenhärtung des Werkstoffs. Wird durch die Konstruktion eine geringere Kerbwirkung erreicht, erhöht sich dadurch automatisch die Dauerfestigkeit. Um hingegen die Dauerfestigkeit des Materials zu erhöhen, bietet sich eine Oberflächenhärtung mittels Randschichthärten oder Einsatzhärten an.
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]]>Auf atomarer Ebene beschreibt Duktilität die Verformung der Kristallstruktur unter Krafteinwirkung. Kräfte in Normalrichtung bewirken ein Abscheren der Gitterebenen (oder Monolagen) eines Materials. Das Material fließt quasi auseinander.
Das Gegenteil ist Sprödigkeit, die Werkstoffe unter Belastung schnell brüchig werden lässt. Bei spröden Werkstoffen trennen sich die Gitterebenen leicht voneinander, ohne dass sich die Kristallstruktur verändert. Es kommt zum Sprödbruch.
Am besten lässt sich Duktilität an verschiedenen Brucharten veranschaulichen – siehe Abbildung.
Externe Bedingungen haben einen großen Einfluss auf die Duktilität eines Werkstoffes. Das gilt vor allem für die Geschwindigkeit der Belastung während des Betriebs. Aber auch die Temperatur kann entscheidend sein.
Beispielsweise besitzen unlegierte und niedriglegierte Stähle oder Chrom und Molybdän bei hohen Temperaturen eine ausreichend hohe Duktilität, werden aber bei tiefen Temperaturen spröde. Hingegen bieten austenitische Stähle, Kupfer und Nickel sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen eine hohe Duktilität.
Diese Aspekte müssen in der Konstruktion unbedingt berücksichtigt werden, sonst können Extremtemperaturen oder Belastungsspitzen schnell schwerwiegende Konsequenzen nach sich ziehen – vor allem bei Bauwerken oder Fahrzeugen.
Anhand der Duktilität lassen sich drei wesentliche Werkstoffarten unterscheiden.
Ausschlaggebend ist der Grad der Verformbarkeit bis zur Bruchdehnung A.
Spröde Werkstoffe A ≤ 0,1 % | Duktile Werkstoffe A ≈ 10 % | Superplastische Werkstoffe A ≈ 1000 % |
|
---|---|---|---|
Verhalten unter Belastung | Spröde Werkstoffe bieten eine hohe Härte und Bruchfestigkeit, aber geringe Zähigkeit. Kommt es zum Bruch, entsteht dieser ohne Vorwarnung, weil sich das Material zuvor nicht dehnt. | Duktile Werkstoffe halten hohe Belastungen aus und verformen sich, bevor sie versagen oder Bruch entsteht. | Superelastische Werkstoffe lassen sich unter geringen Belastungen sehr stark verformen. Während der Formgebung verändert sich die Kristallstruktur. Dadurch lassen sich sehr komplexe Formen verwirklichen. |
Beispiele | Gusseisenlegierungen | Legierungen und Metalle wie Kupfer, Aluminium, Stahl | Spezielle feinkörnige Legierungen |
Anwendungen | Spezifische Einsatzgebiete, bei denen eine hohe Härte gefordert ist – zum Beispiel im Maschinenbau. | Breite Anwendung in der Bau-, Elektro- und Automobilindustrie. | Für hochpräzise Fertigungsprozesse in der Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik. |
Stahl beeinflusst die Duktilität von Beton positiv. Aus diesem Grund wird Stahlbeton bei vielen Bauwerken eingesetzt. Stahlbeton ist ein Verbundwerkstoff aus Beton und Betonstahl. Beide Komponenten werden auf der Baustelle mittels Zement verklebt. Betonstahl ist in verschiedenen Duktilitätsklassen verfügbar.
Duktiliätsklasse A | Duktiliätsklasse B | Duktiliätsklasse C | |
---|---|---|---|
Eigenschaften | normalduktil | hochduktil | sehr hoch duktil (Erdbebenstahl) |
Beispiele | Betonstahlmatten, Betonstahl in Ringen kaltgerippt, Gitterträger, Bewehrungsdraht glatt und profiliert | Betonstabstahl, Betonstahl in Ringen warmgewalzt | Betonstabstahl, Betonstahl in Ringen warmgewalzt |
Duktilität kann auch zum Problem werden – so zum Beispiel bei Lötzinn, das zur Verbindung elektrischer Klemmstellen genutzt wird. Wird durch eine Verschraubung Druck aufgebaut, gibt das duktile Lötzinn auf Dauer nach. Dadurch wird die Verbindung locker und der Widerstand an der Klemmstelle steigt.
