Teil I: Metallische Werkstoffe des Maschinenbaus. Kapitel B Nichteisen Werkstoffe

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1 Teil I: Metallische Werkstoffe des Maschinenbaus Kapitel B Nichteisen Werkstoffe B.1 Leichtmetalle B.1.1 Aluminiumwerkstoffe Bezeichnungen nach Euronorm (EN) Reines Aluminium / Erzeugung Aluminiumlegierungen (Knet- und Gusslegierungen) Ausscheidungshärtung B.1.2 Magnesiumwerkstoffe Reinmagnesium Magnesiumlegierungen B.1.3 Titanwerkstoffe Reintitan (99,5 bis 99,8 %) Titanlegierungen B.2 Schwermetalle B2.1 Kupferwerkstoffe Reinkupfer Kupfer-Zink- Legierungen (Messing) Kupfer-Bronzen Kupfer-Nickellegierungen B.2.2 Nickelwerkstoffe (DIN ) Reinnickel Nickel-Legierungen B.1.3 Bleiwerkstoffe B.1.4 Zinnwerkstoffe (DIN 1707, 1742, 17810) B.1.5 Zinkwerkstoffe Nichteisenmetalle03 Teil I-B

2 B. Nichteisenmetalle Leichtmetalle - Magnesium (Mg) 1,74 g/cm 3 - Aluminium (Al) 2,70 g/cm 3 - Titan (Ti) 4,50 g/cm 3 Schwermetalle - Zink (Zn) 7,13 g/cm 3 - Zinn (Sn) 7,28 g/cm 3 - Nickel (Ni) 8,90 g/cm 3 - Kupfer (Cu) 8,92 g/cm 3 - Blei (Pb) 11,30 g/cm 3 - Europäische Normbezeichnung - Übersicht V-B1 (Tab. A.7) - Metallwert einiger Elemente V-B2 B.1 Leichtmetalle - metallische Elemente mit ρ < 5 g/cm 3 - Lithium, Beryllium, Magnesium, Aluminium, Titan V-B3 (Tab. B.2) - technisch bedeutend - Magnesium, Aluminium, Titan - Einordnung nach mechanischen Eigenschaften - E-Modul V-B4 - Zugfestigkeit V-B5 - Anwendungen V-B6 - Konstruktionswerkstoffe - Transport, Luft- und Raumfahrt - Architektur, Verpackung, Haushalt Nichteisenmetalle03 Teil I-B

3 B.1.1 Aluminiumwerkstoffe Bezeichnungen nach Euronorm (EN) - Bezeichnung mittels Nummer V-B7 - EN AW Bezeichnung mit chemischen Symbolen V-B8 - EN AW-Al Mg2,5 - Basiselement, Legierungselement, Gehalt in % - Bezeichnung nach Zustand V-B9 - EN AW-Al Mg2,5 -T515 Reines Aluminium / Erzeugung - Erzeugung - Bauxit => Al2O3 (Bayer-Prozess) + Elektrolyse - hoher Verbrauch von Primärenergie (~ 15 MWh / t) - Bezeichnung - EN AB-Al 99,5 = 99,5 % Al, - Eigenschaften - geringe Dichte, geringer E-Modul - Korrosionsbeständigkeit, gute Leitfähigkeit V-B10 - Festigkeit - Kaltumformung - Korrosionsbeständigkeit - fest haftende Deckschichten (Al 2 O 3 ) - Schweißeignung - nur Schutzgasverfahren (WIG, MIG) - Deckschichtbildung unerwünscht - Leitfähigkeit - Einfluss Legierungselemente V-B11 (Abb. B3) - Einfluss Kaltumformung V-B12 (Abb. B2) Nichteisenmetalle03 Teil I-B

4 - Anwendungen - Leiterwerkstoff: Stromschienen etc. - Nahrungsmittelindustrie: Folien, Tuben V-B13 Aluminiumlegierungen (Knet- und Gusslegierungen) - Legierungselemente V-B14 (Abb. B1) - Knetlegierungen (EN AW-Al Mg Si1) - Gusslegierungen (EN AC-Al Si6 Cu) - Wichtige Legierungssysteme Al-Cu und Al-Si V-B15 (Abb. B4) V-B16 - Eigenschaften - geringe Dichte, hohe Festigkeit V-B17 (Abb. B7) - Festigkeit - Kaltumformung V-B18 - Mischkristallhärtung (Mg, Mn) V-B19 (Abb. B6) - Ausscheidungshärten Al 2 Cu bis 520 MPa (20h/180 C) MgZn 2 bis 350 MPa (24h/120 C) Mg 2 Si bis 320 MPa (18h/160 C) - Warmfestigkeit - Mischkristallhärtung (Mn, Cu) - Korrosionsbeständigkeit - fest haftende Deckschichten (Al 2 O 3 ) - durch Mg verbessert, durch Cu verschlechtert - Dichte - Mischkristall mit leichteren Elementen z.b. Li = 0,53 g/cm 3 - Zerspanbarkeit - Knetlegierungen lösungsgeglüht gut - Gusslegierungen mit Si schlecht V-B20 Nichteisenmetalle03 Teil I-B

