Konstruktionswerkstoffe Des Maschinen- Und Anlagenbaues (German Edition) 3527309551, 9783527309559 [PDF]

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Konstruktionswerkstoffe des Maschinen- und Anlagenbaues herausgegeben von W. Schatt, E. Simmchen, G. Zouhar

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Konstruktionswerkstoffe des Maschinen- und Anlagenbaues Herausgegeben von Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Werner Schatt Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Elke Simmchen Prof. Dr.-Ing. habil. Gustav Zouhar

WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ¤ 1998 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache über-tragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. ISBN

978-3-527-30955-9

Vorwort zur 5. Auflage

Der vorliegende Titel ist aus dem im gleichen Verlag in vier Auflagen erschienenen Fachbuch ,,Werkstoffe des Maschinen-, Anlagen- und Apparatebaues" hervorgegangen. Sein ausgepragt technischer Bezug machte - nicht zuletzt als ein Erfordernis der deutschen Einigung - eine grundlegende Uberarbeitung notwendig, der auch ein geanderter Buchtitel voran gestellt wurde. Ein Material wird erst dann zum Werkstoff, wenn sich mit ihm ein bestimmtes, gesellschaftlich relevantes Eigenschaftsbild verbindet. Folglich ist das praktische Interesse am Werkstoff damit begrundet, dal3 er einem gewissen Spektrum von Anforderungen genugt und dazu beitragt, die mit der Nutzung eines technischen Gebildes gekoppelten Einsatzprobleme zu losen. Mit dem jetzt gewahlten Titel ,,Konstruktionswerkstoffe" sind keine Definitionsabsichten verknupft. Es wird lediglich auf einen tradierten Begriff zuruckgegriffen, der in dem vorerwahnten Sinn - analog dem Fachbegriff ,,Funktionswerkstoffe" - Gebrauch findet. Die heute statt seiner nicht selten zu horende und dem anglo-amerikanischen Sprachraum als mechanische Ubersetzung entliehene Bezeichnung ,,Strukturwerkstoffe" erscheint bedeutungsunlogisch, da in der deutschen Fachsprache ,,Konstruktion" und ,,Struktur" nicht synonym und im Bereich der Werkstoffwissenschaft und -technik in ihrer Bedeutung seit langem festgeschrieben sind. Zu bedenken ist auch, dal3 es angesichts der standig wachsenden Zahl neuer Termini als Folge zunehmenden Wissenserwerbes geboten sein sollte, das gegenseitige Verstandnis nicht durch ,,modische", aber keineswegs zwingend erforderliche und schon gar nicht sachlich begrundbare Begriffsbildungen noch mehr als ohnehin der Fall zu belasten. Gegenstand der Neubearbeitung sind, wie in den vorangegangenen Auflagen, Werkstoffe aller Materialklassen, die fur den Bau von Maschinen und Anlagen Verwendung finden. Um dem interessierten Leser die Konstruktionswerkstoffe unter Gesichtspunkten, wie sie auch in der Praxis bestimmend sind, nahezubringen, geht die Stoffgliederung von den Anwendungsgebieten und Einsatzanforderungen aus. Sie sieht nach zwei einleitenden Kapiteln uber die Grundzuge der Werkstoffauswahl und -kennzeichnung neun weitere Kapitel vor, in denen Allgemeine Konstruktionswerkstoffe, Werkstoffe fur Werkzeuge, fur tiefe und hohe Temperaturen sowie korrosive Beanspruchung, Werkstoffe mit hohem Verschleil3- und Reibwiderstand, Gleit-, Lager- und Federwerkstoffe sowie Werkstoffe fur losbare und unlosbare Verbindungen behandelt werden. Die Herstellung und Verarbeitung der Werkstoffe werden nur insoweit erortert, als sie einen bleibenden EinfluB auf Werkstoffeigenschaften ausuben oder in Verbindung mit dem Werkstoffeinsatz charakteristisch sind. Die Darlegungen uber die ,,Konstruktionswerkstoffe" ful3en grundsatzlich auf dem Grundlagenwissen, das in der im gleichen Verlag 1996 erschienenen ,,Werkstoffwissenschaft" vermittelt wird. Auf die Angabe gesonderter Bezugnahmen

VI

Vorwort zur 5. Auflage

wird deshalb verzichtet. Nur in wenigen Fallen, wie bei der Warmebehandlung von Stahl, dem Reibungs- und VerschleiBverhalten oder den Laufeigenschaften von Gleitwerkstoffen sowie dem Sprodbruchverhalten von Werkstoffen bei tiefen Temperaturen, wird zum tieferen Verstandnis von Werkstoffverhalten und -auswahl eine erganzende Erorterung von Grundlagenwissen gegeben. Der Umfang der Darlegungen geht uber den Rahmen einer exemplarischen Behandlung der einzelnen Thernengruppen und deren Werkstoffe weit hinaus. Trotzdem war es angesichts der Vielzahl der heute bekannten Werkstoffe notwendig, sich auf jeweils wichtige Vertreter, deren Eignung durch eine effektive technische Nutzung bereits ausgewiesen ist, zu beschranken. Entwicklungstendenzen werden nur dann angeschnitten, wenn sie mit Ergebnissen verbunden sind, deren Ubernahme in die Praxis mit hoher Wahrscheinlichkeit absehbar ist. Die ,,Konstruktionswerkstoffe" sollen dazu beitragen, die Lucke im Angebot von einsatzproblemorientierter und eine vernunftige Werkstoffauswahl und -substitution fordernder Literatur uber Werkstoffe zu schliefien. Gleichzeitig tragt es der hervorragenden Rolle des Maschinenbaues und seiner metallischen wie nichtmetallischen Werkstoffe Rechnung. Zum potentiellen Nutzerkreis gehoren nicht nur Werkstoffingenieure, sondern auch Konstrukteure, Technologen und Verfahrenstechniker sowie auf entsprechenden Gebieten tatige Ingenieurokonomen einschlieBlich der in diesen Disziplinen Studierenden. Herzlicher Dank gilt all denen, die durch Ratschlage und kritische Hinweise zur Neugestaltung der ,,Konstruktionswerkstoffe" beigetragen haben. Zu besonderem Dank sind wir Herrn Dip1.-Phys. Dieter von Strauwitz fur die umfassende Mitarbeit am Komplex ,,Polymere" und Frau Dr.-Ing. Birgit Vetter fur die Hilfe bei der technischen Ausgestaltung sowie dem Deutschen Verlag f u r Grundsto.8industrie Stuttgart fur die entgegenkommende Zusammenarbeit und die verstandnisvolle wie tatkraftige Forderung der vorliegenden Neuauflage verpflichtet. Die Herausgeber

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Grundsatzliches zur Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Kennzeichnung der Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungssysteme fur Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurznamen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffnummern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungssysteme fur GuBeisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurzzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffnummern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennzeichnung von Nichteisenwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurzzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffnummern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.1 2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.2 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Kennzeichnung von Aluminium und AluminiumKnetlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennzeichnung der Polymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 2.3.1 Kennzeichnung von Duromeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Kennzeichnung von Thermoplasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Kennzeichnung von Elastomeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennzeichnung durch Handelsnamen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 2.4 Bezeichnung silicattechnischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Allgemeine Konstruktionswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EinfluB nichtmetallischer Verunreinigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . EinfluB des Herstellungsverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EinfluB des VergieBens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmebehandlung der Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gluhverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Harten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verguten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermochemische Oberflachenbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . CVD- und PVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.4.1 3.1.4.2 3.1.4.3 3.1.4.4 3.1.4.5 3.1.4.6 Thermomechanische Behandlung (Umformtechnische Verfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5 Allgemeine Baustahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6 Hoherfeste und wetterfeste schweiBgeeignete Baustahle . . . . . . . . 3.1.7 Einsatzstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.8 Vergutbare Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 8 8 15 16 16 19 20 20 22 22 24 26 27 29 30 30 33 33 35 38 39 41 42 47 51 53 60 61 67 72 78 79

VIII

Inhalt

3.1.9 Automatenstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.10 StahlguB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 1 Sinterstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.11.1 GepreBte Sinterstahlformteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 1.2 Geschmiedete Sinterstahlformteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 1.3 SpritzguB-Sinterstahlformteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.12 GuBeisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.12.1 Graphithaltiges Gufleisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.12.2 TemperguB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Leichtmetallegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1.1 Aluminium-Knetlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1.2 Aluminium-GuBlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Magnesiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Titan und Titanlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Zinklegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Polymerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Verarbeitung von Polymerwerkstoffen . . . . . . . ............ Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Duromere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 3.4.4 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83 86 87 90 94 96 97 98 107 109 110 113 114 116 118 121 123 128 131 137 140

Werkstoffe fur Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen und Werkstoffubersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkzeugstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erschmelzen und Formgeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chemische Zusammensetzung und Gefuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.5.1 4.2.5.2 4.2.5.3 4.2.6 4.2.7 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2 4.3.2.3 4.3.2.4 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2

144 148 149 150 Warme- und Randschichtbehandeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Unlegierte Kaltarbeitsstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Legierte Kaltarbeitsstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Werkzeuge fur die Polymerverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Werkzeuge zum Zerteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Werkzeuge zum Kaltumformen und Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Warmarbeitsstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Schnellarbeitsstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Aufbau und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Hartmetallgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 WC-Co-Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 W(Ti.Ta.Nb)C.C o.Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Cermets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Beschichtete Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Einsatz der Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Nichtmetallische Hartstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Schneidkeramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Hochharte Schneidstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Inhalt

5

IX

Werkstoffe fur tiefe Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Werkstoffverhalten bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.5 5.6

Kriterien zur Bewertung der Werkstoff- und Bauteilzahigkeit . . . Kaltzahe Stahle und EisenguBwerkstoffe .................... Kaltzahe Walz- und Schmiedestahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltzahe EisenguBwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nichteisenmetalle und -1egierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polymere und Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschriften zur Werkstoffauswahl fur tiefe Temperaturen . . . . . .