Im Ernstfall kann es dadurch bei hohen Stromstärken zu Kabelbrand kommen, weil die Isolation schmilzt. Um diesem Problem vorzubeugen, können stattdessen Aderendhülsen verwendet werden, um die Litzenleitungen und die Klemmverbindung zu stabilisieren.
Der Grad der Duktilität ist ausschlaggebend, um die Eignung für bestimmte Anwendungen zu bestimmen. In der Metallverarbeitung kann die Duktilität per Zugversuch an der Zugprüfmaschine gemessen werden. Dafür wird eine Probe des Werkstoffs steigender Zugkraft ausgesetzt. Dann wird die Dehnung gemessen, welche die Probe erreicht, bevor sie bricht.
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]]>Feinkornbaustahl zeichnet sich durch seine feingekörnte Mikrostruktur aus. Das Kristallgefüge von Feinkornbaustählen weist je nach Sorte 256 bis 2048 Körner pro m2 auf. Dadurch bieten sie eine höhere Festigkeit und Zähigkeit als grobkörnige Stähle. Durch die hohe Streckgrenze sind Feinkornbaustähle sehr belastbar, unempfindlich gegenüber Sprödbruch und ideal für den Einsatz in Schweißkonstruktionen.
Um die gewünschte feinkörnige Struktur zu erreichen, sind präzise thermomechanische Prozesse notwendig. Der Grundstoff ist Roheisen aus Eisenerz. Dieses wird geschmolzen und durch Frischen wird der Kohlenstoffgehalt auf unter 0,2 % reduziert, um schweißgeeigneten Stahl zu erhalten.
Während des Schmelzprozesses zur Herstellung von Feinkornbaustahl werden je nach Legierung verschiedene Legierungselemente hinzugegeben, um Sauerstoff und Stickstoff zu binden. Diese Elemente können die Eigenschaften des Stahls gezielt beeinflussen.
Zum Beispiel unterstützen Kupfer, Molybdän und Vanadium die Feinkornbildung, weil die Bildung grober Phasen während der Abkühlung minimiert wird. Chrom erhöht die Korrosionsbeständigkeit. Nickel und Mangan verbessern die Zähigkeit. Silizium steigert vor allem die Festigkeit.
Zudem lassen sich durch bestimmte Maßnahmen während der Herstellung spezifische Eigenschaften erzielen. Ist eine hohe Schweißeignung gewünscht, sollte der Kohlenstoffgehalt möglichst gering sein. Soll die Kaltumformbarkeit erhöht werden, darf nur wenig Perlit im Gefüge verbleiben. Für eine Kaltzähigkeit bei -40 °C müssen Phosphor- u. Schwefelgehalte abgesenkt werden.
Je nach Herstellung lassen sich Feinkornbaustähle in folgende Gruppen einteilen:
NM-Feinkornbaustähle | Q-Feinkornbaustähle | |
---|---|---|
Herstellung | Warmumformung mit gezielter Kontrolle der Temperatur und Umformbedingungen | Spezielle Wasserabschreckung nach der Warmumformung |
Streckgrenze | Bis zu 500 MPa | Höher als 500 MPa |
Spezifikationen | Normalgeglüht und thermomechanisch behandelt | Wasservergütet, hochfest |
Je nach Lieferzustand können die mechanischen Eigenschaften von Feinkornbaustählen unterschiedlich ausgeprägt sein. Ausschlaggebend für die Verwendung ist meist die Streckgrenze. Folgende Tabelle zeigt einige Beispiele:
Güte | Prüfrichtung | Werkstoff-Nr. | Streckgrenze ReL min. (MPa) ≤ 16 mm | Streckgrenze ReL min. (MPa) 16 ≤ 40 mm | Zugfestigkeit Rm (MPA) ≤ 40 mm | Dehnung A5 (in %) min. | Kerbschlagzähigkeit Temp. °C |
---|---|---|---|---|---|---|---|
S275 M | Q | 1.8818 | 275 | 265 | 370 – 530 | 24 | -20 |
S275 ML | Q | 1.8819 | 275 | 265 | 370 – 530 | 24 | -50 |
S355 M | Q | 1.8823 | 355 | 345 | 470 – 630 | 22 | -20 |
S355 ML | Q | 1.8834 | 355 | 345 | 470 – 630 | 22 | -50 |
S420 M | Q | 1.8825 | 420 | 400 | 520 – 680 | 19 | -20 |
S420 ML | Q | 1.8836 | 420 | 400 | 520 – 680 | 19 | -50 |
S460 M | Q | 1.8827 | 460 | 440 | 540 – 720 | 17 | -20 |
S460 ML | Q | 1.8838 | 460 | 440 | 540 – 720 | 17 | -50 |
Schweißgeeigneter Feinkornbaustahl ermöglichet besonders robuste und gleichzeitig leichte Konstruktionen. Typische Anwendungsbeispiele sind:
Stahlschrott lässt sich nahezu unbegrenzt oft einschmelzen und wiederverwenden. Dieser hohe Grad der Recyclingfähigkeit ist die beste Voraussetzung für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft und eine ressourcenschonende Produktion. Dadurch gilt Stahl, insbesondere auch Feinkornbaustahl, als sehr nachhaltiger Werkstoff.
