Werkstofftechnik für Wirtschaftsingenieure

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1 Werkstofftechnik für Wirtschaftsingenieure

2 Bozena Arnold Werkstofftechnik für Wirtschaftsingenieure

3 Professorin Dr.-Ing. Bozena Arnold (ehemals Boczek) Prof. em. der Hochschule für Angewandte Wissenschaften HAW Hamburg Deutschland ISBN DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort Wirtschaftsingenieurwesen ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das als Schnittstelle zwischen Ingenieurwissenschaften und Betriebswirtschaft gesehen wird. Wirtschaftsingenieure sind keine Spezialisten, sie sind Generalisten. Ihre Hauptaufgaben sind Projektaufsicht und Kontakt zu Kunden. Daher ist der Studiengang vom Charakter her breit angelegt und zielt nicht auf Vertiefung bzw. Spezialisierung. Bei einer Befragung zur Evaluation des Faches Werkstofftechnik hat ein Student geschrieben: Meiner Ansicht nach ist es vor allem sehr wichtig, ein breites Angebot an Informationen zu liefern, auch wenn hierdurch kein Thema stark vertieft werden kann, da man bei tieferem Bedarf an Informationen jederzeit in Büchern nachlesen kann. Diese Aussage ist für das vorliegende Buch grundlegend. Entstanden ist das Buch aus meinen Vorlesungen im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen an der NORDAKADEMIE, einer privaten, staatlich anerkannten Fachhochschule in Elmshorn. Eingeflossen sind auch Erfahrungen aus meiner langjährigen Tätigkeit als Professorin für Werkstofftechnik an der Marine Universität in Stettin und an der der Hochschule für Angewandte Wissenschaften HAW in Hamburg. Das Buch soll ein Verständnis für Werkstoffe auf einer wissenschaftlichen, aber keiner vertieften Grundlage ermöglichen. Die Leitfrage lautet: Welche Eigenschaften hat ein Werkstoff und was können wir damit anfangen? Die Frage, warum der Werkstoff diese Eigenschaften hat, ist hier nicht vordergründig. Ein Anwender entscheidet sich für einen Werkstoff, weil der Werkstoff die geforderten Eigenschaften aufweist. Die Gliederung des Buches ist klassisch, nach den Werkstoffarten. Hierbei wurde ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Metallen und Nichtmetallen angestrebt. Da Metalle nach wie vor die Hauptwerkstoffe der Technik sind, bilden sie den größten Teil des Buches. Die zunehmende Rolle der Kunststoffe wird betont und sie werden entsprechend breit besprochen. Systematisch werden wirtschaftliche Aspekte sowie das Recycling von Werkstoffen behandelt. Der Umfang dieses Buches ist im Vergleich zu der breiten Palette werkstofftechnischer Themen relativ gering. Diese gestraffte Darstellung war beabsichtigt. Das Buch soll an der Anwendung orientiert sein. Deswegen wurde als Begleiter, als Anwendungsträger, ein Getriebe gewählt. Der Einsatz von Werkstoffen wird, wo nur möglich, am Beispiel der Getriebebauteile besprochen. Dieses Leitbeispiel zieht sich wie ein roter Faden durch das ganze Buch und ist seine Besonderheit. Eine weitere Besonderheit des V

5 VI Vorwort Buches sind kleine Geschichten über und um Werkstoffe, die den Text abwechslungsreich machen sollen. An dieser Stelle möchte ich der Nordakademie für die Unterstützung meines Buchprojekts danken. Der Präsident der Hochschule, Herr Prof. Dr. Georg Plate, hat das Projekt von Anfang an befürwortet und sich oft nach seinem Stand erkundigt. Sehr bedanken möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Volker Ahrens, dem Leiter des Fachbereiches Ingenieurwissenschaften und des Studiengangs Wirtschaftsingenieurwesen. Seine aufbauenden Worte, aufschlussreichen Hinweise und Textkorrekturen haben mir bei der Arbeit am Buch sehr geholfen. Und auch die Hilfe von Herrn Dipl.-Ing. (FH) Wilfried Netzler war bei vielen kleinen und doch wichtigen Angelegenheiten unersetzlich. Des Weiteren möchte ich der Firma Getriebebau NORD in Bargteheide für das Interesse an meinem Vorhaben danken. Insbesondere danke ich den Herren Dr. Bernhard Bouche und Dr. Reiko Thiele für sehr informative Gespräche über die Anwendung von Werkstoffen in Getrieben. Mein ganz besonderer Dank gilt Frau Sabine Wetzker. Sie hat Wirtschaftsingenieurwesen studiert und sich schon während des Studiums für Werkstoffe sehr interessiert. Ihre Diplomarbeit, die ich betreut habe, war dem Recycling von Kunststoffen gewidmet. So haben wir uns kennengelernt. Derzeit arbeitet sie erfolgreich als Projektmanagerin in der Firma Oerlikon Neumag in Neumünster. Mit Frau Wetzker habe ich über die Buchinhalte viel diskutiert. Ihre Bemerkungen waren stets sehr wertvoll und hilfreich. Durch sorgfältiges und kritisches Korrekturlesen hat Frau Wetzker aktiv und unvergessen zum Gelingen des Buches beigetragen. April 2013 Bozena Arnold

