Grundlagen der Metallkunde: Eigenschaften, Struktur & Verarbeitung

Eigenschaften von Metallen

• Hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit
• Hohe mechanische Festigkeit
• Hohe Plastizität und Formbarkeit
• Gute Recyclingfähigkeit

Kristallstruktur

• Kristallin: Atome sind perfekt im Raum angeordnet (Metalle, viele Keramiken).
• Amorph: Atome weisen nur über kurze Distanzen eine geordnete Struktur auf (Glas, glasartige Polymere).

Arten der Kristallisation

• Kubisch raumzentriert (Krz)
• Kubisch flächenzentriert (KfZ)
• Hexagonal dichtest gepackt (Hdp)

Mischkristalle

Zwei feste Metalle sind ineinander löslich, wenn Atome des einen Metalls im Gitter des anderen Metalls entweder einige seiner Atome ersetzen können (Substitution) oder in die Zwischengitterplätze eingefügt werden können (Einlagerung). Dies führt zur Bildung von Mischkristallen.

Gitterfehler

Punktfehler

Fehler, bei denen Atome des gleichen oder eines anderen Metalls an einer Gitterposition fehlen oder zusätzlich vorhanden sind.

Linienfehler

Fehler, die sich entlang einer Linie im Kristallgitter erstrecken (z. B. Versetzungen). Sie reduzieren die mechanische Festigkeit von Metallen, ermöglichen aber plastische Verformung.

Flächenfehler

Fehler, bei denen die kristallographischen Achsen benachbarter Bereiche nicht übereinstimmen (z. B. Korngrenzen).

Kornbildung

Während der Erstarrung tritt Kornbildung auf, wenn das flüssige Metall beim Abkühlen einen Punkt erreicht, an dem Atome beginnen, sich gleichzeitig von mehreren Punkten aus im Raum anzuordnen. Die Form der entstehenden Körner ist oft gleichachsig, d. h., keine Dimension überwiegt die anderen.

Verfestigungsmechanismen

Kaltverfestigung

Plastische Verformung führt zu Verfestigung und begleitet oft eine Zunahme der Sprödigkeit. Dies kann durch eine Wärmebehandlung (Glühen) rückgängig gemacht werden.

Verfestigung durch Kornfeinung

Es besteht eine experimentelle Beziehung zwischen der Streckgrenze des Materials und der durchschnittlichen Korngröße: Je kleiner die durchschnittliche Korngröße, desto höher ist die Streckgrenze (Hall-Petch-Beziehung).

Verfestigung durch Mischkristallbildung

Tritt auf, wenn die Atomgrößen von Lösungsmittel und gelöstem Stoff nicht exakt übereinstimmen. Dies behindert die Bewegung von Versetzungen und erhöht die mechanische Festigkeit.

Wärmebehandlung

Verfahren des Erwärmens und Abkühlens von Metallen, um ihre Kristallstruktur und Eigenschaften zu verändern.

Glühen

Das Metall wird für eine bestimmte Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt. Dies erhöht die Plastizität und reduziert Spannungen.

Härten

Das Metall wird auf eine hohe Temperatur erhitzt und anschließend schnell abgekühlt (Abschrecken). Dies führt zu einem harten Metall mit hoher mechanischer Festigkeit.

Anlassen

Verbesserung der Zähigkeit von gehärtetem Metall durch Erwärmen auf eine niedrigere Temperatur als beim Härten, wodurch die Härte leicht reduziert wird.

Stahlerzeugungsprozess

Der Prozess umfasst alle Schritte, um Stahl aus Erzvorkommen zu gewinnen. Eisen wird aus Eisenerzen (Oxide, Carbonate) gewonnen, die oft von nicht-eisenhaltigen (NE) Stoffen begleitet werden.

Mechanische Bearbeitung

Verbesserung der Eigenschaften von Metallen durch mechanische Verformung.

Warmumformung

Das Metall wird auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann verformt. Dies verfeinert die Korngröße und entfernt Lunker.

Kaltumformung

Das Metall wird bei Umgebungstemperatur verformt, z. B. durch Walzen, Ziehen oder Pressen. Dies erhöht die Härte und mechanische Festigkeit.

Oberflächenbehandlung

Metallisierung

Ein flüssiges Metall wird auf die Oberfläche eines anderen projiziert.

Verchromen

Chrom wird elektrolytisch auf das Metall abgeschieden, um die Reibung zu reduzieren und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.

Eisenmetalle

Metalle, deren Hauptbestandteil Eisen ist. Eisen ist ein magnetisches, metallisches Material von bläulicher Farbe, duktil, mit einem Schmelzpunkt von 1535 °C, ein guter Wärme- und elektrischer Leiter. An Luft bildet es Rost (eine braunrote, schuppige Substanz).

Industrieeisen

Eisen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, weist einige mechanische Einschränkungen auf.

Stahl

Eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung (typischerweise bis ca. 2% Kohlenstoff). Stahl ist dehnbar, formbar, besitzt gute mechanische Festigkeit und Härte. Die Schweißbarkeit sinkt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt. Stahl oxidiert leicht.

Legierungselemente

• Schwefel: Verursacht Sprödigkeit, kann durch Zugabe von Mangan entgegengewirkt werden.
• Chrom: Erhöht die Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Härte von Stahl.
• Mangan: Erhöht die Härte von gehärteten Stählen.
• Nickel: Wichtiger Bestandteil von Edelstahl, erhöht die Zugfestigkeit.
• Blei: Begünstigt die Zerspanbarkeit von Stahl.
• Silizium: Entfernt Sauerstoff und erhöht die Elastizität.

Gusseisen

Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 2,06 und 6,67% (typischerweise 2,5-4,5%). Gusseisen ist leicht schmelzbar, aber spröde und nicht gut formbar. Vorteile: Die Herstellung ist einfacher und billiger als bei Stahl, Gussstücke besitzen akzeptable mechanische Eigenschaften.