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]]>Eigenspannungen resultieren aus ungleichmäßigen Dehnungen und Kontraktionen, die während der Herstellung oder Bearbeitung von Metallteilen auftreten. Ein häufiges Beispiel ist das ungleichmäßige Abkühlen nach dem Schweißen, das zu lokalen Dehnungen und damit zu Eigenspannungen führen kann.
Grundsätzlich verfügt jedes Bauteil über Eigenspannungen. Je nach Ausprägung können Sie leichten Verzug, aber auch starke Verformungen verursachen. Zudem wird das Metall anfälliger für Materialermüdung und Rissbildung. Daher ist es wichtig, Eigenspannungen durch geeignete Fertigungstechniken und Nachbehandlungsprozesse wie Spannungsarmglühen zu minimieren.
Es gibt zwei verschiedene Ansätze zur Einteilung von Eigenspannungen – nach Ausdehnung und nach Zeitverlauf.
Bei der Einteilung der Eigenspannung nach ihrer Ausdehnung betrachtet man die tatsächliche Verteilung der Spannungen im Material.
Makroskopische Spannungen sind mit bloßem Auge oder einfachen Messverfahren sichtbar. Sie erstrecken sich über mehrere Körner und sind oft über das gesamte Bauteil oder große Teile davon verteilt. Sie haben dadurch einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Bauteils. Typische Ursachen sind Schweißen, Gießen und ungleichmäßige Abkühlvorgänge.
Mikroskopische Eigenspannungen erstrecken sich über ein Korn und sind das Ergebnis von
Unregelmäßigkeiten in der Kristallstruktur, wie zum Beispiel Versetzungen, Korngrenzen oder
unterschiedliche Phasen. Sie beeinflussen beispielsweise Eigenschaften wie die Duktilität und
die Bruchzähigkeit eines Metalls.
Submikroskopische Spannungen treten innerhalb eines kleinen Bereichs eines Korns auf. Ursache sind Defekte und Versetzungen auf atomarer Ebene. Wegen ihrer geringen Ausdehnung haben sie nur begrenzt Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils, können aber Prozesse wie die Diffusion auf atomarer Ebene beeinflussen.
Bei der Kategorisierung nach Zeitverlauf steht im Fokus, wann die Eigenspannungen auftreten und wie lange sie im Material verbleiben.
Temporäre Spannungen sind nur vorübergehend in einem Material vorhanden und verschwinden nach Wegfall der Ursache oder wenn sich das Material an die neue Situation angepasst hat. Sie treten beispielsweise bei ungleichmäßiger Abkühlung auf.
Wenn temporäre Spannungen die Streckgrenze überschreiten, entstehen latente Spannungen, die sich durch Maßnahmen wie Spannungsarmglühen oder Tempern beseitigen lassen.
Permanente Spannungen entstehen bei inhomogener Wärmeausdehnung während der Abkühlung. Sie können nicht nur durch Tempern ausgeglichen werden, sondern auch durch mechanische Bearbeitung und spanende Verfahren.
Eigenspannungen können vielfältige Ursachen haben, die sich unterschiedlich kategorisieren lassen.
Kaltverformung | – Eigenspannungen entstehen durch unterschiedliche Dehnungen und Verformungen in verschiedenen Bereichen des Materials – typisch für Biegen, Ziehen oder Walzen |
Mechanische Bearbeitung | – Eigenspannungen entstehen aus lokalen plastischen Verformungen an der Oberfläche oder in Oberflächennähe – typisch für Fräsen, Bohren oder Schleifen |
Phasenumwandlung | – ungleichmäßige Veränderungen im Gefüge erzeugen Eigenspannungen – typisch für Schweißen und Wärmebehandlungen – z. B. Volumenänderung durch martensitische Umwandlung |
Gießen | – Eigenspannungen entstehen wegen unterschiedlicher Schrumpfungen durch ungleichmäßige Abkühlung, weil der Rand schneller abkühlt als der Kern |
Lokales Erwärmen | – nur ein bestimmter Bereich des Bauteils wird erhitzt, was zu Spannungen führt – typisch für Schweißen |
Temperaturgradient | – Eigenspannungen durch ungleichmäßige Temperaturverteilung im Material beim Erwärmen oder Abkühlen |
Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer Ursachen für Eigenspannungen, die aus den Werkstoffeigenschaften oder aus der Geometrie des Bauteils resultieren können– beispielsweise ein hoher Ausdehnungskoeffizient und anisotrope Eigenschaften oder komplexe Geometrien, scharfe Kanten und ungleichmäßige Querschnitte.