5 - Anwendungen: V-B21 - Strangpresserzeugnisse V-B22, V-B23 - Fahr- und Flugzeugaufbauten, Fassaden V-B24 - Gussteile V-B25, V-B26 Ausscheidungshärtung - Ziel: Erhöhung der Festigkeit - Weg: V-B27 - Lösungsglühen (Ofen) - homogener Mischkristall - Abschrecken (Wasser) - Einfrieren des homogenen Mischkristalles - Hohe Leerstellenkonzentration V-B28 - abnehmende Löslichkeit mit sinkender Temperatur V-B29 (Abb. B8) - Auslagern (Kalt- oder Warmauslagerung) - Kaltauslagern (RT 100 C) V-B30 (Abb. B10) t = Stunden bis Tage - Warmauslagern ( C) V-B31 t = 10 min 50 h V-B32 (Abb. B11) - Festigkeitssteigerung durch Behinderung der Versetzungsbewegung - unteralterter Zustand: d A < d C ==> Schneidmechanismus - überalterter Zustand: d A > d C ==> Umgehen, Quergleiten B.1.2 Magnesiumwerkstoffe Reinmagnesium - Reinmagnesium wenig gebräuchlich - schlecht kaltumformbar, weil hdp - Desoxidationsmittel und Legierungselement für GJ Nichteisenmetalle03 Teil I-B

6 Magnesiumlegierungen - Bezeichnung mittels Nummer V-B33 - EN MC Bezeichnung mit chemischen Symbolen V-B34 - EN MB-Mg RE3 Zn2 Zr - Mg-Legierung mit 3 % RE, 2 Zn und Zirkon - Eigenschaften - gute mechanische Eigenschaften bei geringer Dichte - schlecht zu verarbeiten (Sauerstoff-Affinität) Brandgefahr bei Schmelzen, Gießen, Zerspanen - nach dem Kaltwalzen starke Textur - Gusslegierungen (EN MC-Mg Al9 Zn1) V-B35 - Knetlegierungen (EN MW-Mg Al6 Zn) - Festigkeit V-B36 - Mischkristallhärtung Al, Zn V-B37 (Abb. B12) - Aushärtung Mg 4 Al V-B38 - Korrosionsbeständigkeit - durch Mn verbessert - Anwendungen: - Flugzeug und Leichtbau V-B39 - PKW-Teile V-B40 B.1.3 Titanwerkstoffe Reintitan (99,5 bis 99,8 %) - α-ti (hdp) bis 882 C schlecht kaltumformbar V-B41 - β-ti (krz) C - hohe Sauerstoff-Affinität Wärmebehandlung + Schweißen unter Schutzgas Nichteisenmetalle03 Teil I-B

7 - Eigenschaften V-B42 - gutes Verhältnis Festigkeit/Dichte - hohe Zähigkeit (Zerspanbarkeit ) - gute Korrosionsbeständigkeit (oxid. Säuren, Meerwasser) fest haftende TiO 2 -Schicht - Zugabe von Legierungselementen V-B43 Festigkeit, Zähigkeit - Anwendung - Wärmetauscher (Küstenkraftwerke, Meerwasserentsalzung) - Implantate Titanlegierungen - Legierungselemente - Al, Sn, O stabilisieren α-phase (hdp) V-B44 - V, Cr, Fe stabilisieren β- Phase (krz) V-B45 (Abb. B15) - Eigenschaften V-B46 - gutes Verhältnis Festigkeit/Dichte - hohe Zähigkeit (Zerspanbarkeit ) - gute Korrosionsbeständigkeit (oxid. Säuren, Meerwasser) - Bezeichnung: - Ti Al 6 V 4 Ti-Legierung mit 6 % Al, 4 % V - Korrosionsbeständigkeit - fest haftende Deckschichten (TiO 2 ) - technische Legierungen - α-ti-legierungen schlecht kaltformbar (hex) temperaturbeständig - β-ti-legierungen hohe Festigkeit hohe Dichte (13 % V, 11 % Cr) gut kaltformbar weil krz (Zahl der Gleitsysteme ) Nichteisenmetalle03 Teil I-B