188 192 192 197 197 199 201

6

Werkstoffe fur hohe Temperaturen ....................

205

6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.4.1 6.1.4.2 6.1.5 6.1.6 6.1.6.1 6.1.6.2 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.2.1 6.6.2.2 6.6.2.3 6.6.2.4 6.6.2.5 6.6.3 6.6.3.1 6.6.3.2 6.6.3.3 6.6.4

Warmfeste Stahle und Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unlegierte und niedriglegierte Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmfeste Chromstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochwarmfeste austenitische Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Superlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochwarmfeste Nickellegierungen und ODS-Legierungen . . . . . . Hochwarmfeste Cobaltlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochschmelzende Metalle und Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmfeste Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sinternickel (TD-Nickel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmfestes Hartmetall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zunderbestandige Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerate- und Quarzglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften der Glaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgewahlte Glaswerkstoffe und deren Anwendung . . . . . . . . . . . Glaskeramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochtemperatur-Schutzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metallische Schutzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochtemperaturemails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keramische Schutzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuerfeste Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffverhalten und -beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuerfeste Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Silicaerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schamotteerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tonerdereiche Erzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Basische Erzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuerbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonderkeramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oxidkeramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Siliciumcarbid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Siliciumnitrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohlenstofferzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

207 208 210 211 215 216 221 223 226 227 228 230 232 232 237 240 242 242 242 243 244 244 251 252 254 257 258 261 262 263 265 267 269

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . 273

7.1 7.1.1

Polymerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wichtige Korrosionserscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273 274

X 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.3.8 7.3.9 7.4 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.6 7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.7.4 7.8 7.8.1 7.8.2 7.8.3 7.8.4 7.9 7.9.1 7.9.2 7.9.3 7.9.4 7.9.5 7.9.6 7.9.7 7.9.8 7.10 7.10.1 7.10.2 7.10.3 7.10.4 7.11 7.12 7.13

lnhalt

Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Duromere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Beschichtung mit Polymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Titan und Titanlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Aluminium und Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . Grundsatzliches zum Korrosionsverhalten . . . . . . . . . . . . Rein- und Reinstaluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Aluminium-Magnesium-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Aluminium-Mangan-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . 290 Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . 291 Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer-Legierungen . . . . . . . . . . . . 292 Aluminium-Lithium-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Magnesiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 . . 294 Kupferwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Kupfer-Zink-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Kupfer-Aluminium-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Kupfer-Nickel-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 300 Kupfer-Zinn-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blei und Bleilegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Nickel und Nickellegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Nickel-Kupfer-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nickel-Molybdan-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nickel-Chrom-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Nickel-Chrom-Molybdan-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Edle Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Silber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 ........................................ 310 Platin . . . . . . ........................................ 310 ........................................ 311 Metallische Uberzugswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Zinkuberzuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Chromuberzuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Aluminiumuberzuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Zinnuberzuge . . . . . . . . ............................. 315 ............................. 315 Kupferuberzuge . . . . . . . . . 316 Nickeluberzuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cadmiumuberzuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 317 Bleiuberzuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rost- und saurebestandige Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Chromstahle Chrom-Nickel-Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 327 Chrom-Mangan-Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Mehrphasige Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GuB-und SonderguBeisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Steinzeug . . . . . . . . . . . . ............................... 328 Porzellan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

lnhalt

7.14 7.15 7.16 7.16.1 7.16.2 7.17

Technisches Glas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glasige und keramische Uberzugsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Email . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keramische Spritzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohlenstoffwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchung und Reibwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlegende Betrachtungen zu Reibung und VerschleiR . . . . . . Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unlegierte und niedriglegierte Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4

XI 331 332 334 334 335 336

340 340 344 346 348 351

8.3.4 8.3.4.1 8.3.4.2 8.3.4.3 8.3.4.4 8.3.4.5

Austenitische Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GuBwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberflachenschichten zur Verbesserung des VerschleiBwiderstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Galvanische Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auftragschweihngen und thermische Spritzschichten . . . . . . . . . . Oberflachen-Harteschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusionsschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CVD- und PVD-Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hartmetalle und Hartstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reibwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe mit Polymerbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GuBeisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesinterte Friktionswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Friktionswerkstoffe auf Kupferbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Friktionswerkstoffe auf Eisenbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Friktionswerkstoffe mit hohem keramischen Anteil (CermetFriktionswerkstoffe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe fur Ollauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahllamellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Papierwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faserwerkstoffe mit Polymerbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Graphit-Reibmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesinterte Werkstoffe auf Kupferbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

386

9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.5.1 9.2.5.2 9.2.6

Anforderungen an Gleitwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe fur Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerlegierungen auf Blei- und Zinnbasis (WeiBmetalle) . . . . . . . Lagerlegierungen auf Kupferbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerlegierungen auf Aluminiumbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sinterlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Duromere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Andere Gleitwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

388 390 392 396 399 401 407 408 410 418

8.2.4.1 8.2.4.2 8.2.4.3 8.2.4.4 8.2.4.5 8.2.5 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.3.1 8.3.3.2 8.3.3.3

356 358 360 364 365 368 369 370 371 376 376 378 379 381 382 382 382 383 383 383

XI1

Inhalt

9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4

Anforderungen an Walzlagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe fur Walzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Niedriglegierte durchhartende Cr- und Cr-Mn-Stahle . . . . . . . . . . Nichtrostende Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmharte Stahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . 431

10.1 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.3 10.4

Anforderungen an Federwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Federstahle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Federstahle fur Normalbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Federstahle fur Beanspruchungen bei hohen Temperaturen . . . . . Federstahle fur stark korrosive Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . Nichteisenmetall-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polymerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

433 437 438 441 443 444 446

11

Werkstoffe fur Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

449

11.1 11.1.1 11.1.2 11.2 11.3 11.4 11.4.1 1 1.4.2 1 1.4.3 11.4.4 11.5 11s.1 11s . 2 1 1S.3 11S.4 11.6 11.6.1 11.6.2

Werkstoffe fur Schrauben und Muttern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metallische Schrauben- und Mutternwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Schraubverbindungen an polymeren Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe fur Niete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klebstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzwerkstoffe fur das Loten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weichlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hartlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lote fur Werkstoffverbunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Claslote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzwerkstoffe fur das SchweiBen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzwerkstoffe fur das SchweiBen von Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzwerkstoffe fur das SchweiBen von GuBeisen . . . . . . . . . . . . Zusatzwerkstoffe fur das SchweiBen von NE-Metallen . . . . . . . . . Schweiaen von Polymerwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Silicattechnische Verbindungswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mortel fur feuerfeste Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

449 449 452 453 4.55 4.59 460 461 463 465 465 467 472 473 474 476 476 476

Sachworterverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

478

421 422 422 426 427 427

1

Grundsatzliches zur Werkstoffauswahl

Konstruktionswerkstoffe dienen in Form von Bauteilen oder Halbzeugen vorwiegend zur Ubertragung von Kraften und Momenten sowie zur Abgrenzung von Raumen. In der Regel liegen komplexe Beanspruchungsbedingungen vor, d.h. der mechanischen Belastung, die annahernd konstant oder zeitlich veranderlich sein kann, ist der EinfluS hoher oder tiefer Temperaturen sowie von Reibung, VerschleiS und korrosiver Umgebungsmedien uberlagert (Bild 1.1).