Eigenspannungen lassen sich mittels zerstörender, halbzerstörender und zerstörungsfreier Verfahren messen. Welche Technik angewendet wird, hängt von den zur Verfügung stehenden Mitteln und der gewünschten Informationstiefe ab.
Bei der zerstörenden Prüfung wird das Objekt der Messung zerstört. Das kann beispielsweise in der Entwicklung sinnvoll sein. Zerstörende Prüfungen sind vergleichsweise kostengünstig. Typische Beispiele sind die Kontur-Methode und die Schlitzung.
Bei der Konturmethode wird die Probe in zwei Teile getrennt. Diese Technik liefert eine 2D-Karte der Eigenspannungen senkrecht zur Messebene über den gesamten Materialquerschnitt.
Bei der Schlitzmethode wird das Werkstück tief eingeschnitten. Dann werden die Verformungen in Abhängigkeit von der Schlitztiefe gemessen. Aus den Ergebnissen lassen sich Dickeneigenspannungen senkrecht zum Einschnitt berechnen.
Bei halbzerstörenden Prüfungen werden nur geringe Materialmengen entfernt. Davon abgesehen ist das Grundprinzip mit der zerstörenden Prüfung vergleichbar. Beispiele sind die Tiefloch- und die Mittellochbohrung.
Beim Tieflochbohren wird zunächst ein Loch durch die Probe gebohrt und danach wird ein kreisförmiger Materialkern um das Loch herum herausgeschnitten. Aus den geometrischen Änderungen zwischen dem Durchmesser des ersten Lochs und des zweiten Lochs lassen sich die Eigenspannungen berechnen.
Das Bohren eines Mittellochs ist eine Methode zur Messung von Verformungen um das Bohrloch herum. Dafür werden Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Anhand der Ergebnisse lassen sich die Eigenspannungen berechnen.
Zerstörungsfreie Prüfungen ermöglichen die Messung von Eigenspannungen und die Bewertung der strukturellen Integrität, während das Objekt intakt bleibt und weiterverwendet werden kann. Dafür bieten sich verschiedene Methoden an.
Die Neutronenbeugung nutzt Neutronen zur Messung des Kristallgitterabstandes. Weiterführend kann ein Synchrotron zur Beschleunigung der elektromagnetischen Strahlung genutzt werden. Zudem erlaubt die Röntgendiffraktometrie die Messung von Oberflächeneigenspannungen.
Um ein Bauteil optimal auf seinen Einsatzzweck vorzubereiten und Zuverlässigkeit während des Betriebs zu gewährleisten, müssen Eigenspannungen im Material minimiert werden. Die HÄRTHA GROUP bietet dafür folgende Verfahren an:
Hohe Eigenspannungen sind unerwünscht und sollen abgebaut werden, aber Eigenspannungen können auch positive Auswirkungen auf einen Werkstoff haben und werden gezielt eingesetzt, um beispielsweise folgende Eigenschaften zu erzielen:
Doch auch gezielt eingebrachte Eigenspannungen müssen kontrolliert werden, um Probleme wie die Rissbildung bei Schweißkonstruktionen, mangelnde Maßhaltigkeit bei
Präzisionsbauteilen oder ein Versagen des Materials bei Fahrzeugen oder Bauwerken zu vermeiden.
Nur wenn Eigenspannungen optimal eingestellt sind, können Bauteile die gewünschten Eigenschaften wie ein geschmeidiges Verformungsverhalten, eine hohe Festigkeit oder geringe Sprödigkeit erreichen. Dafür ist neben tiefgreifenden Fachkenntnissen viel Erfahrung
seitens der Fachleute notwendig, die das Metall bearbeiten.
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]]>Die Kerbschlagzähigkeit beschreibt, wie gut ein Werkstoff schlagartigen Stoßbelastungen standhalten kann, ohne zu brechen. Sie ist besonders relevant für Anwendungen, bei denen das Material dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, im Maschinenbau oder im Bauwesen.
Werkstoffe mit hoher Kerbschlagzähigkeit absorbieren die Energie des Schlags durch Verformung, bevor sie brechen. Sie zeigen im Bruchbild eine faserige Struktur. Hingegen haben spröde Materialien eine niedrige Kerbschlagzähigkeit. Sie brechen plötzlich und ohne große Verformung, wobei die Bruchfläche glatt und eben ist.
