veröffentlicht am 7. März 2016 in Werkstoffe von

Werkstoffe und was man darüber wissen sollte

 

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Was sind Stähle?

 

Stähle sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Als Stahl wird bezeichnet, was vom Kohlenstoffgehalt her zwischen 0,05% und 2,06% liegt. Durch die Wahl des Kohlenstoffgehaltes im Stahl und einer bestimmten Behandlung können für unterschiedliche Anforderungen Stähle mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden.

 

 

Ferrit

Wird reines Eisen langsam abgekühlt lagern sich die Atome um. Aus der ausgänglichen Strucktur des kubisch-flächenzentriertem-Gitter ist nun nach der abkühlung ein kubisch-raumzentriertes-Gitter geworden. Nun bezeichnet man dieses Eisen als Ferrit. Ferrit hat die Eigenschaft, dass es weich und leicht umformbar ist. Es ist aber leider durch seine Gefügeanteile sehr korrosionsanfällig,

 

 

Austenit

Austenit besteht aus einem Gefüge aus Mischkristallen und besitzt ein kubisch-flächenzentriertes-Gitter, die die Eisenatome bei der Erstarrung bilden. Eine Stahlschmelze erstarrt zunächst immer als Mischkristalle. Die Kohlenstoffatome sind beim Austenit zwischen den Gitterlücken eingelagert. Dadurch hat Austenit die Eigenschaften der zähe und einer guten Umformbarkeit. Austenit ist nicht magnetisch und bildet in Kombination mit Sauerstoff eine Art Passivschicht, die sich bei Beschädigungen wieder erneuert.

 

Zementit

Zementit ist ein Gefüge, dass aus einer chemischen Verbinden von Eisen und Kohlenstoff besteht die Formel dieser Zusammensetztung lautet FE³C. Zementit ist sehr hart und spröde, verschleißfest aber schlecht formbar.

 

Perlit

Wird Austinit mit 0.8% Kohlenstoff abgekühlt, bleibt bei einer Wärme von 723 Grad Celsius die Temperatur eine gewisse Zeit lang konstant, da sich aus dem Gitter des Eisens ein kubisch-raumzentriertes-Gitter gebildet hat. Dieses Gitter kann aufgrund seiner Beschaffenheit keinen Kohlenstoff aufnehmen. Es entsteht ein Gefüge aus Ferrit als FE³C und kubisch-raumzentrierten Eisen. Perlit ist somit entstanden.

Weil Perlit nicht aus einer Schmelze sondern ehr aus Mischkristallen entsteht schimpft es sich ein eutektoidisches Gefüge.

 

Zum besseren Verständnis dieses doch anspruchsvollen Themas würde ich Dir gern das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm hier abbilden. Auf diesem sind die Zusammenhänge sehr gut ersichtlich.

 

 

stähle

Zerspanbarkeit von Stählen

 

Gut Zerspanbar ist ein Stahl wenn er

  • einen geringen Schneidenverschleiß verursacht,
  • möglichst kurze Späne anfallen,
  • ein hohes Spanvolumen in einer kurzen Zeit abzutrennen ermöglicht,
  • eine glatte Werkstückoberflächen ergibt und
  • geringe Zerspanungskräfte benötigt.

 

Besonders unlegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 und 0,4% Kohlenstoffanteil sind sehr gut zerspanbar.

 

Was ist eine Legierung?

Eine Legierung ist ein Zusammenbringen von zumeist Metallen mit anderen Metallen oder Nichteisenmetallen wie z.B. Aluminium in flüssiger also geschmolzener Form, welche aus einer gemeinsamen Schmelze erstarrt. Ein solches Gemisch nennt sich dann Legierung. Reine, also unlegierte Metalle erfüllen in der Fertigungstechnik und auch im Maschinenbau in ihrer Urform meist nicht die vielseitigen Anforderungen.

 

Legierungen, die häufig Verwendung finden sind zum Beispiel Messing (Kupfer-Zinklegierung), Gusseisen oder Stahl. Stahl ist ein Oberbegriff für schmiedbare Legierungen aus Eisen und einen Kohlenstoffanteil von aller höchstens 2,06%.

Das Wort „legieren“ stammt aus dem lateinisch ligare und bedeutet so viel wie zusammenbringen oder vereinen.

