Grundlagen der Werkstoffkunde und Fertigungsprozesse

Metallurgie und Eisenwerkstoffe

Was sind Legierungen und Flussmittel im Ofen?

Flussmittel werden eingesetzt, um Schlacke zu entfernen. Ferrolegierungen sind Materialien, die verwendet werden, um die Eigenschaften von Stahl zu verbessern.

Zugabe von Ferrolegierungen und Flussmitteln im Konverter

Zu Beginn des Betriebs wird die Schlacke entfernt. Würden Ferrolegierungen und Flussmittel zu diesem Zeitpunkt hinzugefügt, würden sie zusammen mit der Schlacke entfernt werden.

Hochofen: Höchste Temperatur und Schmelzbereich des Eisenerzes

Die Frage nach dem Bereich im Hochofen, in dem die Temperatur am höchsten ist und das Eisenerz schmilzt, ist unklar formuliert. Die gegebene Antwort lautet: "Der Unsinn."

Methoden der Stahlherstellung

Stahl kann mit dem Hochofen, durch Ofenraffination und im Elektroofen hergestellt werden.

Betrieb des Hochofens

Eisenerz, Kohle und Koks werden zusammen mit Flussmitteln in den Hochofen eingeführt. Während diese Materialien nach unten sinken, steigt die Temperatur an. Sie erreichen einen Bereich, der als Bosh bezeichnet wird, wo das Erz schmilzt und in den Tiegel fällt. Hier vermischt sich das Flussmittel mit dem Erz und bildet Schlacke sowie eine Roheisenschmelze. Die Schlacke wird durch ein Rohr am oberen Rand des Tiegels entfernt, während das Roheisen am unteren Ende gewonnen wird.

Aufgabe von Koks und Flussmittel im Hochofen

Die Aufgabe von Kokskohle ist es, die notwendige Wärme zum Schmelzen des Erzes zu liefern und chemische Reaktionen zu ermöglichen, die Eisenoxid in Eisen umwandeln. Zudem trägt sie zum Gewicht der Rohstoffe bei, sodass Gase von unten nach oben aufsteigen können. Das Flussmittel ist dafür verantwortlich, die Gangart vom Eisen zu trennen, sodass sie als flüssige Schlacke aufschwimmt.

Betrieb eines Elektroofens

Im Elektroofen wird Rohmaterial hinzugefügt. Elektroden leiten Strom ein, um das Material zu erhitzen, bis es schmilzt. Sobald es geschmolzen ist, wird die Schlacke auf einer Seite entfernt. Auf der anderen Seite wird der Stahl entnommen, dem vor dem Abkühlen Ferrolegierungen zur Verbesserung seiner Eigenschaften zugesetzt werden.

Walzwerke und ihre Funktion

Walzwerke bestehen aus zwei Walzen, die sich mit gleicher Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzte Richtungen drehen. Das Material wird zwischen diesen Walzen hindurchgeführt, wodurch es zu länglichen, dünneren Blechen geformt wird. Es gibt zwei Arten des Walzens:

• Warmwalzen: Die Temperatur erreicht in der Regel etwa 1000 °C.
• Kaltwalzen: Findet bei Raumtemperatur statt.

Walzwerke werden zur Herstellung von Stahlblechen verwendet.

Unterschied zwischen normalem und speziellem Gusseisen

Normales Gusseisen besteht aus Eisen und Kohlenstoff (ohne Legierungselemente). Spezielles Gusseisen hingegen verwendet zusätzliche Legierungselemente, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.

Unterschiede zwischen Graphit, Stahl, Eisen und Gusseisen

Der Unterschied liegt im Kohlenstoffanteil (C):

• Stahl: 0,03 % bis 1,76 % Kohlenstoff
• Eisen: 0,01 % bis 0,03 % Kohlenstoff
• Gusseisen: 1,76 % bis 6,67 % Kohlenstoff
• Graphit: Über 6,67 % Kohlenstoff

Unterschied zwischen legiertem und unlegiertem Stahl

Unlegierte Stähle sind solche, bei denen der Anteil der chemischen Legierungselemente unter 1,60 % liegt. Legierte Stähle enthalten neben Eisen und Kohlenstoff weitere Elemente in einem Anteil von über 1,60 %.