Verschiedene Eigenschaften des jeweiligen Materials und diverse äußere Faktoren beeinflussen die Kerbschlagzähigkeit:
Die Kerbschlagzähigkeit kann durch den Kerbschlagbiegeversuch ermittelt werden. Dafür stehen unterschiedliche Verfahren mit jeweils unterschiedlichem Versuchsaufbau zur Verfügung. Welche Methode sich am besten zur Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit eignet, hängt von Aspekten wie dem Material der Probe und der gewünschten Prüfgenauigkeit ab.
Beim Kerbschlagbiegeversuch mittels Charpy-Pendelschlagwerk handelt es sich um ein genormtes Verfahren mit folgenden Schritten:
Charpy-Kerbschlagbiegemaschine
Die Kerbschlagzähigkeit KCV wird in Joule pro Quadratzentimeter [J/cm²] angegeben und in diesem Versuchsaufbau nach folgender Formel berechnet:
E = die vom Pendelhammer abgegebene Energie [J]
A = die Bruchfläche der Probe [cm²]
Beim Kerbschlagbiegeversuch nach Izod wird eine Probe mit V-förmiger Kerbe vertikal in die Kerbschlagbiegemaschine eingespannt, so dass eine Hälfte ab der Kerbe freiliegt. Das Pendelschlagwerk trifft auf das freie Ende der Probe.
Izod-Kerbschlagbiegemaschine
Beim Kerbschlagbiegeversuch nach Dynstat ist ein Prüfstab mit U-Kerbe horizontal zwischen einer Auflage und einem Widerlager eingespannt. Der Schlagbolzen der Prüfmaschine trifft auf die Spitze der Probe.
Dynstat-Kerbschlagbiegemaschine
Merkmal | Charpy | Izod | Dynstat |
---|---|---|---|
Prüfstabkerbe | – V-förmig oder U-förmig | – V-förmig | – U-förmig |
Lagerung | – horizontal | – vertikal | – vertikal |
Beanspruchung | – Pendelschlag in Kerbmitte | – Pendelschlag auf freies Ende | – Schlagbolzen auf Probenspitze |
Anwendung | – Metalle | – Kunststoffe | – Schweißnähte – komplexe Geometrien |
Vorteile | – genaue Ergebnisse – einfache Durchführung | – einfache Probenvorbereitung | – Prüfung komplexer Geometrien möglich |
Nachteile | – Kerbeinfluss – Kerbempfindlichkeit | – Kerbempfindlichkeit – geringere Genauigkeit | – aufwändige Probenvorbereitung – geringere Standardisierung |
INFO
Neben den Kerbschlagbiegeversuchen können weitere Verfahren wie der Zugversuch oder der Bruchmechanikversuch helfen, genauere Informationen über die Zähigkeit eines Werkstoffs zu erhalten.
Die Temperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf die Kerbschlagzähigkeit eines Materials und somit auch auf die Ergebnisse des Kerbschlagbiegeversuchs. Bei steigender Temperatur nimmt die Zähigkeit zu, bei sinkenden Temperaturen steigt hingegen die Sprödigkeit. Wie stark dieser Effekt ausgeprägt ist, ist von der jeweiligen Legierung abhängig.
Der Zusammenhang zwischen Werkstoffmaterial, Temperatur und Kerbschlagzähigkeit wird in der Kerbschlagzähigkeitskurve veranschaulicht. Eine wichtige Größe auf dieser Kurve ist die Brittle-Ductile-Übergangstemperatur (BDT). Unterhalb dieser Temperatur verhält sich das Material spröde, darüber zäh.
Unterhalb der BDT würde eine Probe beim Kerbschlagbiegeversuch ohne plastische Verformung brechen. Die BDT ist aber nicht nur entscheidend für einen aussagekräftigen Kerbschlagbiegeversuch, sondern auch in der Konstruktion in verschiedensten Bereichen.
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]]>Der Reibungskoeffizient ist wichtig, um das Abnutzungsverhalten und die Gleiteigenschaften von Materialien zu beurteilen. Er ist abhängig von der jeweiligen Materialpaarung und von der Größe und Belastung der aneinanderreibenden Objekte. Zudem kann eine Schmierung den Reibungskoeffizienten reduzieren. Entscheidend ist außerdem die Art der Reibung.
Beim Verschieben von Möbeln ist die Kraft zum Anschieben immer höher, als die Kraft zum weiteren Verschieben. Das liegt an der Reibungskraft, die zwischen dem Möbelstück und dem Boden wirkt. Die Haftreibung muss beim Anschieben überwunden werden, die Gleitreibung bei der Fortführung der Bewegung. In beiden Fällen hilft der Reibungskoeffizient bei der Berechnung der notwendigen Kraft.