8 - α-β-ti-legierungen (zweiphasig) geringe Dichte geringere Festigkeit als β-ti-legierungen Wärmebehandlung V-B47 Lösungsglühen im Zweiphasengebiet V-B48 Abschrecken in Wasser (Martensit) (Abb. B16) Auslagern Ausscheidung von β-teilchen - Anwendungen V-B49 - Luftfahrt: Flugzeugaufbauten, Triebwerke - Chemie: Pumpen, Behälter, Armaturen, Meerwasserentsalzung - Medizintechnik: Gelenkersatzteile für Hüfte, Knie, Schulter, Wirbelsäule, Fixiermaterialien für Knochen (Nägel, Schrauben, Muttern und Platten), Zahnimplantate B.2 Schwermetalle Schwermetalle - Zink (Zn) 7,13 g/cm 3 - Zinn (Sn) 7,28 g/cm 3 - Nickel (Ni) 8,90 g/cm 3 - Kupfer (Cu) 8,92 g/cm 3 - Blei (Pb) 11,30 g/cm 3 B2.1 Kupferwerkstoffe Bezeichnungen nach Euronorm (EN 1412, EN 1173) Bezeichnung mittels Nummer V-B50 EN CC-383H (Tab. A9) Bezeichnung mit chemischen Symbolen V-B51 EN Cu-Zn39 Pb3 Cu-Legierung mit 39 Zn, 3 Pb Zustandsbezeichnung von Halbzeugen und Gussstücken V-B52 EN Cu-Zn 39Pb3 -R500 Cu-Legierung mit 39 Zn, 3 Pb, R m = 500 MPa Nichteisenmetalle03 Teil I-B

9 Reinkupfer - Bezeichnung (alt): - sauerstofffrei, nicht desoxidiert OF-Cu P-frei, E-Technik - sauerstofffrei, desoxidiert mit P SF-Cu, 0,015-0,04 % P, Bauwesen, Apparate SW-Cu, 0,005-0,014 % P, Apparatebau SE Cu, 0,003 % P, E-Technik, Plattierung - Eigenschaften: V-B53 gute elektrische und thermische Leitfähigkeit (Tab. B6) Korrosionsbeständigkeit gut verformbar, weil kfz (Gleitsysteme ) - Leitfähigkeit 99 % Cu: κ = 58 m/ω mm 2 = 58 x 10 6 S m -1 wird mit Legierungsgehalt geringer V-B54 (Abb. B17) - Festigkeit Kaltverformung V-B55 (Abb. B18) Rekristallisationsglühen V-B56 (Abb. B19), V-B57 Mischkristallhärtung (Ag, Cr, Cd, Fe) V-B58 => Festigkeit -> Leitfähigkeit Aushärtung (Cr, Zr, B) optimale Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit - Korrosionsbeständigkeit fest haftende Deckschichten an Luft grüne Patina, Cu 2 (OH) 2 CO 3 - Löt- und Schweißbarkeit - Schweißen - Wärmeleitfähigkeit - Schutzgas (H2 Krankheit) Cu 2 O + H 2 = 2 Cu + H 2 O (Dampfblasen) => Rissbildung, Versprödung - sauerstofffreie Güten Nichteisenmetalle03 Teil I-B

10 - Löten - Lotwerkstoffe (Hartlote) - Messinglote - teilweise P-haltige Cu-Lote (dicke Teile) - hauptsächlich Ag-haltige Cu-Lote - Festigkeit durch Kaltumformung - Lotwerkstoffe (Weichlote) - Sn-Pb-Lote - Umformbarkeit Tiefziehbleche Drähte bis 0,01mm - Anwendungen: V-B59 Halbzeuge, Rohrleitungen, Apparatebau Fahrleitungen, Elektroden V-B60 E-Technik V-B61 Wasserleitungen Kupfer-Zink- Legierungen (Messing) - Bezeichnung: Cu Zn40 Pb2 - R480 V-B62 Cu- Legierung mit 40 % Zn 2% Pb, R m = 480 N/mm 2 Zn-Gehalt von 5 45% - Gefüge - α-mk (kfz) (bis 37% Zn, einphasig homogen) V-B63 - α-mk + β`(al, Sn, Ni, Fe, Si, Mn) (krz) (37 46% Zn) (Abb. B20) - >46% Zn reines β-messing - Eigenschaften: V-B64 gute Umformbarkeit, gute Zerspanbarkeit (Abb. B21) hohe Korrosionsbeständigkeit gute thermische und elektrische Leitfähigkeit - Festigkeit - nicht aushärtbar - Härte und Festigkeit durch - Kaltumformung V-B65 - Mischkristallhärtung (Zn) V-B62 Nichteisenmetalle03 Teil I-B