6 Inhaltsverzeichnis 1 Werkstoffe und ihre Bedeutung Der Begriff Werkstoff Umgang mit Werkstoffen Werkstoffe und Wirtschaft Werkstoffkreislauf Wie viele Werkstoffe werden produziert? Verfügbarkeit von Werkstoffen Was kosten Werkstoffe? Wie werden Werkstoffe bezeichnet? In welcher Form werden Werkstoffe angeboten? Werkstoffe und Umwelt Anforderungen an Werkstoffe Recycling von Werkstoffen Ökobilanzen Auswahl von Werkstoffen Eigenschaftsprofil Performance Indices P.I Werkstoffeinsatz am Beispiel eines Stirnradschneckengetriebes Was ist ein Stirnradschneckengetriebe? Auswahl der Werkstoffe für die Schneckenstufe Werkstoffe für Bauteile des Stirnradschneckengetriebes Weiterführende Literatur Einteilung und strukturelle Betrachtung von Werkstoffen Was sind Stoffe? Einteilung von Stoffen Wann wird ein Stoff zum Werkstoff? Werkstoffe und ihre Einteilung Einteilung von Werkstoffen nach ihrer Art Einteilung der Werkstoffe nach Dichte Einteilung von Werkstoffen nach weiteren Kriterien VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis 2.3 Betrachtung der Zusammensetzung und der Struktur von Werkstoffen Zusammensetzung von Werkstoffen Strukturebenen Feinstruktur von Werkstoffen Zusammenhalt der Feinstruktur Ordnungszustand der Feinstruktur Zusammenhang Technologie/Struktur/Eigenschaften Weiterführende Literatur Eigenschaften von Werkstoffen und ihre Ermittlung Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Was ist mechanische Beanspruchung? Eigenspannungen Kerbwirkung Verhalten von Werkstoffen bei Zugbelastung Steifigkeit Festigkeit und Härte Verformbarkeit und Zähigkeit Weitere mechanische Eigenschaften Thermische Eigenschaften Technologische Eigenschaften Fertigungstechnik Eignung für fertigungstechnische Verfahren Chemisch-technische Eigenschaften Anisotropie und Isotropie Kennzeichnung von Eigenschaften Werkstoffkennwerte Gewichtsbezogene Eigenschaften Ermittlung von Eigenschaften Werkstoffprüfung Mechanische Prüfungen Technologische Prüfungen Zerstörungsfreie Prüfungen Materialographische Prüfungen Chemisch-technische Prüfungen Werkstoffprüflaboratorien Weiterführende Literatur Grundlagen der Metallkunde Reinmetalle und Legierungen Reinmetalle Legierungen

8 Inhaltsverzeichnis IX 4.2 Kristalline Struktur von Metallen Idealkristalle Metallgitter Allotropie Realkristalle Gefüge von Metallen Merkmale und Entstehung eines Gefüges Ausrichtung von Körnern Textur Mischkristalle Intermetallische Verbindungen Kristallgemische Zustandsdiagramme von Legierungen Allgemeine Eigenschaften von Metallen Mechanische Eigenschaften von Metallen Festigkeit und Steifigkeit Spannungs-Dehnungs-Kurven von Metallen Kriechen von Metallen Verformbarkeit Härte Dauerfestigkeit (Schwingfestigkeit) Zähigkeit Zusammenfassender Überblick mechanischer Eigenschaften Kalt- und Warmumformung von Metallen Kaltumformung Warmumformung Vergleich von Kalt- und Warmumformung Kaltverformung und Rekristallisation Technologische Eigenschaften von Metallen Korrosionsbeständigkeit von Metallen Grundlegende Informationen Ursachen der Korrosionsbeständigkeit Ermittlung der Korrosionsbeständigkeit Grundprinzipien des Korrosionsschutzes Weiterführende Literatur Eisenwerkstoffe Stähle und Gusseisen Einteilung der Eisenwerkstoffe Reineisen Eigenschaften von Reineisen Gewinnung von Reineisen Das System Eisen-Kohlenstoff Gefügebestandteile von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen Das Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff

9 X Inhaltsverzeichnis Austenitumwandlung ZTU-Diagramm Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen Zweck und Verfahren der Wärmebehandlung Glühbehandlung von Stahl Härten von Stahl Oberflächenbehandlungen von Stahl Herstellung von Stahl Zusammensetzung und das Bezeichnungssystem der Stähle Woraus bestehen Stähle? Begleitelemente und ihre Wirkung Unlegierte Stähle Legierte Stähle Bezeichnungssystem der Stähle Güteklassen und Handelsformen von Stahl Baustähle Bewertung der Schweißbarkeit von Baustählen Allgemeine Baustähle (unlegierte Baustähle) Wetterfeste Baustähle Feinkornbaustähle Stähle für Wärmebehandlung Bewertung der Härtbarkeit von Stählen Vergütungsstähle Stähle für Oberflächenbehandlungen Korrosionsbeständige Stähle Korrosionsbeständigkeit der Stähle Einteilung korrosionsbeständiger Stähle Eigenschaften und Anwendung korrosionsbeständiger Stähle Wärmebeständige Stähle Anforderungen an wärmebeständige Stähle Einteilung und Anwendung wärmebeständiger Stähle Werkzeugstähle Anforderungen an Werkzeugstähle Einfluss der Temperatur auf die Härte Einteilung der Werkzeugstähle Anwendung von Werkzeugstählen Weiche Stähle zum Kaltumformen Stähle für spezielle Bauteile Federstähle Wälzlagerstähle Automatenstähle Mehrphasenstähle Einsatzgebiete von Stahl

10 Inhaltsverzeichnis XI 5.17 Eisengusswerkstoffe Stahlguss Gusseisen Einteilung und Bezeichnung von Gusseisen Gusseisen mit Lamellen-, Kugel- und Vermiculargraphit Temperguss Einsatzgebiete von Eisengusswerkstoffen Produktion von Eisenwerkstoffen Produktion von Roheisen Produktion von Stahl Produktion von Eisengusswerkstoffen Recycling von Eisenwerkstoffen Weiterführende Literatur Aluminiumwerkstoffe Reinaluminium Eigenschaften von Reinaluminium Gewinnung von Reinaluminium Aushärten von Aluminiumlegierungen Allgemeines zum Aushärten Verfahrensschritte beim Aushärten Typen und Eigenschaften von Aluminiumwerkstoffen Einteilung und Bezeichnung von Aluminiumwerkstoffen Nicht aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen Aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen Aluminium-Gusslegierungen Aluminiumschäume Anwendung von Aluminiumwerkstoffen Einsatzgebiete von Aluminiumwerkstoffen Anwendung von Aluminium-Knetlegierungen Anwendung von Aluminium-Gusslegierungen Produktion von Aluminiumwerkstoffen Recycling von Aluminiumwerkstoffen Weiterführende Literatur Kupferwerkstoffe Reinkupfer Eigenschaften von Reinkupfer Gewinnung von Reinkupfer Typen und Eigenschaften von Kupferwerkstoffen Bezeichnung von Kupferwerkstoffen Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze) Weitere Kupferwerkstoffe