In diesem Beispiel beeinflusst außerdem das Gewicht des Gegenstands den Reibungskoeffizienten. Je schwerer das Möbelstück, desto mehr Reibungskraft wirkt gegenüber dem Boden. Dieser Zusammenhang wird in der Berechnung des Reibungskoeffizienten durch die Normalkraft berücksichtigt.
FR,H = Reibungskraft
μH = Reibungskoeffizient der Haftreibung
FN = Normalkraft
FR,max = maximale Haftreibung, um das Möbelstück in Bewegung zu setzen
FR,G= Reibungskraft
μG = Reibungskoeffizient der Gleitreibung
FN = Normalkraft
Bei der Rollreibung ist die Kontaktfläche zwischen zwei Objekten geringer als bei der Gleitreibung. Dadurch fällt die Rollreibung bei gleicher Materialpaarung und Normalkraft immer geringer aus als die Gleitreibung. Die Rollreibung wird vom Material, der Größe und Form des rollenden Objekts sowie von der Belastung und der Geschwindigkeit der Bewegung beeinflusst.
Ein typisches Beispiel sind Autoreifen. Stoppt der Motor, bleibt das Auto aufgrund der
Rollreibung irgendwann stehen. Ein weiteres Beispiel ist ein Kugellager, das die geringe
Reibung zwischen Kugeln und Ringen ausnutzt.
FR = Rollreibungskraft
μr = Rollreibungskoeffizient
FN = Normalkraft
Reibung spielt in vielen industriellen Anwendungen eine entscheidende Rolle. Sie kann sich positiv und negativ auswirken. Die genaue Kenntnis der Reibungseigenschaften von Materialien und Werkstücken ist daher essenziell.
Der Umgang mit Reibung in der Industrie erfordert eine sorgfältige Balance zwischen der Nutzung ihrer positiven Eigenschaften und der Minimierung ihrer negativen Auswirkungen.
Folgende Strategien werden in der Industrie eingesetzt, um Reibung zu kontrollieren und zu optimieren:
Folgende Tabelle zeigt den Reibungskoeffizienten verschiedener Materialpaarungen bei jeweils trockenen Oberflächen. Es handelt sich um Näherungswerte, weil der genaue Reibungskoeffizient immer an die tatsächlichen Bedingungen gebunden ist.
Materialpaarung | Haftreibungskoeffizient (μh) | Gleitreibungskoeffizient (μ9) |
---|---|---|
Bronze auf Bronze | 0,18 | 0,2 |
Bronze auf Grauguss | 0,56 | 0,21 |
Bronze auf Stahl | 0,19 | 0,18 |
Grauguss auf Grauguss | 0,28 | |
Stahl auf Bronze | 0,19 | 0,18 |
Stahl auf Grauguss | 0,19 | 0,18 |
Stahl auf Stahl | 0,15 | 0,12 |
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]]>Die Nitrierhärtetiefe hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Dauer und Temperatur des Nitrierprozesses, der Art des zu nitrierenden Materials sowie seiner chemischen Zusammensetzung und Oberflächenbeschaffenheit. Sie wird üblicherweise in Mikrometern oder Millimetern gemessen und ist ein wichtiger Parameter bei der Beurteilung der Qualität des Nitrierprozesses.
Die Bestimmung der Nitrierhärtetiefe (NHT) ist in der Norm DIN EN ISO 18203 festgelegt.
Wichtig ist, dass die Oberfläche der Probe fein bearbeitet wurde und sich für die Messung eignet. Dann wird aus mindestens drei Härteeindrücken die Kernhärte ermittelt. Diese ist nötig, um die so genannte Grenzhärte festzulegen, die 50 HV über der Kernhärte liegt.
Danach erfolgt eine Vickers Härteprüfung mit Härteprüfeindrücken vom Rand weg zum Werkstückinneren hin. Die Nitrierhärtetiefe ergibt sich nun durch ein Ausmessen des Härteverlaufs von der Oberfläche bis zur berechneten Grenzhärte (siehe Grafik).