11 - Korrosionsbeständigkeit - Zn ==> Zn-Elektrolyse - Al, Sb, Meerwasserbeständigkeit - Spanbarkeit - Pb bis 3 % => Spanbarkeit, Umformbarkeit - Anwendungen V-B66 - Elektrotechnik, Uhren, Optik, Musikinstrument - Armaturen, Automatenteile V-B67 - Strangpressprofile V-B68 Kupfer-Bronzen - Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinn-Bronzen) - Gusslegierungen: DIN 1705, Knetlegierungen: DIN 17662, Bezeichnung: Cu Sn7 Zn Pb - C GS (Rotguss) Cu-Gusslegierung 7 % Sn, mit Zn, Pb < 1 % (Sandguss) Knetlegierungen bis zu 8,5% Sn, 0,01 0,35%P Hartlote, Schweißzusätze bis zu 13% Sn - Legierungselemente Fe, Al, Mn, Cr - Mehrstoffzinnbronzen CuSn + Zn und Pb => Rotguss - Eigenschaften: hohe Festigkeit (Sn, Festigkeit ) gute Umformbarkeit gute Korrosionsbeständigkeit Leitfähigkeit mit Sn und P - Festigkeit nicht aushärtbar Kaltumformung V-B69 Mischkristallhärtung (Sn, Fe, Al, Mn, Cr) (Abb. B23) Nichteisenmetalle03 Teil I-B

12 - physikalische Eigenschaften V-B70 (Abb. B22) - Anwendungen - Federn, Büchsen - Rotguss Lagerschalen (8% Sn, 7% Zn,3% Pb) korrosionsbeanspruchte Maschinenteile (Sandguss 10% Sn und 20% Zn) Pumpenräder, Schrauben, Kleinteile Kupfer-Aluminium-Legierungen (Aluminium-Bronzen) - hohe Festigkeit - korrosionsbeständig (u. a. Seewasser, Schwefelsäure, Salzlösung) - aushärtbar durch Fe, Ni V-B72 Kupfer-Nickellegierungen - Bezeichnung CuNi - Eigenschaften - hervorragende Korrosionsbeständigkeit - gute Festigkeit V-B73 - Legierungselemente - Mn, Fe, Sn, Nb, Si - Farbe mit Ni heller bis bei 15% Ni silberweiß mit zusätzlich Zn => Neusilber - Cu-Ni-Zn-Legierungen (Neusilber) 10-25% Ni (weiß-silbrig) - Eigenschaften - bessere Anlaufbeständigkeit als Messing - anfällig für SRK in Anwesenheit von Ammoniak (NH3) und Feuchte (H 2 O) - Anwendung V-B60 Relais-Federn versilberte Tafelgeräte, Bestecke Münzen Nichteisenmetalle03 Teil I-B V-B74

13 - Festigkeit gut bei allen T - Korrosion stabile Deckschicht - Anwendung Heizdrähte, Heizkabel elektrische Widerstände, Anlasser, Kennmelder Schiffsbau, Lebensmittelindustrie B.2.2 Nickelwerkstoffe (DIN ) Reinnickel - Bezeichnung Ni 99,8 - Eigenschaften kfz, gut verformbar, sehr gute Korrosionsbeständigkeit im Stahl: Austenitbildner (Ni-Äquivalent) als Legierungselement: Durchhärtung, Durchvergütung - physikalische Eigenschaften V-B75 (Tab. B7) - Anwendungen V-B76 - dünne Ni-Schichten auf Stahl (stromlos abgeschieden) Korrosionsschutz unter Cr-Schichten - dicke Schichten auf Stahl Pufferlage, Gusseisen-Schweißen - Chemische Industrie Schmelztiegel, Greifzangen Nickel-Legierungen - Bezeichnung: - NiCr 20 (80 % Ni, 20 % Cr) - Werkstoff-Nr.: Nichteisenmetalle03 Teil I-B

