Das Kaltziehen ist ein hochpräzises Verfahren, das drei wesentliche Schritte umfasst:

1. Vorbereitung des Ausgangsmaterials: Das Ausgangsmaterial ist zumeist eine Stange oder ein Draht aus Edelstahl. Das Werkstück muss auf die gewünschte Länge gekürzt werden. Zudem muss die Oberfläche gereinigt und entfettet werden.
2. Kaltziehen: Zum Kaltziehen wird das Werkstück in die Ziehvorrichtung eingespannt. Unter Einwirkung von Zugkräften wird es dann bei Raumtemperatur durch eine oder mehrere Matrizen gezogen. Die Matrizen bestimmen dabei die Geometrie des fertigen Werkstücks. Während des Kaltziehens wird das Material verlängert und verjüngt. Das Ziehen wird so oft wiederholt, bis die gewünschte Länge und Dicke erreicht sind.
3. Nachbehandlung: Nach dem Kaltziehen kann eine Wärmebehandlung die Festigkeit des fertigen Produkts steigern oder eine Oberflächenbehandlung die Korrosionsbeständigkeit steigern.

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.

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:

• Anlassen: Das Anlassen eignet sich zum Abbau innerer Spannungen, die beim Kaltziehen entstanden sind. Dazu wird das Material zunächst erhitzt und dann langsam abgekühlt. Dadurch sinkt die Härte und die Zähigkeit nimmt zu.
• Vergüten: Durch Vergüten erreichen hochfeste Stähle nach dem Kaltziehen eine höhere Festigkeit und Härte. Dafür wird der Stahl auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann schnell abgekühlt. Das Ergebnis ist eine martensitische Struktur.
• Lösungsglühen: Beim Lösungsglühen wird das Material erhitzt, um Verunreinigungen und Kristallfehler zu beseitigen. Ziel ist eine Homogenisierung der Kornstruktur für eine bessere Zähigkeit und Duktilität. Lösungsglühen findet primär bei Edelstählen Anwendung.
• Normalglühen: Mittels Normalglühen lassen sich innere Spannungen abbauen und die Kornstruktur verfeinern. Das Material wird dafür moderat erhitzt und langsam abgekühlt.

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.

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

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.

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.

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 S_a. Die Mittelspannung ist der Mittelwert aus der im Versuch maximal zugeführten Spannung, der Oberspannung So, und der minimal zugeführten Spannung, der Unterspannung S_u. 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 S_o und die Unterspannung S_u in Abhängigkeit von der Mittelspannung S_m 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.

Auch externe Einflussfaktoren bzw. der Einsatzzweck des Werkstücks müssen hinsichtlich der Dauerfestigkeit berücksichtigt werden.

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.

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.

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.

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.

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:

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:

Schweißgeeigneter Feinkornbaustahl ermöglichet besonders robuste und gleichzeitig leichte Konstruktionen. Typische Anwendungsbeispiele sind:

• Brücken-Leichtbau: Feinkornbaustahl vereint eine hohe Tragfähigkeit mit leichterem Gewicht und eignet sich daher ideal für Brückenkonstruktionen. Besonders bei der Überbrückung großer Spannweiten und bei schwierigen Geländebedingungen sind diese Eigenschaften entscheidend.
• Kranbau: Egal ob Baukran oder Autokran – die robuste Natur von Feinkornbaustahl bietet die nötige Belastbarkeit zur effizienten Bewegung schwerer Lasten.
• Offshore-Anlagen: Salzwasser und starke Strömungen erschweren sowohl den Bau als auch den Betrieb von Hochsee-Bohranlagen und Pipelines. Feinkornbaustahl bietet die erforderliche Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
• Maschinenbau: Feinkornbaustähle bieten hervorragende Eigenschaften für den Maschinenbau und kommen beispielsweise im Sondermaschinenbau, sowie bei Forstmaschinen, Industriepressen und Baggern zum Einsatz.

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.

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 Eigenspannungen (I. Art)

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 (II. Art)

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
Eigenspannungen/Nano-Eigenspannungen (III. Art)

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

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.

Latente Spannungen

Wenn temporäre Spannungen die Streckgrenze überschreiten, entstehen latente Spannungen, die sich durch Maßnahmen wie Spannungsarmglühen oder Tempern beseitigen lassen.

Permanente Spannungen

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.

