Werkstoffkunde: Metalle, Keramik und Korrosionsschutz

Metalle und Korrosion

Metalle sind anfällig für Korrosion, insbesondere durch Umwelteinflüsse wie Seewasser (z. B. bei Eisen). Die interkristalline Korrosion tritt an den Korngrenzen der Metallstruktur auf und führt zum Verlust des inneren Zusammenhalts sowie zur Zerstörung des Materials.

Keramische Werkstoffe

Kristalline Keramik

Diese Keramiken bestehen aus Quarzglas. Sie zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit aus. Anwendung finden sie in Motoren, Infrarotstrahlern und Lagern.

Nicht-kristalline Keramik

Hierbei handelt es sich um amorphe Strukturen. Ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften sind geringer als die der kristallinen Keramik.

Glaskeramik

Bestehend aus Aluminium-, Lithium- und Magnesiumsilikaten. Sie bieten erhöhte mechanische Festigkeit und eine geringe Wärmeausdehnung, ideal für Öfen und elektrische Widerstände.

Metallische Werkstoffe und Legierungen

Eine Legierung ist ein homogenes Gemisch oder eine feste Lösung aus einem Metall mit anderen Elementen (metallisch oder nicht-metallisch), die die Eigenschaften des Grundmetalls modifiziert. Verfestigungsdiagramme dienen als grafische Werkzeuge, um Veränderungen während der Abkühlung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung zu identifizieren.

Stahlarten

• Chromstahl: Hohe Korrosionsbeständigkeit durch eine schützende Chromoxidschicht.
• Nickel-Chrom-Stähle (Edelstahl): Bekannt als rostfreie Stähle mit guten mechanischen Eigenschaften, hoher Elastizität und Dehnbarkeit. Einsatz in der Chirurgie und für hochwertige Geräte.
• Feuerfester Stahl: Zeichnet sich durch Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Verwendung für Raketenkomponenten und Schweißgeräte.
• Schnellarbeitsstahl: Ermöglicht hohe Schnittgeschwindigkeiten ohne Erweichung. Ideal für Werkzeuge zum Drehen, Fräsen, Bohren und Hobeln.

Materialbehandlungen

Thermische Behandlungen

• Glühen: Erhitzen, Halten und langsames Abkühlen zur Homogenisierung und Stabilisierung.
• Härten: Erhitzen, Halten und schnelles Abschrecken (z. B. martensitische Umwandlung).
• Anlassen: Erhitzen unterhalb der Härtetemperatur mit anschließender Abkühlung.

Thermochemische Verfahren

• Einsatzhärten: Einbau von Kohlenstoff in die Randschicht.
• Nitrieren: Einbau von Stickstoff in die Randschicht.
• Zyanieren: Einbau von Kohlenstoff und Stickstoff.
• Sulfinieren: Einbau von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel.

Mechanische und Oberflächenbehandlungen

• Kaltverformung: Walzen, Stanzen, Ziehen.
• Warmverformung: Schmieden, Heißprägen, Extrusion.
• Oberflächenveredelung: Metallisierung (Aufspritzen von Schmelze) oder Hartverchromung (elektrolytische Schicht).

Korrosionsschutz

Chemische Oberflächenmodifizierung

• Chromatieren, Phosphatieren & Anodische Oxidation: Bildung schützender Oxid- oder Phosphatschichten.

Nichtmetallische Beschichtungen

• Farben, Lacke, Kunststoffe und keramische Glasuren zum Schutz vor Umwelteinflüssen.

Metallische Beschichtungen

• Verfahren: Elektrodeposition, Elektrophorese, Feuerverzinken (Immersion) und Diffusionsbeschichtung (Broadcasting).

Aktiver Schutz

• Kathodischer Schutz: Anschluss einer Opferanode mit niedrigerem Oxidationspotential.
• Korrosionsinhibitoren: Zusatz von hochmolekularen Polyamiden zur Verlangsamung der Korrosionsgeschwindigkeit.

Hinweis: Metallische Werkstoffe basieren auf Metallen wie Eisen, Kupfer oder Zink. Nichtmetallische Werkstoffe hingegen bestehen nicht primär aus Metallen.