- statisch - zyklisch

- Wasser - H2S - Flussigrnetall

- thermisch

Werkstoff Bauteil

SRK S WRK

- SpannungsriBkorrosion - SchwingungsriBkorrosion

Bild 1.1 Uberlagerung von rnechanischer und korrosiver Beanspruchung (schematisch)

Hieraus leitet sich folgende Vorgehensweise bei der Werkstoffauswahl und Werkstoffentwicklung ab [1.1]: 0

0

0

0

Samtliche Einsatzbedingungen mussen hinreichend bekannt sein. Dies umfal3t sowohl Betriebsphasen als auch Stillstandsphasen. Das aus den Betriebsbedingungen abgeleitete Anforderungsspektrum an den Werkstoff sollte dessen Eigenschaftsspektrum luckenlos erfullen. Samtliche fur den Werkstoffeinsatz wichtigen Eigenschaften mussen spezifiziert werden (Grundlage fur die Qualitatssicherung). Durch die Verarbeitung des Werkstoffes bei der Bauteilfertigung darf sich dessen Eigenschaftsspektrum nicht unzulassig verandern.

2 0

1

Grundsatzliches zur Werkstoffauswahl

Im Rahmen der Qualitatssicherung ist der Nachweis zu erbringen, da13 der Werkstoff nach der Fertigung hinsichtlich der genannten Eigenschaften den Spezifikationen entspricht.

Die Losung eines technischen Problems sollte, um ,,einseitige Denkweisen" zu vermeiden und Innovationen zu fordern, stets aus der Sicht samtlicher Werkstoffgruppen (Bild 1.2) angegangen werden. Stark vereinfacht lafit sich die Werkstoffauswahl in den Konstruktionsprozefi wie folgt einordnen, Tabelle 1.1. Bereits in der Konzeptionsphase bieten Werkstoffschaubilder eine nutzliche Hilfe. Sie erlauben es, aus der heutzutage fast unubersehbaren Fulle von Werkstoffen, solche Werkstoffe herauszufinden, die zur Losung des technischen Problems geeignet sind und von vornherein solche Werkstoffe auszusondern, die uberhaupt nicht in Frage kommen.

I Keramische Werkstoffe I

Metallische

I

Verbundwerkstoffe

I

Bild 1.2 Uberblick iibcr Werkstoffgruppen fur Konstruktionen

Tabelle 1 . 1 Einordnung der Werkstoffauswahl in den KonstruktionsprozeB (stark vereinfacht) Auslegung

Anforderungen

Werkstoffauswahl

Naherungsweise Analyse

Konzeption

Betrachtung samtlicher Werkstoffe (geringe Genauigkeit)

Analyse mit groRerer Genauigkeit, Berucksichtigung d e r Leistungsfahigkeit

Anwendungsforrn, Ausfiihrungsart

Teilrnenge an Werkstoffen (hohere Genauigkeit)

Optirnierung, Wirkungsgrad, Nutzeffekt

wie oben

weitere Einengung der in Frage kornmenden Werkstoffe

Detaillierte Analyse, FiniteElemente-Berechnungen u.a.

Festlegung von Details

Festlegung eines Werkstoffes (bestmogliche Genauigkeit)

Exakte Dirnensionierung

Erzeugnis

Verwendung des festgelegten Werkstoffes

1

Grundsatzliches zur Werkstoffauswahl

3

Dadurch wird der ,,trial and error"-Aufwand bereits in der Anfangsphase der Werkstoffauswahl eingeschrankt. Mit fortschreitender Detailuntersuchung wird die Anzahl der in Frage kommenden Werkstoffe weiter eingegrenzt. Unter Beachtung von Anforderungen aus der Technologie der Herstellung, Ver- und Bearbeitung, des Recyclings, der Okologie, von Kostenaufwand und Preisen (Tabelle 1.2) ergibt sich dann die optimale Werkstofflosung. Jede fur ein Erzeugnis zu treffende Werkstoffauswahl impliziert die Auswahl von Technologien der Werkstoffherstellung, Werkstoffver- und -bearbeitung sowie die Auswahl von Prufverfahren und Qualitatsstandards. In der Entwurfsphase einer Konstruktion ist die Frage von Interesse, inwieweit mit Hilfe der Werkstoffschaubilder ausgewahlte Werkstoffe oder Werkstoffgruppen aus technologischer Sicht uberhaupt in Frage kommen und welche Restriktionen und Risiken damit verbunden sind. Dafur kann Tabelle 1.2 als Orientierung dienen. Diese Ubersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollstandigkeit. Sie ist spaltenweise zu lesen, und jeder ausgewahlte Werkstoff sollte nach den dort aufgefuhrten KriTabelle 1.2 Kriterien zur qualitativen Bewertung von Technologien bei der Werkstoffauswahl Erzeugnis

Werkstoffver- und -bearbeitung

Werkstoffherstellung

Ausgangsstoffe

Bereich der herstellbaren Abmessungen, einhaltbare MaBtoleranzen

Fugbarkeit

Schmelzmetallurgie

Reinheitsgrad

Montagemoglichkeit

Beschichtung, Abscheidung (CVD, PVD)

Verfugbarkeit

Pulvermetallurgie Polymerisation, Vernetzung

Toxische Wirkungen GleichmaBigkeit

Qualitat der ProzeBbeherrschung

Preis

Erreichbare Komplexitat

Spangebendelspanlose Formbarkeit

Einzel- oder Serienfertigung

Umweltbelastung, z. B. durch Hilfsstoffe

Schwankungsbreite der nutzbaren Eigenschaften, GleichmaBigkeit der Erzeugnisse Erreichbare Oberflachenqualitat Design, Asthetik Vorliegen von Qualitatsstandards, Liefer- und Abnahmebedingungen, Qualitatsmanagement (DIN I S 0 9000) Reparaturfahigkeit, Instandhaltung Eignung fur Recycling Wiederverwendbarkeit Auswirkungen auf Umwelt, toxische Eigenschaften Inspizierbarkeit Preis

Moglichkeiten fur Beschichtung Moglichkeiten fur thermische und thermochemische Be handlung Verfugbarkeit uber Anlagentechnik Qualitat der ProzeDbeherrschung Vorliegen eines Qualitatsmanagements (DIN I S 0 9000) Kostenaufwand

Umweltbelastung Vorliegen eines Qualitatsmanagements (DIN IS0 9000) Kostenaufwand

Lager- und Transportfahigkeit

4

1

Grundsatzliches zur Werkstoffauswahl

terien qualitativ beurteilt werden. Besonders risikobehaftete Kriterien sind entsprechend hervorzuheben. Diese brauchen nicht der AnlaB fur das Verwerfen des ausgewahlten Werkstoffes zu sein, sondern konnen Entwicklungsarbeiten zum Abbau des Risikos initiieren. Aus der Gesamtheit der positiven und negativen Wertungen ist dann uber den Verbleib des betreffenden Werkstoffes in der Auswahl zu entscheiden. Tabelle 1.2 berucksichtigt allgemeine Kriterien, die weitestgehend unabhangig von der raschen technologischen Entwicklung sind. Werkstoffschaubilder sind grundsatzlich so aufgebaut, daB auf der Ordinate und auf der Abszisse je eine WerkstoffkenngroBe aufgetragen ist. Um die entsprechenden Wertebereiche in einem Schaubild erfassen zu konnen, wird meist ein logarithmischer MaBstab gewahlt. Fur jeden Werkstoff bzw. jede Werkstoffgruppe entstehen nach Eintragung der Kennwerte Felder, die mit einer Hullkurve umrandet werden konnen. Als Beispiel zeigt Bild 1.3 den Elastizitatsmodul E in Relation zur Massendichte p. Jedem Wertepaar (E, p) entspricht ein Punkt in diesem Schaubild. Aus dieser Darstellung geht hervor, daR das Schaubild nicht gleichmal3ig belegt ist, d.h. es gibt Bereiche fur die keine Werkstoffe existieren. Diese ,,weiBen Felder" konnen Anregungen fur die Entwicklung neuer Werkstoffe liefern. Desweiteren konnen dem Schaubild diejenigen Werkstoffe entnommen werden, welche sich bei konstanter Dichte im Elastizitatsmodul unterscheiden. Zum Beispiel erhoht sich der E-Modul bei einer Dichte von ca. 1,5 gkm' von 0,01-0,1 GPa fur Elastomere uber 0,l-10 GPa fur Plasto-

1000 -

steifigkeiv MaGe

Techn.