Klassifizierung unlegierter Stähle nach Kohlenstoffanteil

Abhängig vom Kohlenstoffanteil werden unlegierte Stähle wie folgt klassifiziert:

• Superweich
• Weich
• Halbweich
• Halbhart
• Hart
• Extra hart

Handelsübliche Stahlprofile

Stahlprofile sind in verschiedenen Formen erhältlich, darunter:

• Winkelprofile
• IPN-Profile (I-Träger)
• Rohrprofile
• Quadratprofile
• Rechteckprofile
• T-Profile

Negative Umweltauswirkungen von nicht recycelten Eisenwerkstoffen

Wenn Eisenwerkstoffe nach dem Ende ihrer Lebensdauer nicht recycelt werden, können sie folgende negative Auswirkungen haben:

• Kontamination von Wasser
• Lärmbelästigung
• Zerstörung von Landschaften

Konventionelle numerische Bezeichnung von Stahl

Jeder Stahl wird durch den Buchstaben "F", einen Bindestrich und vier Ziffern gekennzeichnet:

• Die erste Ziffer gibt die Anwendungsbereiche des Stahls an.
• Die zweite Ziffer beschreibt die Eigenschaften des Stahls.
• Die letzten beiden Ziffern dienen als Qualifikator und werden vergeben, wenn neue Stahlsorten entdeckt werden.

Nichteisenmetalle

Eigenschaften von Blei

Blei ist sehr biegsam und weich. Es hat eine grau-weiße Farbe und ist sehr hell, wenn es frisch geschnitten wird. Es oxidiert leicht und bildet dabei eine Schicht aus basischem Carbonat, die es selbst schützt.

Nichteisen-Leichtmetalle

Zu den Nichteisen-Leichtmetallen gehören Aluminium und Titan.

Herstellungsmethode von Aluminium

Die Methode zur Herstellung von Aluminium wird als Bayer-Verfahren bezeichnet.

Schritte der Titanherstellung

1. Chlorierung: Das Titanmineral wird erhitzt. Anschließend werden Kohlenstoff und Chlor hinzugefügt, die im gesamten Material zirkulieren. Dabei wird Titantetrachlorid gewonnen.
2. Transformation: Die Verbindung wird in einem Ofen bei 800 °C eingeführt. Nach der Zugabe eines Inertgases und Magnesiums bildet sich schwammiges Titan.
3. Sammlung (Collection): Der Titanschwamm wird in einen Elektroofen gegeben und es wird eine Schmelze hinzugefügt. Das Ergebnis ist reines Titan.

Wichtigste Magnesiummineralien

Die wichtigsten Magnesiummineralien sind Carnallit, Dolomit und Magnesit.

Magnesium-Produktionsmethoden

Magnesium kann auf zwei Arten produziert werden:

• Elektrolyse: Magnesium steigt an die Oberfläche, da es eine geringere Dichte als die geschmolzene Salzmischung hat.
• Reduktion: Das Erz wird in einen Elektroofen gegeben, dem Flussmittel zur Entfernung von Sauerstoff hinzugefügt werden.

Umweltauswirkungen der Nichteisenmetallgewinnung

Die Gewinnung und Verarbeitung von Nichteisenmetallen kann verschiedene Umweltauswirkungen haben:

• Während der Mineralgewinnung: Insbesondere beim Tagebau können die Auswirkungen erheblich sein, da bestimmte Lebensräume beeinträchtigt werden können.
• Bei der Metallverarbeitung: Es treten verschiedene Arten von Emissionen auf:
  • Emissionen von Schwermetallen, die krebserregend sein können, sowie Gase, Staub und Wasserstoff.
  • Abwasser aus Wasch-, Beiz- und Schlammprozessen.
  • Lärmbelästigung durch Anlagen und Geräte.

Kupfergewinnung: Trocken- und Nassverfahren

Die Wahl des Verfahrens zur Kupfergewinnung hängt vom Kupfergehalt des Erzes ab:

• Trockenverfahren: Wird angewendet, wenn der Kupfergehalt 10 % übersteigt.
• Nassverfahren: Wird angewendet, wenn der Kupfergehalt des Erzes weniger als 10 % beträgt.

Klassifizierung und Definition von Metallen

Metalle werden nach ihrer Dichte klassifiziert:

• Schwermetalle: Ihre Dichte ist gleich oder größer als 5 kg/dm³. Beispiele: Zinn, Kupfer, Zink.
• Leichtmetalle: Ihre Dichte liegt zwischen 2 und 5 kg/dm³. Beispiele: Aluminium, Titan.
• Ultraleichtmetalle: Ihre Dichte ist mehr als 2 kg/dm³. Beispiele: Magnesium, Beryllium.

Merkmale von Chrom

Chrom hat eine stahlgraue Farbe. Es ist sehr hart und hat eine große Bitterkeit. Es ist sehr widerstandsfähig gegen Korrosion und Oxidation. Es wird sowohl als reines, helles Chrom als auch in Chromlegierungen verwendet.

Baumaterialien und Keramik

Unterschied zwischen porösen und undurchlässigen Materialien

Poröse Materialien haben keine Verglasung erfahren und sind daher durchlässig für Gase, Flüssigkeiten und Fette. Undurchlässige (wasserdichte) Materialien sind verglast und in der Regel schwerer.