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:

• Spannungsarmglühen: Das Spannungsarmglühen findet unterhalb der individuellen Umwandlungstemperatur des jeweiligen Werkstoffs statt und gilt als sehr effektive Wärmebenhandlung zum Abbau von Eigenspannungen.
• Normalisieren: Beim Normalisieren wird der Stahl auf eine Temperatur oberhalb seiner Umwandlungstemperatur erhitzt und dann im Gas oder an der Luft abgekühlt. Dadurch werden gleichzeitig Härte, Zugfestigkeit und Eigenspannungen im Material abgebaut.
• Anlassen: Die Anlasstemperatur ist werkstoffspezifisch und kann aus sog. Werkstoffdatenblättern entnommen werden. Über das Anlassen ist es möglich die gewünschte Endhärte an einem Bauteil einzustellen. Dann folgt ein langsames Abkühlen. Dabei werden Härte, Zugfestigkeit und Eigenspannungen abgebaut,
  während die Zähigkeit steigt. Je nach Werkstoff bzw. Stahlsorte können mehrfache Anlasszyklen erforderlich sein.

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:

• Gesteigerte Festigkeit: Druckeigenspannungen können die Festigkeit von Bauteilen erhöhen, z. B. bei Druckbehältern oder Turbinen.
• Höhere Korrosionsbeständigkeit: Eigenspannungen können einen positiven Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit haben, z. B. bei Rohrleitungen oder Armaturen.
• Höhere Belastbarkeit: Bauteile können durch Eigenspannungen eine höhere Ermüdungsfestigkeit erzielen, z. B. Federn und Achsen.
• Optimiertes Verformungsverhalten: Eigenspannungen beeinflussen das Verformungsverhalten von Metallen. Das ist beispielsweise relevant für Umformwerkzeuge oder verschiedenste Blechteile.

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.

Verschiedene Eigenschaften des jeweiligen Materials und diverse äußere Faktoren beeinflussen die Kerbschlagzähigkeit:

• Legierung: Die Zusammensetzung der Legierung und die Mikrostruktur bzw. die Korngröße und -verteilung beeinflussen die Kerbschlagzähigkeit sehr stark.
• Temperatur: Mit sinkender Temperatur nimmt die Kerbschlagzähigkeit vieler Werkstoffe ab, sie werden spröder.
• Bauteilgeometrie: Die Größe des Bauteils und die Wandstärke sind relevante Einflussfaktoren.
• Kerbgeometrie: Die Form und Tiefe der Kerbe in der Probe beeinflussen die Kerbschlagzähigkeit.
• Stoßgeschwindigkeit: Höhere Geschwindigkeiten verstärken die Stoßbelastung.

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:

1. Herstellung einer Probe: Zunächst wird eine rechteckige Probe bzw. ein Prüfstab mit einem Kerb an einer Seite erstellt. Der Kerb muss mittig der Länge als V oder U angebracht sein.
2. Durchführung des Versuchs: Die Probe wird horizontal in das Pendelschlagwerk eingespannt. Dabei liegt sie mittig auf zwei Auflagen. Nun trifft ein Pendelhammer mit einer vordefinierten Masse mittig auf die gegenüberliegende Seite des Kerbs.
3. Energiemessung: Die Energie, die der Pendelhammer zum Zerschlagen der Probe benötigt, wird gemessen.

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

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.

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.

Berechnung der Haftreibung

F_R,H = Reibungskraft
μ_H = Reibungskoeffizient der Haftreibung
FN = Normalkraft
F_R,max = maximale Haftreibung, um das Möbelstück in Bewegung zu setzen

Berechnung der Gleitreibung

F_R,G= Reibungskraft
μ_G = Reibungskoeffizient der Gleitreibung
F_N = 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.

Berechnung der Rollreibung

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.

• Traktion: In Maschinen und bei Fahrzeugen verbessert Haftreibung die Traktion
  zwischen verschiedenen Maschinenteilen oder zwischen Reifen und Straße, was eine
  bessere Kontrolle und Sicherheit gewährleistet.
• Kraftübertragung: In vielen mechanischen Systemen, wie zum Beispiel Getrieben,
  ermöglicht Reibung die Übertragung von Bewegung und Kraft von einem Teil auf ein
  anderes.
• Bremsen: Reibungsbasierte Bremsen sind entscheidend für die Sicherheit von
  Fahrzeugen und Maschinen, da sie eine kontrollierte Verzögerung und das Anhalten
  ermöglichen.
• Materialbearbeitung: Reibung wird zum Schleifen, Polieren und Glätten von
  Oberflächen verwendet, um präzise und glatte Endprodukte zu erzielen.

• Materialverschleiß: Reibung führt zu Abnutzung und Verschleiß von Maschinenteilen,
  was deren Lebensdauer verkürzt und häufige Wartungen oder Austausche
  erforderlich macht.
• Wärmeentwicklung: Übermäßige Reibung kann zu Überhitzung von Bauteilen führen,
  was deren Funktion beeinträchtigen oder sogar zu Schäden führen kann.
• Geräuschentwicklung: Reibung kann erhebliche Lärmemissionen verursachen, was
  die Arbeitsumgebung belastet.
• Schwingungen: Reibung kann unerwünschte Schwingungen und Vibrationen
  erzeugen, die Maschinen und Strukturen schädigen und die Präzision beeinträchtigen
  können.