GPa

091

7

g/cm3

70

Dichte Bild 1.3 Schaubild fur die Werkstoffauswahl nach dem Kriterium ,.Hohe Steifigkeit bei minimaler Masse". Werkstoffaktoren E/p, E"*/p und EWp berucksichtigen Belastungsart und Bauteilgeometrie. Geraden a-b und A-B: Beispiele fur die Werkstoffauswahl (nach M . Ashby)

1

Grundsatzliches zur Werkstoffauswahl

S

und Duromere bis auf ca. SO-200 GPa fur faserverstarkte Verbundstoffe rnit Polymermatrix. Das Schaubild zeigt auch, dal3 dem E-Modul mit dem Betrag von 1000GPa fur Diamant (Hartstoff, am oberen Ende des Keramikfeldes) eine obere Grenze gesetzt ist. An Hand der Abszisse kann der Variationsbereich der Dichte in Abhangigkeit von der Lage der Werkstoffelder abgelesen werden. Holz und Schaumpolymere weisen sehr niedrige Dichten auf. Bei einem E-Modul von ca. 5 GPa ist rnit Holz bei Belastung parallel zur Faser eine geringere Dichte erreichbar als rnit Polymerwerkstoffen. Geschaumte metallische Werkstoffe lassen eine Kombination von niedriger Dichte rnit einem gegenuber Polymerwerkstoffen hoherem E-Modul erwarten. Auljer den beschriebenen Moglichkeiten gestatten diese Werkstoffschaubilder eine Werkstoffauswahl nach Belastungsart (z. B. Zug, Torsion, Biegung, Knikkung, Beulung, Innendruck, Fliehkrafte) und Bauteilgeometrie fur den Leichtbau (z. B. Stabe, Platten, Rohre, Kreiszylinderschalen, Kugelschalen, Sandwichund Hybridverbundbauweisen). Eine Zielfunktion ist dabei minimale Masse bei hoher Steifigkeit. Z u diesem Zweck enthalt das Schaubild Geraden fur konstante Verhaltnisse E/p, EI/*/p, El/3/p, die als Werkstoffakforen bezeichnet werden. So ist E/p fur Stabe und Scheiben unter Zugbelastung, Kreiszylinderschalen unter Innendruck, rotierende Hohlzylinder und Vollscheiben; E1/*/pfur Biegung von Staben rnit kreisformigem Vollquerschnitt, Durchschlagen von Kugel- und Zylinderschalen, Knicken von Staben, Beulung von Kreiszylinderschalen; EWp fur Biegung und Beulung von Rechteckplatten, Biegung von Kreisplatten, Kreiszylinderschalen und fur die Knickung von Staben rnit rechtekkigem Vollquerschnitt, dunnwandigen Rohren und Kreiszylinderschalen heranzuziehen [1.2] bis [1.S]. Geht man von der Beziehung E”3/p = C

(1.1)

aus und logarithmiert diese Gleichung, so erhalt man (1/3)ln E = 1nC + lnp

(1.2)

bzw. In E = 31nC + 31np.

(1.3)

In einem doppeltlogarithmischen Koordinatensystem stellt GI. (1.3) eine Gerade rnit dem Anstieg 3 dar. Die ubrigen in das betrachtete Schaubild eingezeichneten Geraden verlaufen entsprechend dem Exponenten von E flacher. Den geringsten Anstieg weist die Gerade E/p auf. Eine Parallelverschiebung der Geraden von rechts unten nach links oben im Schaubild entspricht einer Zunahme der Werkstoffaktoren E/p, EI/2/p sowie EWp. Samtliche Werkstoffe bzw. Werkstoffgruppen, die von ein und derselben Geraden geschnitten werden, zeichnen sich durch gleich grolje Werkstoffaktoren aus und sind deshalb fur die betreffende Belastungsart und Bauteilgeometrie untereinander austauschbar. Alle links oberhalb der Geraden liegenden Werkstoffe sind wegen der erhohten Werkstoffaktoren als bessere Werkstofflosungen einzustufen, alle rechts unterhalb der Geraden befindliche Werkstoffe bedeuten schlechtere Losungen. Zum Beispiel sind nach der willkurlich eingezeichneten Geraden A-B metallische Werkstoffe (Legierungen), Verbundwerkstoffe und

6

1

Grundsatzliches zur Werkstoffauswahl

Holz fur Zugbelastung parallel zur Faser bezuglich minimaler Masse bei gegebener Steifigkeit, E/p, fur Zugstabe und Zylinderschalen unter Innendruck als gleichwertig anzusehen. Beim Wechsel der Belastungsart und Bauteilgeometrie, im vorliegenden Schaubild durch die Gerade a-b gekennzeichnet, kommen aul3er Legierungen nur noch Polymerwerkstoffe in Betracht, da deren Feld von der Geraden a-b geschnitten wird. D.h. fur Plattenbiegung EI'Yp, sind unter dem Aspekt ,,minimale Masse bei gegebener Steifigkeit" beide Werkstoffgruppen gleichwertig. Als bessere Werkstofflosungen ergeben sich fur diesen Fall Holz und Verbundwerkstoffe, wenn die Gerade a-b im Schaubild weiter nach links parallel verschoben wird. Die beste Losung, d.h. den hochsten Wert E113/pliefert der Werkstoff Holz, dessen Fasern in Langsrichtung beansprucht werden. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daB in der Regel mehrere Schaubilder fur die Werkstoffauswahl herangezogen werden mussen. Dadurch kann sich die nach dem Kriterium ,,minimale Masse/hohe Steifigkeit" ergebende Auswahl weiter einengen. So ist fur den Leichtbau auch eine hohe Tragfahigkeit bei minimaler Masse von Interesse. wofur die Werkstoffaktoren R,/p, Rpl12/p,R,2'/p entsprechend der Belastungsart und Bauteilgeometrie zur Anwendung kommen. In den entsprechenden Schaubildern bedeutet R, fur Metalle, Plastomere und Duromere den Bereich ab Streckgrenze bis zur Zugfestigkeit. da auch Kennwerte nach Umformung mit erfaBt sind. Fur die meisten praktischen Zwecke konnen die R,-Werte fur Zug und Druck als gleich groB angenommen werden. Bei Elastomeren entspricht R, der ReiBfestigkeit. Fur Keramik und Glaser ist fur R, die Bruchfestigkeit unter Druck einzusetzen. Diese ist annahernd 15mal grol3er als die Bruchfestigkeit unter Zug. Bei Verbundwerkstoffen entspricht R, der Bruchfestigkeit unter Zug. Die Druckfestigkeit kann wegen des Knickens der Fasern geringer sein [ 1.21 bis [ 1.41. Literaturhinweise [ 1.11 [ 1.21 [ 1.31 [ 1.4)

[ I .5]

(;rcinzherg. U., E.-M. Horn. P Muuern: Kleine Stahlkunde fur den Chemieapparatebau. 2. Auflage. Diisseldorf Verlag Stahleisen mhH, 1993 Wotermnn. N . A . and M.F: Ashhy (Hrsg.): Elsevier Materials Selector. Vol. 1-3. London: Elsevier Applied Science 1991 Ashhv, M . : Materials Science and Technology 5 (1989) S. 517-525 Zouhnr, G.: Konstruktionswerkstoffe. Vorlesungsunterlagen, Teil 1. Studienmaterial Universitares Technisches Fernstudium, Studiengang Maschinenbau. Hrsg.: Technische Universitat Dresden. Fakultiit Maschinenwesen. Arbeitsgruppe Fernstudium. Ausgabe 1996 Wieciemnntz,J.:Leichtbau, Band 2: Konstruktion. Berlin: Springer-Verlag 1989

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

Trotz vieler Bemuhungen gibt es noch keine einheitliche Systematik fur die Bezeichnung von Werkstoffen. Am altesten und meisten verbreitet ist die Kennzeichnung mit Hilfe von Buchstaben und Ziffern - Kurznamen -, die meist so gewahlt sind, daB sie fur den Verbraucher wichtige Informationen erkennen lassen. Daneben besteht eine reine Ziffernkennzeichnung - Werkstoffnummern -, die in Verbindung mit dem Einsatz der elektronischen Datenverarbeitung Vorteile aufweist. Obwohl sie fur den Verbraucher weniger anschaulich ist, findet sie in der Praxis zunehmend Anwendung. AuBer diesen genormten Bezeichnungen werden von den Herstellerfirmen Handelsnamen fur ihre Erzeugnisse benutzt. Das bedeutet, daB es fur ein und denselben Werkstoff zahlreiche unterschiedliche Namen gibt, so daB fur den Verbraucher der Werkstoff nur schwer oder gar nicht erkennbar ist. Das trifft sowohl fur die metallischen wie auch polymeren Werkstoffe zu. Den Hauptteil der nachfolgenden Erorterungen wird die Kennzeichnung durch Kurznamen und Werkstoffnummern beanspruchen, da sie bei allen metallischen Werkstoffgruppen angewendet wird. In zwei weiteren Abschnitten wird auf die Kennzeichnung der wichtigsten Vertreter der silicattechnischen Werkstoffe und der Polymeren eingegangen und damit ihrem im Maschinen-, Anlagen- und Apparatebau zunehmenden AusmaB der Verwendung Rechnung getragen. Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daB es fur den nationalen wie internationalen Vergleich der unterschiedlichsten Werkstoffbezeichnungen Nachschlagewerke wie den Stahlschlussel oder Aluminiumschlussel [2.1], [2.2] gibt, die eine Ruckfuhrung auf den genormten Werkstoffnamen bzw. die Werkstoffnummer ermoglichen.