Herstellungsverfahren von Gips

Calciumsulfat wird in einem Ofen bei 450 °C für vier Stunden kalziniert. Anschließend wird es gemahlen und verpackt. Für die Anwendung wird Wasser hinzugefügt und umgerührt.

Stahlbeton und Spannbeton

Stahlbeton entsteht durch das Einlegen von Stabstahl in frischen Beton, der anschließend aushärten gelassen wird. Spannbeton wird hergestellt, indem Stahlstäbe gespannt und in dieser Spannung gehalten werden, während der Beton aushärtet. Nach etwa 28 Tagen wird die Spannung von den Stäben gelöst.

Wasserdichte Keramiktypen und ihre Verwendung

Zu den wasserdichten Keramiktypen gehören:

• Feinsteinzeug und Steinzeug: Werden häufig für Böden und Wände verwendet.
• Porzellan: Wird für luxuriöse Gegenstände wie Skulpturen, Kaffeetassen und Teller eingesetzt.

Zementherstellung

Für die Zementherstellung werden Kalkstein und Lehm im Verhältnis 3:1 gemahlen und anschließend in einem Ofen zwischen 1300-1500 °C erhitzt. Das entstandene Material wird erneut gemahlen und dann mit Gips vermischt.

Herstellung von Mörtel und Beton

Mörtel wird durch das Mischen von Zementpulver mit Sand und Wasser hergestellt. Beton wird durch die Zugabe von Zementpulver, Sand und Wasser hergestellt.

Strukturelle Materialien

Strukturelle Materialien sind all jene, die in diesem Kontext behandelt wurden. Ihr Nutzen liegt hauptsächlich in ihren mechanischen Eigenschaften.

Holz, Papier und Kork

Verwendung von Flüssigkristallen

Flüssigkristalle werden für die Herstellung von Flachbildschirmen für Computer und Fernseher verwendet.

Bearbeitungsschritte von Holz

Die Bearbeitung von Holz umfasst folgende Schritte:

• Entrinden: Die Baumstämme werden durch verschiedene Sägen geführt, um die Rinde zu entfernen.
• Ablängen: Die Stämme werden auf eine bestimmte Länge zugeschnitten.
• Sägen: Die abgelängten Stämme werden im Sägewerk zu Brettern oder Bohlen geschnitten.
• Trocknen und Bürsten: Diese Schritte dienen dazu, dem Holz ein besseres Aussehen und Finish zu verleihen.

Zwei Stufen der Holztrocknung

Die Holztrocknung erfolgt in zwei Hauptstufen:

• Lufttrocknung: Zuerst wird das Holz an der Luft getrocknet, bis es eine Restfeuchtigkeit von etwa 15 % erreicht. Anschließend kann es in Trockenöfen weitergetrocknet werden.
• Kammertrocknung: Alternativ kann das Holz direkt in Trockenkammern gebracht werden, um fast das gesamte Wasser zu entfernen und so seine Festigkeit und Härte zu erhöhen.

Holzklassifizierung und Verwendung

Holz wird in folgende Gruppen eingeteilt:

• Nadelholz: Wird für Verpackungen, Kisten usw. verwendet.
• Laubholz: Wird für Werkzeuge, Schneeschuhe, Boote usw. verwendet.

Prozess der Papierherstellung

Der Prozess der Papierherstellung besteht aus vier Phasen:

1. Phase 1 (Vorbereitung): Die Holzstämme werden geschnitten, entrindet und in einem Trichter mit heißem Wasser zerkleinert (geschreddert).
2. Phase 2 (Reinigung): Die Holzfasern werden mit Wasser gewaschen. Bei Bedarf wird ein Filter verwendet.
3. Phase 3 (Faserbehandlung): Die Holzfasern werden in eine wässrige Lösung gegeben und mit Leim oder synthetischem Klebstoff vermischt.
4. Phase 4 (Blattbildung und Trocknung): Das Wasser wird mit einem Sieb abgelassen. Pumpen unter dem Sieb entfernen einen Teil des Wassers aus den Fasern. Anschließend wird das Faserblatt durch Walzen geführt, um ein separates Papierblatt zu bilden. Weitere Kompressionswalzen entfernen die restliche Feuchtigkeit. Wenn das Papier glatt sein soll, wird es durch heiße Trommeln geleitet, um es zu glätten und für die Vermarktung vorzubereiten.

Wesentlicher Unterschied zwischen Papier und Karton

Der wesentliche Unterschied zwischen Papier und Karton ist ihre Dichte.