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:

• Schmierstoffe: Schmierstoffe wie Öle und Fette werden verwendet, um den Reibungskoeffizienten zu senken, den Verschleiß zu reduzieren und die Lebensdauer von Maschinenteilen zu verlängern.
• Oberflächenbehandlung: Spezielle Oberflächenbehandlungen wie
  PVD-Beschichtungen oder Polieren können die Rauheit der Oberfläche minimieren und damit den Reibungskoeffizienten senken.
• Konstruktion: Durch die Optimierung der Konstruktion von Maschinen und Komponenten kann die Reibung reduziert und die Effizienz erhöht werden. Zum Beispiel reduzieren Gleit- oder Wälzlager die Reibung beweglicher Teile.

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.

Duraluminium ist ein vielseitiger Werkstoff, der eine Reihe attraktiver Vorteile bietet, aber auch Nachteile birgt:

• Festigkeit: Die Zugfestigkeit von Duraluminium beträgt zwischen 180 und 450 N/mm². Im Vergleich dazu bietet reines Aluminium lediglich eine Zugfestigkeit von etwa 80 N/mm².
• Langlebigkeit: Dank der Ausscheidungshärtung verfügt Duraluminium über eine äußerst stabile Grundstruktur und behält seine Festigkeit über vergleichsweise lange Zeit.
• Dichte: Duraluminium verfügt über eine Dichte von etwa 2,5 bis zu 2,8 g/cm3. Damit liegt die Dichte nur wenig höher als bei reinem Aluminium.
• Korrosionsanfälligkeit: Grundsätzlich ist Duraluminium korrosionsanfälliger als Reinaluminium. Durch Maßnahmen wie Eloxieren, Aluminium-Überzüge (Alclad) oder Lackierungen kann die Korrosionsbeständigkeit aber verbessert werden.
• Schweißbarkeit: Duraluminium ist nur bedingt schweißbar.
• Verformbarkeit: Duraluminium lässt sich gut verformen. Maßnahmen wie das Glühen können die Verformbarkeit weiter steigern.

Durch seine hohe Festigkeit und sein geringes Gewicht eignet sich Duraluminium hervorragend für vielseitige industrielle Einsatzbereiche:

• Luftfahrt: Duraluminium ist ein zentraler Werkstoff im Flugzeugbau, mit modernen Legierungen wie 2017, 2117 oder 2024, die in Flugzeugteilen, Tragflächen und Triebwerken verwendet werden.
• Fahrzeugbau: Egal ob Land Rover, Honda, Peugeot oder Austin-Healey – Duraluminium kommt in vielseitigen Anwendungen zum Einsatz, z. B. Motorblöcke, Zylinderköpfe, Getriebe, Räder, Karosserie, Tank, Stoßstange etc.
• Präzisionswerkzeuge: Durch seine hohe Festigkeit und gute Bearbeitbarkeit eignet sich Duraluminium hervorragend zur Herstellung von Präzisionswerkzeugen.
• Jagd- und Sportwaffen: Aufgrund seiner Robustheit und Leichtigkeit ist Duraluminium auch ein bevorzugtes Material für Repetier- und Kipplaufwaffen.
• Bauwesen: Für Leichtbaukonstruktionen und Brücken ist Duraluminium ein wertvoller Baustoff.
• Sportgeräte: Auch Sportgeräte wie Fahrräder und Skier profitieren vom geringen Gewicht und der hohen Festigkeit dieses Materials.

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.

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:

• Lösungsglühen: Zunächst wird die Duraluminiumlegierung auf eine hohe Temperatur erhitzt, bei der Legierungselemente wie Kupfer oder Mangan im Aluminium gelöst werden.
• Abschrecken: Anschließend wird das Material schnell abgekühlt, oft durch Eintauchen in Wasser oder Öl. Dabei wird eine übersättigte feste Lösung erzeugt und die gelösten Atome werden im Grundmetall „eingefroren“.
• Ausscheidung/Auslagern: Im letzten Schritt wird das Material bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur über einen längeren Zeitraum gelagert. Dabei bilden sich feine Teilchen aus den gelösten Elementen (Sekundärphasen). Diese Ausscheidungen blockieren die Bewegung von Versetzungen im Metallgitter, was die Festigkeit und Härte der Legierung erhöht.

Die jeweiligen Legierungselemente und ihre Konzentration sind entscheidend für das Ergebnis der Ausscheidungshärtung:

• Kupfer ist die Basis für die Ausscheidungshärtung, die Duraluminium seine hohe Festigkeit verleiht und steigert die Härte.
• Magnesium erhöht die Zugfestigkeit und Härte.
• Mangan sorgt für eine bessere Dehn- und Zugfestigkeit sowie eine höhere Korrosionsbeständigkeit.

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.