2.1 Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen Die standig umfangreicher werdende internationale Zusammenarbeit macht es erforderlich, dal3 Normen vereinheitlicht werden. Das gilt auch fur die Normen, in denen die Werkstoffbezeichnungen festgelegt sind. Gegenwartig findet ein Umbruch von nationaler Normung auf Europaische Normung statt, so daB bereits eine grol3e Zahl von Werkstoffnormen, insbesondere fur Eisenwerkstoffe, von den bisherigen DIN-Normen in DIN EN-Normen umgewandelt worden ist, wodurch sich zum Teil erhebliche Veranderungen gegenuber den fruheren Kennzeichnungen ergeben. Da die Umstellungsphase noch nicht abgeschlossen ist, findet man gegenwartig bei den Stahlen und bei GuBeisen alte Kennzeichnungen nach DIN und bereits neue nach DIN EN vor, je nachdem, o b

8

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

fur die Technischen Lieferbedingungen der einzelnen Werkstoffe bzw. Werkstoffgruppen schon Europaische Normen verbindlich geworden sind. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, in den nachfolgenden Erorterungen, sowohl die bisher ublichen als auch die neuen Werkstoffbezeichnungen zu betrachten.

2.1.1 Bezeichnungssysteme fur Stahle Die Bezeichnungssysteme fur Stahle sind in Europa einheitlich genormt (DIN EN 10027) und unterteilt in Kurznamen und Werkstoffnummern. 2.1.1.1 Kurznamen

Fur die Kurznamen werden Ziffern und Buchstaben so gewahlt, daB fur den Werkstoffhersteller und -anwender wichtige Informationen, d. h. bestimmte Eigenschaften oder die chemische Zusammensetzung, erkennbar werden. Grundsatzlich gilt, daB die Kurznamen nur so viele Angaben enthalten, wie zur Charakterisierung des Werkstoffes und zur Unterscheidung von anderen Werkstoffen unbedingt notwendig sind. Weitergehende Informationen sind den jeweiligen Werkstoffnormen zu entnehmen. Die Kurznamen lassen sich in 2 Hauptgruppen einteilen: 0

Gruppe 1

Die Kurznamen geben Hinweise auf die Verwendung und die mechanischen oder physikalischen Eigenschaften der Eisenwerkstoffe. Diese Benennung ist fur Werkstoffe ublich, die auf Grund gewahrleisteter mechanisch-technologischer (Festigkeit, Umformbarkeit) oder physikalischer Eigenschaften (Koerzitivfeldstarke, Ummagnetisierungsverluste) eingesetzt und beim Verbraucher nicht oder nur zur Ruckgangigmachung verarbeitungsbedingter Eigenschaftsanderungen (z. B. nach dem SchweiBen oder Kaltumformen) warmebehandelt werden. 0

Gruppe2

Die Kurznamen geben Hinweise auf die chemische Zusammensetzung. Nach der chemischen Zusammensetzung werden solche Eisenwerkstoffe benannt, bei denen der Gehalt an Legierungselementen Ruckschlusse auf bestimmte Eigenschaften, wie Korrosions- und Zunderbestandigkeit, Warmfestigkeit oder Zerspanbarkeit zulal3t oder die beim Verbraucher zur Einstellung gewunschter Eigenschaften warmebehandelt werden. Kennzeichnung nach der Festigkeit - Kurznarnen der Gruppe 1 Nach der gewahrleisteten Mindeststreckgrenze bzw. Mindestzugfestigkeit werden die Allgemeinen Baustahle bezeichnet. Die Kurznamen nach DIN E N 10027-1 setzen sich aus Haupt- und Zusatzsymbolen wie folgt zusammen: Hauptsymbole

Zusatzsymbole fur Stahle

Zusatzsymbole fur Stahlerzeugnisse

Die Hauptsymbole bestehen aus dem Kennbuchstaben fur die Stahlgruppe (Tabelle 2.1), wobei ein vorangestelltes G StahlguB bedeutet, und der Kennzahl

2.1

Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen

9

Tabelle 2.1 Kennbuchstaben fur Stahlgruooen (Gruooe 1 ) nach DIN EN 10027-1 Kennbuchstabe

Stahlgruppe

S E P L B Y R H D T M

Stahle fur den allgemeinen Stahlbau Maschinenbaustahle Stahle fur den Druckbehalterbau Stahle fur den Rohrleitungsbau Betonstahle Spannstahle Stahle fur oder in Form von Schienen Kaltgewalzte Flacherzeugnisse Flacherzeugnisse aus weichen Stahlen zum Kaltumformen Feinst- und WeiBblech und -band Elektroblech

Tabelle 2.2 Zusatzsymbole der Gruppe 1 nach DINV17006 Teil 100 27 J

Kerbschlagarbeit 40 J

60 J

JR JO 52 53 54 JS 56

KR KO K2 K3 K4 KS K6

LR LO L2 L3 L4 L5 L6

Pruftemp. "C

+ 20 0 - 20

- 30 - 40 -

so

- 60

M = Thermomechanisch behandelt N = Normalgegluht oder normalisierend gewalzt Q = Vergutet G = Andere Merkmale, wenn erforderlich mit 1 oder 2 Ziffern (Symbole M, N und Q gelten fur Feinkornstahle)

fur die Mindeststreckgrenze in N/mm2 fur die kleinste Erzeugnisdicke. Bei den Stahlgruppen Y und R werden die Mindestzugfestigkeit und bei M die hochstzulassigen Ummagnetisierungsverluste angegeben. Es folgen als Zusatzsymbole (unterteilt in Gruppe 1 und 2) die Kennzeichen fur die Gutegruppe (SchweiBeignung und Kerbschlagarbeit nach Tabelle 2.2) und, wenn erforderlich, Kennzeichen fur die Desoxidationsart. Hinzugefugt werden konnen Kennbuchstaben fur die Eignung fur besondere Verwendungszwecke (Zusatzsymbole Gruppe 2), z. B. bedeuten:

C mit besonderer Eignung zur Kaltumformung D fur Schmelztauchuberzuge E fur Emaillierung W wetterfest Als Zusatzsymbol der Gruppe 2 konnen auch chemische Symbole fur vorgeschriebene zusatzliche Elemente, z. B. Cu, und der mit dem Faktor 10 multiplizierte Gehalt angegeben werden.

I0

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

AuBerdem besteht die Moglichkeit, fur Stahlerzeugnisse noch Zusatzsymbole fur den Behandlungszustand, Arten des Uberzuges oder fur besondere Anforderungen durch ein Pluszeichen von den vorhergehenden getrennt, z. B. +C fur den Behandlungszustand ,,kaltverfestigt", +Z fur ,,feuerverzinkt", anzuhangen. Beispiel: Stahl nach DIN E N 10025

1 S355 JOC 2

Hauptsymbol

N

S = Stahl fur allgemeinen Stahlbau 355 = Mindeststreckgrenze = 355 N/mm2 Zusatzsymbol fur Stahl

JO = Kerbschlagarbeit 27 J bei 0 ° C C = mit besonderer Kaltumformbarkeit Zusatzsymbol fur Stahlerzeugnisse

+N

= normalgegluht bzw. normalisierend gewalzt

Fur die Normbezeichnung eines Stahles der Gruppe 1 sind anzugeben: Art des Werkstoffes 0 Nummer der Europaischen Norm 0 Kurzname, womit sich fur den im Beispiel aufgefuhrten Stahl die folgende Normbezeichnung ergibt: 0

Stahl EN 10025 - S355JOC + N. Bisher genormtr Kitrznamen

Die Kurznamen von Stahlen der Gruppe 1 bestanden bisher aus den Kennbuchstaben St bzw. bei StahlguB GS gefolgt von der Mindestzugfestigkeit in kp/mm2,von Stahlen, die nach der Streckgrenze bezeichnet wurden, aus den Kennbuchstaben StE und der Mindeststreckgrenze in N/mm*.Zur weiteren Unterscheidung zwischen den verschiedenen Stahlen konnten zusatzlich noch Buchstaben und Ziffern fur bestimmte Merkmale vorangestellt oder angefugt sein. Soweit noch keine EN-Normen fur die Stahle der Gruppe 1 gultiggeworden sind, werden diese Kurznamen auch weiterhin beibehalten. Eine Liste wesentlicher bisher verwendeter Kennbuchstaben und Zusatzsymbole enthalt die Tabelle 2.3. Durch zwei Beispiele von Stahlen nach DIN 17 115 und DIN 17 178 wird nachfolgend der Aufbau der Kurznamen erlautert: Beispiel: Stahl nach DIN 17 1 IS VergieBungsart R = beruhigt vergossen

: "