 

Einfluß von Legierungselementen auf die Zerspanbarkeit

Legierungselemente, die die Festigkeit des Stahles erhöhen verschlechtern die Zerspanbarkeit und erschweren die Spanabnahme. Auch Elemente, die den Stahl zäher machen verschlechtern die Zerspanbarkeit sehr. Elemente die mit Kohlenstoff sehr harte Carbide bilden führen zu kurzen Spänen, sie erhöhen aber der Werkzeugschneidenverschleiß und senken aus diesem Grund sehr die Zerspanbarkeit.

 

Legierungselemente wie Schwefel und Blei verbessern die Zerspanbarkeit von Stahl, wo hingegen schon geringe Mengen von  Chrom, Titan, Nickel, Vanadium oder Molybdän die Zerspanbarkeit eines Stahles sehr verschlechtern.

 

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Härten von Stählen

Die Verschleißfestigkeit und Härte von Stähle werden durch dasAbschreckhärten erhöht. Der Stahl wird hierfür bis in den Austenitbereich erhitzt. Dadurch verschiebt sich der Kohlenstoff im Stahl in die Gitterlücken des kubisch-Flächenzentrierten-Gitters.

 

Beim Abschrecken habe die Kohlenstoffatome keine Zeit wieder in ihre Ursprungsform zurück zu wandern und verbleiben an ihrem Platz. Die Kohlenstoffatome werden auf diesen Gitterstellen eingeschlossen. Der Stahl wird durch das Härten auf der einen Seite zwar spröde aber auch sehr fest und hart. Das nun entstandene Gefüge nennt sich Martensit.

Werkstoff Aluminium

 

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Aluminium ist ein weiß-siberner Werkstoff und gehört zu der Gruppe der Leichtmetalle. Aluminium ist elekrtisch sehr gut leitend und weisst nach Silber, Gold und Kupfer die vierthöchste Leitfähigkeit aller vorkommenden Werkstoffe auf.

 

Aluminium in seiner Urform also reines Aluminium hat überwiegend schlechte Zerspaneigenschaften, weshalb es aus diesem Grund meist mit anderen Stoffen legiert wird und die Zerspanbarkeit dadurch zu verbessern und um es härter zu machen, da es von Natur aus ein sehr weicher Werkstoff ist.

Zerspanungsproblem sind:

  • die Bildung einer Aufbauschneide.
  • die Bildung von Fließspänen, welche unter Umständen durch Verwicklung gefährlich werden können.
  • eine allgemein sehr schlechte Oberflächengüte.

 

Aufgrund dieser Probleme, die bei der Zerspanung entstehen können, zerspant man reines Aluminium oder weiche Aluminiumlegierungen mit möglichst hohen Schnittgeschwindigkeiten also im falle einer konventionellen beziehungsweise einer Hobby Drehbank mit einer sehr hohen Drehzahl. Des weiteren empfiehlt es sich einen kleinen Schneidenradius der Schneidplatte zu verwenden oder sich bei einem HSS-Stahl die Schneide möglichst spitz an zu schleifen. 

 

Aluminiumgusslegierung

Der Werkstoff Aluminium bildet in Kombination mit Silizium eine Kristallmenge. Bei ca. 600 Grad schmilzt eine Aluminium-Siliziumlegierung und besitzt dann gute Gießeigenschaften.  Es ist korrosionsbeständig und lässt sich sehr gut schweißen.

Anteile an Kupfer und Magnesium erhöhen die Festigkeit des Gefüges. In dem Zusammenhang verringer Kupfer jedoch die Korrosionsbeständigkeit.

Aluminiumgusslegierungen mit diesen Bestandteilen werden größtenteils als Werkstoffe für beispielsweise Getriebegehäuse im Fahrzeug – und Flugzeugbau verwendet.

 

Aluminiumknetlegierung

Geringe Legierungsbestandteile wie Silizium, Magnesium, Zink, Kupfer und Mangan ändern die Eigenschaften des reinen Werkstoff Aluminiums sehr stark. Hier werden insbesondere Härte und Festigkeit erhöht, die Umformbarkeit lässt leicht nach und die elektrische Leitfähigkeit wird gesenkt.

Aufgrund ihrer hohen Festigkeiten werden Aluminiumknetlegierungen als Werkstoffe für Konstrucktionsteile im Schiffs- Fahrzeug und Schiffbau verwendet.