14 - Eigenschaften: - hitzbeständig, hochwarmfest - korrosionsbeständig (Nass- und Hochtemperatur-Korrosion) - Verarbeitung - Reaktion mit S zu NiS auf Korngrenzen - Ofenatmosphäre Feuerungsgase - Mechanische Eigenschaften Legiertes Nickel - Mischkristallhärtung durch Mn (1 1,5%) keine Verschlechterung der Nasskorrosionsbeständigkeit weniger anfällig für S Bildung von MnS mit 1-2 % Si beständig gegen Motorengase - Ausscheidungshärtung durch bis zu 2 % Be - Anwendung - NiMn in Elektronenröhren - NiMnSi als Zündkerzenelektroden - NiMnBe Federn, Membranen für erhöhte Temperaturen Ni-Cu-Werkstoffe - Mischkristallhärtung durch Cu - Monel = NiCu30Fe - Gusslegierungen mit Zusatz von Si - Eigenschaften sehr gute Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser, Brackwasser, anorganische Salze, nicht oxidierenden Säuren (Cl--Ionen) hohe Warmfestigkeit - Auscheidungshärtung durch Al Ni 3 Al Nichteisenmetalle03 Teil I-B

15 - Anwendung - Wärmetauscher, Kondensatoren in Kraftwerken, - Schiffen und chemischer Industrie - Brillengestelle, Batteriegehäuse V-B77, V-B78 - Ni-Drähte V-B79 Zunderbeständige und hochwarmfeste Ni- Legierungen - Legierungselemente Cr, Co, Mo, W, Al, Ti - Eigenschaften - hohe Warmfestigkeit, gute Zunderbeständigkeit - Zeitstandfestigkeit durch Mo, Co, W - Mischkristallhärtung durch Cr, Co, Mo, W V-B81 - Ausscheidungshärtung durch Al, Ti (Ni 3 (Al, Ti)) (Tab. B8, B9) - Korrosion - Bildung dichter, fest haftender Oxidschichten (Cr 2 O 3 ) - Legierungen - zunderbeständig: NiCr60-15, NiCr hitzebeständig: NiCr20Ti, NiCr15Fe V-B82 - hochwarmfest: NiCo20Cr15 MoAlTi (2.4634) - NiCr20TiAl (Nimonic80A, ) - Anwendung - Heizleiter - Turbinenschaufeln für Gasturbinen V-B83 - Auslassventile für Großdieselmotoren V-B85 Korrosionsbeständige Ni-Legierungen - weitere Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit durch Cr, Mo, Cu - auch gegen oxidierende Säuren wie Salpetersäure (HNO 3 ), - Schwefelsäure (H 2 SO 4 ), Phosphorsäure (H 3 PO 4 ) Nichteisenmetalle03 Teil I-B

16 - NiCr21Mo unempfindlich gegen SRK schweißgeeignet - Anwendung Apparate, Armaturen für die chemische Industrie B.1.3 Bleiwerkstoffe - Bezeichnung: - Pb 98,5 (Reinblei 98,5 %) - Pb Sn40 (60 % Pb, 40 % Sn) - Eigenschaften V-B86 - hohe Dichte, geringe Schmelztemperatur (Tab. B10) - gute Verformbarkeit (Rekristallisationstemperatur = RT) - Zerspanbarkeit durch 0,15-0,30% Pb verbessern - Festigkeit - Mischkristallhärtung durch Sb = Hartblei - Anwendungen: - Bleiakkus, Kabelmäntel, Behälter (Reinblei), Abschirmung - Lote L-PbSn2: C L-PbSn C L-PbSn40Sb C B.1.4 Zinnwerkstoffe (DIN 1707, 1742, 17810) - Bezeichnung: - Sn 99 (Reinzinn) V-B87 - L-Sn 63 Pb (Tab. B11) - GD-Sn 80 Sb Nichteisenmetalle03 Teil I-B

17 - Eigenschaften: - korrosionsbeständig - geringe Schmelztemperatur - Anwendungen: - Zähler, Zählergehäuse - Feuerverzinnen, galvanisch verzinnen (Weißblech) - Lagermetall, Weichlote B.1.5 Zinkwerkstoffe - Bezeichnung: - Zn 99 (Reinzink) V-B88 - GD-ZnAl4 (Druckgusslegierung mit 4 % Al) (Tab. B12) V-B89 - Eigenschaften: - korrosionsbeständig, - Festigkeit - Mischkristallhärtung (Cu) - -> 100 C keine Kaltverfestigung, da Rekristallisierungstemperatur - Korrosion - phosphatieren, chromatieren - Anwendung: - Opferanode bei kathodischen Korrosionsschutz - Feuerverzinken Bänder, Geländer, Treppen, Profile Nichteisenmetalle03 Teil I-B