Kennzeichen fur Stahl St = Stahl. nicht fur Warmebehandlung vorgesehen Mindestzugfestigkeit = 343 N/mm? (35 kp/mm?) G ute gruppe

2.1 Beispiel:

Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen

11

Stahl nach DIN 17 178

W = warmfester Stahl

Kennzeichen fur Stahl St = Stahl, nicht fur Warmebehandlung vorgesehen Streckgrenze

285 = Mindeststreckgrenze = 285 N/mm2

Tabelle 2.3 Bisher verwendete Kennbuchstaben fur Stahle der G r u m e 1 und 2 Zeichen

Bedeutung

Beispiel

A B C E

alterungsbestandiger Stahl Betonstahl behandelt auf Scherbarkeit Feinkornbaustahl rnit Mindestwerten fur die Kerbschlagarbeit bis - 50°C Stahl fur Flamrn- und Induktionshartung weichgegluht unlegierter Edelstahl mit niedrigem P- und S-Gehalt Stahl rnit Eignung zurn Walzprofilieren kaltgezogener Stahl unlegierter Edelstahl rnit unterer und oberer Begrenzung des S-Gehaltes bei etwa 0,020 bis 0,040% norrnalgegluht zum Gesenkschrnieden geeigneter Stahl Stahl rnit besonderer Eignung zur Kalturnformung Relaiswerkstoff beruhigter und halbberuhigter Stahl besonders beruhigter Stahl therrnornechanisch behandelter Stahl kaltzaher Stahl (fur tiefe Temperaturen geeignet) unberuhigter Stahl unbehandelter Stahl verguteter Stahl Werkzeugstahl warmfester Stahl wetterfester Stahl bei Stabstahl: zum Blankziehen geeignet bei kaltgewalzten Flacherzeugnissen rnit Anforderungen an die Mindeststreckgrenze: rnit besonderer Eignung zur Kaltumformung feuerverzink t

ASt 35 BSt 42/50 100 Cr C EStE 285

f

G k K K m N P q, Q R R RR TM

T, TT U U V W W WT Z Z

Z

Cf 54 Ck 45 G Ck 35 KSt 37-2 St 37 K, C 45 K Cm 45 St 37-3 N. C 45 N PSt 37-3 QSt 37-3, Cq 45 RFe 100 RSt 37-2 RRSt StE 415.7 T M TStE 460, TTSt 35 USt 37-2 St 37-2 U StE 460 V, Ck 45 V c 45 w WStE 355 WTSt 37-3 ZSt 60-2 ZStE 420

St 01 z

12

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

Kurznamen ohne f a t e Systematik Kurznamen von Bandern und Blechen aus weichen unlegierten Stahlen wurden bisher aus den Buchstaben St und Zahlen von 0 bis 30 gebildet, denen Buchstaben und Zahlen zur Kennzeichnung der Oberflache oder des Behandlungszustandes folgten. Bei Warmband, das fur unmittelbare Weiterverarbeitung vorgesehen ist, wird an St der Buchstabe W angehangt.

Stahl, Werkstoffnummer 1.0338

Kurznamen der unlegierten Stahle fur den Druckbehalterbau wurden aus dem Buchstaben H und den romischen Zahlen I bis IV fur die Festigkeit gebildet. Fur Ubertragerbleche bestanden die Kurznamen bisher nur aus den Guteklassen A bis F mit fortlaufender Nummer, z. B. A 3. Feinstblech und WeiDblech wurden bisher rnit T und einer Zahl fur den angestrebten Hartebereich bezeichnet z. B. T 52. Kennzeichnung nach der chemischen Zusammensetzung Die Kurznamen der Gruppe 2 werden in vier Untergruppen unterteilt, die sich hinsichtlich des Gehaltes an Legierungselementen unterscheiden. Es erfolgt eine Einteilung in: 0

unlegierte Stahle mit einem mittleren Mn-Gehalt < 1 % legierte Stahle mit einem mittleren Gehalt der einzelnen Legierungselemente unter 5 % bzw. unlegierte Stahle rnit einem mittleren Mn-Gehalt > 1 %. hochlegierte Stahle Schnellarbeitsstahle.

Alle vier Untergruppen enthalten chemische Elemente, die entweder absichtlich zugegeben werden (fur metallurgische Reaktionen oder zur Einstellung bestimmter Eigenschaften) oder, aus den Einsatzstoffen stammend, aus technischen oder wirtschaftlichen Grunden nur unvollstandig oder gar nicht aus der Schmelze entfernt werden konnen. Deshalb gibt es aul3er fur Kohlenstoff Grenzgehalte, bei deren Uberschreiten die Werkstoffe als legiert bezeichnet werden (EN 10020). Als Grenzwerte gelten z. B. fur: Aluminium Bor Chrom Kupfer

0,10% 0,0008Yo 0,30 Yo 0,40 Yo

Mangan Nickel Silicium Titan

1,65% 0 3 yo 030 % 0,05 %

Eisenwerkstoffe, die nur Kohlenstoff enthalten, gleich welcher Hohe, gelten immer als unlegiert.

2.1

Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen

13

Die Kurznamen nach DIN E N 10027-1 bestehen wie auch bei den Stahlen der Gruppe 1 aus Haupt- und Zusatzsymbolen, wobei fur die 4 Stahlgruppen unterschiedliche Regeln fur die Bildung gelten. Fur die Schreibweise der Kurznamen ist zu beachten, dalj die Kennbuchstaben und Kennzahlen ohne Leerzeichen fortlaufend aneinander gereiht, die Kennzahlen fur die Legierungsgehalte jedoch durch Bindestrich getrennt werden. Die Kurznamen nach DIN E N 10 027-1 entsprechen weitgehend den bisher gebrauchlichen Kurznamen, die bisherigen Zusatzsymbole enthalt Tabelle 2.3. 0

unlegierte Stahle

Die Hauptsymbole sind C - fur Kohlenstoff - und eine Zahl, die dem Hundertfachen des mittleren Kohlenstoffgehaltes entspricht. Zusatzsymbole geben Hinweise auf den Verwendungszweck oder den Schwefelgehalt (Gruppe 1, siehe Tabelle 2.4) sowie zusatzliche Elemente, z. B. Cu, und falls erforderlich eine einstellige Zahl, die den mit 10 multiplizierten Mittelwert des Gehaltes angibt (Gruppe 2). Beispiel:

unlegierter Stahl nach DIN EN 10 016-2

0,70% Kohlenstoff zum Drahtziehen

'"f

Tabelle 2.4 Zusatzsymbole der Gruppe 1 nach DIN V 17 006 Teil 100 Symbol

Bedeutung

E R D C S

vorgeschriebener max. S-Gehalt vorgeschriebener Bereich des S-Gehaltes zurn Drahtziehen besondere Kaltumformbarkeit fur Federn fur Werkzeuge fur SchweiDdraht andere Merkmale

U W G

0

legierte Stahle (Gehalte der einzelnen Elemente unter 5 %)

Die Kurznamen werden durch folgende Haupt- und Zusatzsymbole gebildet : eine Zahl, die dem Hundertfachen des mittleren Kohlenstoffgehaltes entspricht, gefolgt von den Symbolen fur die den Stahl charakterisierenden Legierungselemente und Zahlen, getrennt durch Bindestrich, die dem mittleren Gehalt der Elemente, multipliziert mit folgenden Faktoren, entsprechen. Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta,Ti, V, Z r Ca, N, P, S B

Faktor Faktor Faktor Faktor

4 10 100 1000

2

14

Beispiel: 0,5%

Kennzeichnung der Werkstoffe

legierter Stahl nach DIN EN 10083

c

50CrMo4

Chrom Molybdan 1% Cr

a

hochlegierte Stahle (auJ3erSchnellarbeitsstahle)

Die Hauptsymbole bestehen aus einem X und einer Zahl, die dem Hundertfachen des mittleren Kohlenstoffgehaltes entspricht, gefolgt von den Symbolen fur die den Stahl charakterisierenden Legierungselemente und Zahlen, getrennt durch Bindestrich, die den mittleren, auf ganze Zahlen gerundeten Gehalt der Elemente angeben.

hochlegierter Stahl 0,05%

a

c

Schnellarheitsstahle

Als Hauptsymbole werden HS (derzeitig noch S) gefolgt von Zahlen, die durch Bindestrich getrennt, den prozentualen Gehalt der Legierungselemente in der Reihenfolge Wolfram - Molybdan - Vanadium - Cobalt angeben, verwendet.

Schnellarbeitsstahl

8% Cobalt * 1.Z. noch keine D I N E N . derreitig gulrig: DIN 17350 mit der Stahlhcieichnung S 2-10-1-8

Fur Stahlerzeugnisse konnen, getrennt durch ein Pluszeichen, noch Symbole fur den Behandlungszustand oder fur besondere Anforderungen hinzugefugt werden.