Prozess der Korkgewinnung

Der Produktionsprozess von Kork wird als Schälen bezeichnet. Er umfasst die Entfernung des Korks von den Bäumen. Dazu werden Schichten der Rinde extrahiert und anschließend drei Monate lang an der Luft getrocknet. Danach wird der Kork in die Fabrik gebracht, wo er in Wasser gekocht und die Rinde guter Qualität ausgewählt wird. Anschließend wird er erneut gekocht und in Stücke geschnitten, die an Münzen erinnern.

Glas und Kunststoffe

Glasgewinnung und Eigenschaften

Glas wird durch das Schmelzen von Kalk und Sand gewonnen. Es ist sehr schwer, hat gute thermische und elektrische Isolationseigenschaften und ist sehr resistent gegen äußere Einflüsse, aber es ist sehr zerbrechlich.

Was ist ein Polymer?

Als Polymer wird hier ein synthetisches Polymer bezeichnet, dem eine Art von Additiv zugesetzt wurde.

Wichtigste Eigenschaften von Kunststoffen

Die wichtigsten Eigenschaften von Kunststoffen sind ihre Stoßfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schalldämmung, elektrische und thermische Isolation sowie eine gute ästhetische Präsenz.

Grundlegende Bestandteile von Kunststoffen

Es gibt vier grundlegende Bestandteile von Kunststoffen:

• Basismaterialien: Dies sind die Monomere, die in der chemischen Reaktion verwendet werden, d.h. die Ausgangsprodukte.
• Additive: Werden Kunststoffen zugesetzt, um ihre Eigenschaften zu verbessern.
• Füllstoffe: Ihr Zweck ist es, ein Produkt zu verbilligen und bestimmte Eigenschaften zu verbessern.
• Katalysatoren: Sie leiten die chemische Reaktion ein und beschleunigen sie.

Hauptgruppen der Kunststoffe und ihre Eigenschaften

Die drei Hauptgruppen der Kunststoffe sind:

• Thermoplaste: Sind Kunststoffe, die wiederholt erweicht und geformt werden können und nach dem Erstarren ihre ursprüngliche Form wieder annehmen.
• Duroplaste: Sind Kunststoffe, die nach dem Erstarren ihre ursprüngliche Form nicht wieder annehmen können.
• Elastomere: Sind Kunststoffe mit einer sehr elastischen Struktur, die es ihnen ermöglicht, ohne Bruch verformt zu werden.

Beispiele für Thermoplaste und Duroplaste mit Anwendungen

• Thermoplastische Kunststoffe:
  • PVC (Polyvinylchlorid): PVC-Rohre
  • PC (Polycarbonat): Kamerakristalle
  • PS (Polystyrol): Eierverpackungen
  • PMMA (Polymethylmethacrylat): Bad-Accessoires
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol): TV-Möbel
• Duroplaste:
  • PF (Phenolformaldehydharz): Gehäuse für Schalter
  • FU (Furanharz): Beschichtungen
  • MF (Melaminformaldehydharz): Beschichtete Platten
  • EP (Epoxidharz): Interne Schaltungen
  • PUR (Polyurethan): Matratzen

Methoden: Pressen und Spritzgießen

• Pressen: Kunststoffgranulat wird in eine Form gegeben. Das obere Werkzeug schließt sich und übt unter Wärmeeinwirkung Druck aus. Dadurch nimmt der Kunststoff die Form des Werkzeugs an. Nach dem Abkühlen wird das geformte Teil (z.B. ein Würfel) entnommen.
• Spritzgießen: Der Kunststoff wird in einen Trichter gegeben und fällt in einen röhrenförmigen Behälter. Dort wird er erhitzt und unter Druck in die Form gepresst, wo er die gewünschte Gestalt annimmt.

Methoden: Thermoformen und Extrusionsblasformen

• Thermoformen: Der Kunststoff wird in Plattenform in eine Presse eingelegt, die aus zwei Teilen besteht: einem oberen (erwärmten) und einem unteren (Form). Infrarotwärme wird angewendet. Um die Formgebung zu verbessern, wird ein Vakuumeffekt durch Rohre im unteren Teil erzeugt, was den Erfolg des Prozesses steigert.
• Extrusionsblasformen: Ähnlich wie beim Spritzgießen wird Kunststoffgranulat in einen Trichter gegeben und durch einen röhrenförmigen Behälter geführt, wo es erhitzt wird. Heiße Luft wird eingeblasen, wodurch der Kunststoff sich ausdehnt und an die Wände der Form anlegt und so das Werkstück geformt wird.

Arten von Kunststoffverbundwerkstoffen und ihre Anwendungen

Es gibt zwei Hauptarten von Kunststoffverbundwerkstoffen: verstärkte Kunststoffe und Laminate.

Zwei bekannte Anwendungen sind:

• Kevlar: Wird für Motorradhelme verwendet.
• Kohlefaser: Wird in der Karosserie von Autos eingesetzt.