 

Werkstoff Kupfer

 

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Der Werkstoff Kupfer hat die Eigenschaften, dass er besonders gut elektrisch leitend ist, er besitzt eine gute Umformbarkeit und es ist ein relativ weicher Werkstoff. Er zählt zu der Gruppe der Münzmetallen und gehört zu der Gruppe der Halbedelmetallen, daher ist Kupfer auch ein sehr teures Material. Sein Wert entsteht an der großen Warenterminbörsen und Rohstoffbörsen.

 

Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit von Kupfer als Werkstoff ist im allgemeinen sehr gut. Das sogenannte Automatenmessing hat sich in der Praxis als sehr gut heraus gestellt. es ist eine Legierung aus Kupfer und Zink und hat folgende Abkürzung CuZn39Pb3. Diese Legierung wird gern gewählt, da sie wie schon erwähnt leicht zerspanbar ist und gute Eigenschaften aufweist.

 

Was die Schnittdaten beim Drehen an der Hobby Drehbank angeht, sollte man beim Schruppen eine möglichst hohe Drehzahl wählen, eine geringe Schnitttiefe und einen großen Vorschub. Damit ist gewährleistet, dass es zu kleinen Bruchspänen kommt, da Kupfer ein ehr zähes Material ist kann es bei falscher Wahl der Schnittdaten zu einen regelrechten verkleben des Materials mit der Werkzeugschneide kommen.

 

Korrosion

Wenn der Werkstoff Kupfer den Witterungen ausgesetzt ist oder sich in einen feuchten Umfeld befindet setzt es wie auch Stahl eine Korrosion an. Diese Korrosion wird Patina genannt und sie hat eine grünlich, dunkelbraune Farbe, die sich auf dem Werkstoff absetzt, wie es auch auf dem Beispielbild der formschönen Milchkanne  zu sehen ist 🙂

 

Werkstoff Kunststoff

Der Werkstoff Kunststoff unterteilt sich in drei Arten, die ich Dir hier einzelnt erklären möchte:

Duroplaste

Die Duroplaste geht aus einer Verschmelzungsreaktion hervor. Diese Reaktion wird meistens durch erhitzen bewirkt und kann durch Einflüsse beschleunigt werden. Eine fertig ausgehärtete Duroplaste verformt sich nicht bei Erwärmung, sondern sie zersetzt sich. So kann man also heraus finden, ob es sich um eine Duroplaste handelt oder nicht. Aufgrunde ihrer guten mechanischen und chemischen Beständigkeit werden sie gerne in der Elektroinstallation verwendet. Zur Zerspanbarkeit sei gesagt, dass die sehr spröde und bruchempfindlich ist. Man sollte also sehr vorsichtig vorgehen, scharfe Werkzeuge, kleine Schnitttiefen und hohe Drehzahlen wählen.

 

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Termoplaste

Die Termoplaste ist, wie der Name schon sagt bei termischer Zufuhr von Energie also Wärme sowohl plastisch, als auch elastisch umformbar, außerdem schmelzen Termoplasten bei Erwärmung. Die Termoplaste ist im Alltag nahezu überall zu finden. Beispiele für Termoplasten wären Kunststoffrohre, Motorradverkleidungen oder Kinderspielzeug. Die Zerspanbarkeit der Termoplaste ist sehr gut, da sie nicht spröde oder bruchanfällig ist. Beim Zerspanen von dem Werkstoff Kunststoff sollte man umbedingt darauf achten kein Kühlschmierstoff zu verwenden, da dieser den Kunststoff aufschwemmt. Außerdem ist es von Vorteil eine hohe Drehzahl zu wählen, scharfe Werkzeuge mit kleinen Schneidenradien und große Schnitttiefe, wenn man auf verhältnismäßig kleinere Durchmesser drehen will, da sich der Kunststoff sonst weg drücken würde.

 

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Elastomere

Elastomere sind von der Vernetztung her sehr weitmaschig und daher, wie der Name schon sagt sehr flexibel und elastisch. Durch den Einfluß von mechanischen Druck verändert die Elastomere ihren Ursprungszustand, ohne sich dabei plastisch zu verformen. Beim nachlassen des Drucks kommt sie wieder in ihren Ursprungszustand. Typische Beispiele für eine Elastomere wären sämtliche Gummiartikel wie zum Beispiel Autoreifen, Gummibänder oder Gummihandschuhe, in denen Elastomere zu großen Anteilen vorhanden sind.

 

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