2.1

Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen

15

Beispiel: +LC LC = Gegluht zur Erzielung kugeliger Carbide Die Bedeutung hier nicht genannter Zusatzsymbole ist der DIN V 17 006 Teil 100 bzw. dem DIN-Normenheft 3 [2.3] zu entnehmen.

2.1.I .2 Werkstoffnummern

Die Werkstoffbezeichnung nach einem Nummernsystem hat sich fur alle Werkstoffe, auch fur nichtmetallische, durchgesetzt (DIN 17 007). Das Nummernsystem besteht aus einer siebenstelligen Ziffernfolge:

xxxx xx Tx.I

Anhangezahlen

I Sortennummer

Werkstoffhauptgruppe Die Ziffern fur die Werkstoffhauptgruppen wurden nach folgendem Rahmenplan vergeben (Tab. 2.5): Tabelle 2.5 Rahrnenplan fur Werkstoffhauptgruppen nach D I N 17 007

Ziffer

Hauptgruppe

0 und 1

Eisen und Stahl 0 1

2+3

Roheisen und Ferrolegierungen Stahl Nichteisenmetalle

2 3

Schwerrnetalle auBer Eisen Leichtmetalle

4 bis 8

Nichtmetallische Werkstoffe

9

frei fur interne Benutzune

Werkstoffnutnmern fur Stahl Fur die Kennzeichnung mit Werkstoffnummern wurde fur Stahl die D I N E N 10027-2 eingefuhrt (Ersatz fur DIN 17007 Teil 2 sowie Angaben zum Werkstoff Stahl in DIN17007 Teil 1). Fur alle Stahle, die in europaischen Normen enthalten sind, wird eine Werkstoffnummer nach diesem System festgelegt. Die Werkstoffnummern gelten zusatzlich zu den bereits erlauterten Kurznamen nach DIN EN 10 027-1. Die Werkstoffnummern bestehen aus bis zu 7 Ziffern und sind nach folgendem Schema aufgebaut:

16

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

*

Zahlnummer in Klammern: fur zukunftigen Bedarf vorgesehen

L

Stahlgruppennummer Werkstoffhauptgruppennummer 1 = Stahl

Es entfallen die fruher in DIN 17007 fur Stahl enthaltenen Anhangezahlen fur das Stahlgewinnungsverfahren und den Behandlungszustand. In DIN EN 10027-2 wurde eine Einteilung der Stahle in Stahlgruppen entsprechend EN 10 020 und nach kennzeichnenden Merkmalen (z. B. Zugfestigkeit R,, C-Gehalt, Legierungselemente) vorgenommen. Die Stahlgruppennummern bedeuten dabei: Unlegierte Stahle 00 und 90 01-07 und 91-97 10-19

Grundstahle Qualitatsstahle Edelstahle

Legierte Stahle 08 und 09; 98 und 99 20-29 30-39 4049 50-89

Qualitatsstahle Werkzeugstahle verschiedene Stahle chemisch bestandige Stahle Bau-, Maschinenbau- und Behalterstahle

Beispiel: Stahl Stahlgruppennummer: Werkzeugstahle Zahlnurnmer fur X210Cr12 nach DIN 17 350

2.1.2 Bezeichnungssysteme fur GuOeisen Fur GuBeisen wurde nach prEN 1560 ein Europaisches Bezeichnungssystem fur Kurzzeichen und Werkstoffnummern eingefuhrt, das sich von dem bisherigen System wesentlich unterscheidet. Deshalb sol1 zunachst das neue System und anschlieBend das bisherige, das auch weiterhin fur GuBeisen nach noch bestehenden DIN-Normen gultig ist, betrachtet werden. 2.1.2.1 Kurzzeichen

Die Kurzzeichen fur die einzelnen GuBeisenwerkstoffe setzen sich nach prDINEN 1560 aus bis zu 6 Teilen zusarnmen, wobei einige (Mikro- oder Makrostruktur und zusatzliche Anforderungen) nur erforderlichenfalls angegeben werden. Obligatorisch sind die in der Tabelle 2.6 aufgefuhrten Zeichen in der gegebenen Reihenfolge.

2.1

17

Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen

Tabelle 2.6 Kennzeichnung von GuBeisenwerkstoffen durch Kurzzeichen nach prDIN E N 1560 Merkmal

Zeichen

Vorsilbe

EN-

Metallart

GuBeisen

GJ

Graphitstruktur

1ame11a r kugelig Ternperkohle vermikular graphitfrei (HartguR) ledeburitisch Sonderstruktur

L S M V H X

mechanische Eigenschaften*

Zugfestigkeit Mindestwert in N/mrn* Dehnung Mindestwert in YO Probenstiickherstellung: getrennt gegossen angegossen einem GuBstiick entnomrnen Brinellharte Kerbschlagwert Prufternperatur: Raumtemperatur Tiefternperatur

z. B. 350 z. B. -19

Symbol Kohlenstoffgehalt in % x 100 (wenn signifikant) Legierungselemen t Gehalt der Legierungselemente in YO

X z. B. 300 z. B. Cr Z.B. 9-5-2

chemische Zusarnrnensetzung*

*

S

A C z. B. H155

RT LT

angegeben werden entweder die mechanischen Eigenschaften oder die chemische Zusammensetzung

A Europaische Norm (Vorsilbe) GuBeisen Graphitstruktur: kugelig Mindestzugfestigkeit 350 N/mm2

Fur legiertes GuBeisen werden nach den Buchstaben EN-GJ das Zeichen fur die Graphitstruktur, das Symbol X fur die Kennzeichnung nach der chemischen Zusammensetzung, wenn erforderlich die Kennzahl fur Kohlenstoff, und anschliel3end die Legierungselemente mit den nachfolgenden durch Bindestrich getrennten Legierungsgehalten angegeben.

2

18

Beispiel:

Kennzeichnung der Werkstoffe

legiertes GuBeisen nach EN XXXX” rMo 15-

i

Vorsi I be GuBeisen graphitfrei, ledeburitisch (HartguB) Symbol: chemische Zusammensetzung

3% Kohlenstoff Chrom Molybdan 15% Cr

3% Mo

Bisher genornzte Kiirzzeichen Die Kurzzeichen bestehen aus Kennbuchstaben und einer Zahl fur die Mindestzugfestigkeit in kp/mm2 oder fur die Harte. Die einzelnen Kennbuchstaben bedeuten:

GG GGG GGL GS GTS GTW

GuBeisen rnit Lamellengraphit GuBeisen rnit Kugelgraphit Austenitisches GuBeisen rnit Lamellengraphit StahlguB nicht entkohlend gegliihter (schwarzer) TemperguB entkohlend gegluhter (weiBer) TemperguB

Fur hochlegierte GuBeisensorten werden die Hauptlegierungselemente und die Legierungsgehalte dem Kennbuchstaben nachgestellt. Beispiele: GuBeisen mit Lamellengraphit nach DIN 1691 GuBeisen mit Lamellengraphit Mindestzugfestigkeit 150 N/mm2 Austenitisches GuBeisen rnit Kugelgraphit nach DIN 1694 GGG-NiCr20 3 GuBeisen rnit Kugelgraphit 1 Nickel Chrom 20% Ni 3% Cr

2.1

Kennzeichnung von Eisenwerkstoffen

19

2.1.2.2 Werkstoffnummern

Die Werkstoffnummern nach prDIN EN 1560 setzen sich aus Buchstaben und Ziffern mit insgesamt 9 Stellen zusammen. Die Werkstoffnummer beginnt in der 1. Stelle mit der Vorsilbe EN- und in der 2. Stelle mit J fur GuBeisen. Es folgt der Kennbuchstabe fur die Graphitstruktur entsprechend Tabelle 2.6. Die erste Ziffer gibt das Hauptmerkmal (Tabelle 2.7), die beiden folgenden den jeweiligen Werkstoff (00 bis 99 in der entsprechenden Werkstoffnorm festgelegt) und die letzte Ziffer die fur den Werkstoff festgelegten Anforderungen (Tabelle 2.8) an. Tabelle 2.7 Hauotmerkmale fur GuReisen nach urDIN EN 1560 Hauptmerkmal

Zahl

Reserve Zugfestigkeit Harte chemische Zusammensetzung Reserve nicht genormter Werkstoff

0 1 2 3 4 bis 8

9

Tabelle 2.8 Festgelegte Anforderungen an GuBeisenwerkstoffe Anforderungen

Zahl

keine besonderen Anforderungen getrennt gegossenes Probestuck angegossenes Probestuck einem GuBstuck entnommenes Probestuck Schlagzahigkeit bei Raumtemperatur Schlagzahigkeit bei Tieftemperatur festgelegte SchweiBbarkeit GuBstuck im GuBzustand warmebehandeltes GuBstuck zusatzlich in der Bestellung festgelegte Anforderungen oder Kombination von in der Werkstoffnorm festgelegten einzelnen Anforderungen