Werkstoffgruppe | Werkstoff | Nummer | Zugfestigkeit N/mm² | Oberflächenhärte | Nitrierhärte tiefe |
---|---|---|---|---|---|
Vergütungsstähle | ST 52-3 N | 1.0811 | 500 – 600 | 550 – 700 | 0,2 – 0,8 |
Vergütungsstähle | Ck 45 | 1.1191 | 650 – 750 | 300 – 400 | 0,2 – 0,8 |
Vergütungsstähle | 25 CrMo 4 | 1.7218 | 750 – 950 | 550 – 700 | 0,1 – 0,8 |
Vergütungsstähle | 34 CrMo 4 | 1.7220 | 800 – 950 | 550 – 700 | 0,1 – 0,8 |
Vergütungsstähle | 42 CrMo 4 | 1.7225 | 850 – 1.000 | 550 – 700 | 0,1 – 0,8 |
Vergütungsstähle | 50 CrMo 4 | 1.7228 | 850 – 1.000 | 500 – 650 | 0,1 – 0,6 |
Vergütungsstähle | 50 CrV 4 | 1.8159 | 850 – 1.000 | 550 – 700 | 0,1 – 0,6 |
Vergütungsstähle | 34 CrNiMo 6 | 1.6582 | 900 – 1.200 | 600 – 800 | 0,1 – 0,6 |
Vergütungsstähle | 30 CrNiMo 8 | 1.6580 | 900 – 1.200 | 600 – 800 | 0,1 – 0,8 |
Vergütungsstähle | 32 CrMo 12 | 1.7361 | 900 – 1.300 | 700 – 900 | 0,1 – 0,8 |
Vergütungsstähle | 30 CrMoV 9 | 1.7707 | 900 – 1.200 | > 700 | 0,1 – 0,8 |
Vergütungsstähle | 14 CrMoV6.9 | 1.7735 | 900 – 1.050 | 750 – 850 | 0,1 – 1,0 |
Nitrierstähle | 15 CrMoV5.9 | 1.8521 | 900 – 1.050 | 750 – 850 | 0,1 – 1,0 |
Nitrierstähle | 31 CrMo 12 | 1.8515 | 900 – 1.300 | 750 – 900 | 0,1 – 0,8 |
Nitrierstähle | 31 CrMoV 9 | 1.8519 | 900 – 1.200 | > 700 | 0,1 – 0,8 |
Nitrierstähle | 34 CrAl6 | 1.8501 | 800 – 950 | > 850 | 0,1 – 0,8 |
Nitrierstähle | 34 CrAlMo 5 | 1.8507 | 850 – 1.000 | > 850 | 0,1 – 0,8 |
Nitrierstähle | 34 CrAlNi 7 | 1.8550 | 900 – 1.050 | > 850 | 0,1 – 0,8 |
Einsatzstähle | 17 CrNiMo 6 | 1.6587 | – | 550 – 700 | 0,1 – 0,8 |
Einsatzstähle | 16 MnCr 5 V | 1.7131 | 600 – 800 | 550 – 730 | 0,1 – 0,8 |
Einsatzstähle | 20 MnCr 5 V | 1.7147 | 600 – 800 | 550 – 730 | 0,1 – 0,8 |
Kaltarbeitsstähle | 40 CrMnMo 7 | 1.2311 | 1.000 – 1.300 | 650 – 800 | 0,1 – 0,5 |
Kaltarbeitsstähle | 16 MnCr 5 V | 1.7131 | 600 – 800 | 600 – 730 | 0,1 – 1,0 |
Kaltarbeitsstähle | 20 MnCr 5 V | 1.7147 | 600 – 800 | 600 – 730 | 0,1 – 1,0 |
Kaltarbeitsstähle | 40 CrMnMoS 8.6 | 1.2311 | 1.000 – 1.300 | 650 – 800 | 0,1 – 0,5 |
Kaltarbeitsstähle | 46 CrMnMoS 8.6 | 1.2312 | 1.000 – 1.300 | 650 – 800 | 0,1 – 0,5 |
Kaltarbeitsstähle | X 155CrMo 12.1 | 1.2379 | 1.400 – 1.800 | 850 – 1150 | 0,1 – 0,15 |
Kaltarbeitsstähle | X 165CrMoV 12.1 | 1.2601 | 1.400 – 1.800 | 850 – 1050 | 0,1 – 0,15 |
Kaltarbeitsstähle | 55 NiCrMoV 6 | 1.2713 | 1.000 – 1.400 | 500 – 700 | 0,1 – 0,5 |
Kaltarbeitsstähle | 56 NiCrMoV7 | 1.2714 | 1.000 – 1.400 | 500 – 700 | 0,1 – 0,5 |
Kaltarbeitsstähle | X 38CrMoV 5.1 | 1.2343 | 1.200 – 1.800 | > 850 | 0,1 – 0,4 |
Kaltarbeitsstähle | X 40CrMoV 12.1 | 1.2344 | 1.200 – 1.800 | > 850 | 0,1 – 0,4 |
Kugelgraphitguss | GGG 50 | 500 | 500 – 700 | 0,1 – 0,4 | |
Kugelgraphitguss | GGG 60 | 600 | 500 – 700 | 0,1 – 0,4 |
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]]>Bereits 1900 entwickelte Georges Charpy ein Verfahren zur Ausscheidungshärtung. Dr. Alfred Wilm wendete dieses Verfahren erfolgreich für Aluminiumlegierungen an und erfand 1909 das Duraluminium, das sich die Dürener Metallwerke sogleich als eingetragenes Warenzeichen schützen ließen.