11 XII Inhaltsverzeichnis 7.3 Anwendung von Kupferwerkstoffen Einsatzgebiete von Kupferwerkstoffen Anwendung von Messing Anwendung von Bronze Produktion von Kupferwerkstoffen Recycling von Kupferwerkstoffen Weiterführende Literatur Weitere Nichteisenmetalle Magnesiumwerkstoffe Eigenschaften und Gewinnung von Reinmagnesium Typen und Eigenschaften von Magnesiumwerkstoffen Anwendung von Magnesiumwerkstoffen Produktion und Recycling von Magnesiumwerkstoffen Titanwerkstoffe Eigenschaften und Gewinnung von Reintitan Einteilung und Bezeichnung von Titanwerkstoffen Typen und Eigenschaften von Titanwerkstoffen Anwendung von Titanwerkstoffen Titan als Implantatwerkstoff Produktion und Recycling von Titanwerkstoffen Weiterführende Literatur Grundlagen der Kunststoffkunde Polymere Herstellung von Polymeren Bauprinzip von Polymeren Struktur und Arten von Polymeren Zusatzstoffe Spezifikation von Kunststoffen Einteilung von Kunststoffen Bezeichnung der Kunststoffe Handelsformen von Kunststoffen Allgemeine Eigenschaften von Kunststoffen Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen Abhängigkeit des Verhaltens von Zeit und Temperatur Festigkeit und Steifigkeit Spannungs-Dehnungs-Kurven von Kunststoffen Verformbarkeit Härte Zähigkeit Dauerfestigkeit Thermische Eigenschaften von Kunststoffen Spezifische Zustände unter Wärmeeinwirkung Beeinflussung der Wärmebeständigkeit von Polymeren

12 Inhaltsverzeichnis XIII Bestimmung der Wärmeformbeständigkeit Brennbarkeit von Kunststoffen Optische und elektrische Eigenschaften von Kunststoffen Technologische Eigenschaften von Kunststoffen Chemische Beständigkeit von Kunststoffen Erkennen von Kunststoffen Vergleich Metalle/Kunststoffe Weiterführende Literatur Thermoplastische Kunststoffe Verhalten von Thermoplasten unter Wärmeeinwirkung Amorphe Thermoplaste Teilkristalline Thermoplaste Eigenschaften und Anwendung ausgewählter Thermoplaste Einteilung und Eigenschaften von Thermoplasten Massenkunststoffe Technische Kunststoffe Hochleistungskunststoffe Polymerblends Biokunststoffe Einsatzgebiete der Thermoplaste Produktion von Thermoplasten Recycling von Thermoplasten Weiterführende Literatur Duroplastische und elastomere Kunststoffe Duroplaste Herstellung von Bauteilen aus Duroplasten Bezeichnung von Duroplasten Verhalten von Duroplasten unter Wärmeeinwirkung Eigenschaften und Anwendungen ausgewählter Duroplaste Elastomere Verhalten von Elastomeren unter Kraft- und Wärmeeinwirkung Bezeichnung von Elastomeren Eigenschaften und Anwendungen ausgewählter Elastomere Produktion von Duroplasten und Elastomeren Recycling von Duroplasten und Elastomeren Weiterführende Literatur Keramische Werkstoffe Einordnung und Einteilung keramischer Werkstoffe Sintertechnische Herstellung von Keramik Herstellung keramischer Werkstoffe Möglichkeiten der Sintertechnik

13 XIV Inhaltsverzeichnis 12.3 Struktur und Eigenschaften keramischer Werkstoffe Struktur von Keramik Eigenschaften von Keramik Vergleich Metalle/Keramiken Silicatkeramik Oxidkeramik Aluminiumoxid Zirkoniumdioxid Nichtoxidkeramik Elementare Werkstoffe Metallische Hartstoffe Silizium- und borbasierte Nichtoxidkeramik Einsatzgebiete technischer Keramik Produktion und Recycling keramischer Werkstoffe Weiterführende Literatur Verbundwerkstoffe Aufbau von Verbundwerkstoffen Aufgaben der Einzelstoffe Matrixstoffe Einteilung von Verbundwerkstoffen Hartmetalle Aufbau und Herstellung von Hartmetallen Eigenschaften und Anwendung von Hartmetallen Produktion und Recycling von Hartmetallen Faserverbundwerkstoffe Faserwerkstoffe Beeinflussung der Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen Mechanische Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen Herstellung von Faserverbundwerkstoffen Arten und Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen Produktion und Recycling von Faserverbundwerkstoffen Faserverstärkte Keramik Metall Matrix Composites MMC Weiterführende Literatur Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften Halbleiter Formgedächtniswerkstoffe Formgedächtniseffekt Arten und Anwendung von Formgedächtniswerkstoffen

14 Inhaltsverzeichnis XV 14.3 Piezoelektrische Werkstoffe Voraussetzungen für die Piezoelektrizität Typen und Anwendung piezoelektrischer Werkstoffe Weiterführende Literatur Anhang Sachverzeichnis