Duraluminium war ein Pionierwerkstoff im Luftschiffbau. Es wurde 1911 im britischen Luftschiff HMA No. 1 „Mayfly“ eingesetzt und ab 1914 in den deutschen Zeppelinen LZ 16 und Z XII verbaut. Es ermöglichte die Entwicklung von Leichtflugzeugen mit Ganzmetallrümpfen, wie der Junkers F 13, und unterstützte die Monocoque-Bauweise.
Duraluminium ist ein vielseitiger Werkstoff, der eine Reihe attraktiver Vorteile bietet, aber auch Nachteile birgt:
Material | Dichte in kg/dm3 | E-Modul in N/mm2 | Zugfestigkeit in N/mm2 | Bruchdehnung in % | Brinellhärte HB |
---|---|---|---|---|---|
Dural AlCu4Mg1 | 2,75–2,87 | 73.000 | 420–500 | < 22 | 115–135 |
Reinaluminium Al99,5 | 2,7 | 70.000 | 75–110 | < 7 | 22–35 |
Unlegierter Stahl (S355) | 7,9 | 200.000 | 510 | 19 | 120–140 |
Chrom-Nickel- Stahl | 7,9 | 200.000 | 500–750 | 40 | 130–190 |
54SiCr6 (Federstahl) | 7,46 | 210.000 | 1450–1750 | 6 | 230–280 |
Durch seine hohe Festigkeit und sein geringes Gewicht eignet sich Duraluminium hervorragend für vielseitige industrielle Einsatzbereiche:
Duraluminium gehört zu den Aluminiumlegierungen der Gruppe AlCuMg (Werkstoffnummer 2000 bis 2999). Je nach Legierungszusammensetzung unterscheiden sich auch Eigenschaften wie die Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitbarkeit, Schweißbarkeit und der Preis.
Die Werkstoffnummern für Duraluminium bzw. die geltenden Normen können sich regional unterscheiden. In Europa nutzen wir sowohl die EN-Norm (z. B. EN AW-2020) als auch die Aluminium-Association-Norm (z. B. AA2020). In den USA wird vor allem auf die AA-Norm gesetzt.
Anhand der ersten Ziffer ihrer Werkstoffnummer lassen sich zwei Hauptsorten klassifizieren. Folgende Tabelle beschreibt einige der wichtigsten Duraluminium-Sorten.
Kategorie | Werkstoffsorte |
---|---|
EN AW-2XXX-Serie | • 2024: Gehört zu den am häufigsten genutzten Duraluminium-Typen und bietet eine hohe Zugfestigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und einfache Verarbeitbarkeit. • 2017: Zäher und besser schweißbar als 2024, verfügt aber über eine etwas geringere Zugfestigkeit. • 2020: Besonders preiswert und einfach zu bearbeiten, bietet aber weniger Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit. |
EN AW-7XXX-Serie | • 7075: Die Duraluminium-Sorte mit der höchsten Festigkeit, allerdings ist sie auch weniger korrosionsbeständig und schwieriger zu bearbeiten als andere Sorten. • 7050: Die Festigkeit ist geringer als bei 7075, aber diese Sorte ist zäher und leichter schweißbar. • 7039: Sowohl Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit sind geringer als bei 7075, aber dieser Duraluminium-Typ ist besonders preiswert und einfach zu verarbeiten. |
Die Ausscheidungshärtung oder Auslagerungshärtung, ist eine Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit und Härte von Legierungen wie Duraluminium. Dadurch wird das Material deutlich fester als Reinaluminium. Dieses Verfahren umfasst drei wesentliche Schritte:
Die jeweiligen Legierungselemente und ihre Konzentration sind entscheidend für das Ergebnis der Ausscheidungshärtung:
Genau wie andere Aluminiumlegierungen eignet sich Duraluminium hervorragend zum Recycling. Die Wiederverwendung als Sekundäraluminium benötigt deutlich weniger Energie als die primäre Aluminiumherstellung. Aluminium wird mittels energieaufwendiger Schmelzflusselektrolyse aus Bauxit gewonnen. Der Energiebedarf beim Recycling von Aluminium liegt hingegen nur bei etwa 4 bis 6 % des ursprünglichen Herstellungsprozesses.
Somit spart das Recycling von Aluminium nicht nur Rohstoffe, sondern reduziert auch CO2-Emissionen. Dadurch gilt Aluminium als vergleichsweise umweltfreundlicher Werkstoff, der zu einer nachhaltigen Materialwirtschaft beiträgt.
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