0 1 2 3

Beispiel: Vorsilbe GuBeisen Graphitstruktur: kugelig Hauptmerkmal: Zugfestigkeit jeweiliger Werkstoff festgelegte Anforderungen an den jeweiligen Werkstoff: keine besonderen Anforderungen

4

5 6 I 8 9

2

20

Kennzeichnung der Werkstoffe

Bisher genormte Werkstoffnummern Die bisherigen Werkstoffnummern fur GuBeisen nach DIN 17 007-3 haben die Hauptgruppennummer 0. Sie sind ahnlich aufgebaut wie die Werkstoffnummern fur Stahl. In den Sortennummern bedeuten die ersten beiden Stellen die Sortenklassen (60-99 fur GuBeisen), die beiden folgenden Stellen sind reine Zahlnummern. Beispiel: Hauptgruppe (Roheisen, Vorlegierungen, GuBeisen)

2

Sortenklasse fur GuBeisen mit Lamellengraphit, unlegiert Zahlnummer, festgelegt fur GG-15 nach DIN 1691

2.2 Kennzeichnung von Nichteisenwerkstoffen Die Kennzeichnung der Nichteisen-(NE-)Werkstoffe war lange Zeit uneinheitlich. Neben Kurzbezeichnungen, die denen der Stahle ahnlich waren, bildeten historisch uberlieferte Legierungsnamen, wie Messing, Bronze, Neusilber, RotguR oder WeiBmetall und sogar Handelsnamen, wie Hydronalium, die Grundlage der Benennung. Die nunmehr eingefuhrten weitgehend einheitlichen Bezeichnungen der NEWerkstoffe bestehen, wie bei den Stahlen, aus Angaben zur Lieferform, zu den Abmessungen und zum Werkstoff. Im folgenden sol1 nur auf die letztgenannten eingegangen werden.

2.2.1 Kurzzeichen Das Kurzzeichen fur ein NE-Metal1 nach DIN 1700 setzt sich aus Kennzeichen, die Hinweise auf die Herstellung, Verwendung, Zusammensetzung und besondere Eigenschaften geben, in folgender Reihenfolge zusammen: 0

0

0

Kennbuchstaben fur die Herstellung und Verwendung: GuB (allgemein) G DruckguB GD KokillenguB GK SchleuderguB (,,ZentrifugalguB") G Z Vor- und Verschnittlegierung V Gleitmetall (Lagermetall) GI Lot L Kennzeichen fur die Zusammensetzung Chemische Symbole des Grundstoffs (Hauptbestandteil) und der Legierungszusatze sowie Kennzahl der Gehalte Kurzzeichen fur besondere Eigenschaften

2.2

21

Kennzeichnung von Nichteisenwerkstoffen

Unlegierte Metalle Die reinen Metalle werden durch das chemische Symbol und den Gehalt (geforderter mindester Reinheitsgrad) bezeichnet. Nach dem Reinheitsgrad kann eine Unterteilung in Hutten- (Kennbuchstabe H), Rein- (kein Kennbuchstabe) und Reinstmetall (R) erfolgen. Diese Kennbuchstaben werden vorangestellt (Ni, Mg) oder nachgestellt (bisherige Bezeichnung fur Al-Werkstoffe). Beispiel: H-Ni99,6 Bei Kupfer werden dem chemischen Symbol, getrennt durch einen Bindestrich, Buchstaben ( A bis F) fur den Reinheitsgrad vorangestellt (F reiner als A). Weitere Buchstaben bezeichnen z. B. Elektrolytkupfer (E) und Katodenkupfer (KE). Sauerstofffreies Kupfer wird durch Voranstellen von:

0 = S = SW = SF =

desoxidationsmittelfrei mit Phosphor desoxidiert niederer Restphosphorgehalt hoher Restphosphorgehalt

gekennzeichnet. Fur unlegiertes Titan werden Kurzzeichen verwendet, die nicht den Reinheitsgrad, sondern wertneutrale Zahlnummern enthalten, z. B. Til, Ti2.

N E - Metallegierungen

Die Kurzzeichen der NE-Metallegierungen enthalten die chemischen Symbole des Basismetalls und der charakteristischen Elemente, nach der GroBe der Legierungsgehalte geordnet, und die Gehalte dieser Elemente in ganzen Prozenten. Letztere stehen hinter dem jeweiligen Symbol. Nur wenn es zur Unterscheidung ahnlich zusammengesetzter Legierungen erforderlich ist, werden Dezimalbruche eingesetzt. Multiplikationsfaktoren wie bei Stahl werden nicht angewendet. Die Gehalte fur Legierungszusatze werden weggelassen, wenn die Angabe der chemischen Symbole die Legierung genugend kennzeichnet. Zur Unterscheidung von anderen Werkstoffen konnen zusatzlich weitere Legierungselemente aufgefuhrt sein. An die Kennzeichnung fur die Zusammensetzung konnen noch Kurzzeichen fur die Angabe des Behandlungszustandes oder der Mindestwert der Zugfestigkeit in kp/mm2 mit dem vorangestellten Buchstaben F angefugt werden. Beispiel:

Kupfer-Zink-Legierung nach DIN 17 660

34 Kupfer Zink

38% Zn Blei 1,5% Pb Mindestzugfestigkeit 334 N/mm2

22

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

2.2.2 Werkstoffnummern Die Werkstoffnummern fur NE-Metalle sind entsprechend dem Rahmenplan nach DIN 17007 Teil 1 aufgebaut (s. Abschn. 2.1.1.2). Sie sind siebenstellig, wobei die erste Zahl. die Hauptgruppen-Nummer ist. Eine 2 steht fur Schwermetalk (aul3er Eisen) und eine 3 fur Leichtmetalle. Die Sortennummer (2. his 5. Stelle) kennzeichnet die Grundmetalle (Tabelle 2.9). Die Anhangezahlen (6. und 7. Stelle) sind einheitlich fur alle NE-Metalle und geben den Werkstoffzustand an (s. Tab. 3 in DIN 170074). Beispiel: Leichtmetall Aluminiumlegierung G-AlSi12 nach DIN 1725-2 SandguB, GuBzustand Tabellc 2.9 Einteilung der Hauptgruppen 2 und 3 nach DIN 17007-4

Werkstoffnummernberciche

NE-Grundmetalle

2.0000 his 2.1799 2.1XOO his 2.1999 2.2000 bis 2.2499 2.2500 his 2.2990 2.3000 his 2.3409 2.3500 bis 2.3999 2.4000 his 2.4W) 2.5000 bis 2.5999 2.6000 bis 2.6999 2.7000 bis 2.9999 3,0000 his 3.4999 3,5000 bis 3.5999 3.6000 bis 3.6999 3.7000 bis 3.7999 3.8000 bis 3.9999

CU Rcscrvc Zn, Cd Rewrve

Pb Sn

Ni, Co Edelme t al le Hochschmelzende Metalle Reserve Al

Mg Reserve Ti Reserve

2.2.3 Kennzeichnung von Aluminium und AluminiumKnetlegierungen Fur Aluminium und Aluminium-Knetlegierungen ist ein neues Bezeichnungssystem mil chemischen Symbolen, d. h. Kurznamen nach der chemischen Zusammensetzung, sowie ein numerisches Bezeichnungssystem eingefiihrt worden (DIN EN 573). Das numerische Bezeichnungssystem unterscheidet sich erheblich von den bisher genormten Bezeichnungen. Nurnerisches Brzeichnungssystem

Das numerische Bezeichnungssystem mil vier Ziffern fur Aluminium und Aluminium-Knetlegierungen entspricht den von der Aluminium Association (AA)

2.2

Kennzeichnung von Nichteisenwerkstoffen

23

ausgesprochenen Empfehlung fur ein internationales Bezeichnungssystem. Grundsatzlich wird allen Werkstoffbezeichnungen vorangestellt : E N AW- wobei EN fur Europaische Norm, A fur Aluminium und W fur Halbzeug und das entsprechende Vormaterial steht. Nach E N folgt ein Leerzeichen, der Buchstabe W wird durch einen Bindestrich von der folgenden Bezeichnung getrennt. Die erste Ziffer kennzeichnet die Legierungsgruppe. Es bedeuten: lXXX (Serie 1000) Aluminium, mindestens 99 % und groDer Hauptlegierungselement : Kupfer 2XXX (Serie 2000) 3XXX (Serie 3000) Mangan Silicium 4XXX (Serie 4000) Magnesium 5XXX (Serie 5000) 6XXX (Serie 6000) Magnesium und Silicium Zink 7XXX (Serie 7000) sonstige Elemente 8XXX (Serie 8000) nicht verwendete Gruppe 9XXX (Serie 9000) Bei der Serie lXXX kennzeichnen die beiden letzten Ziffern den Mindestanteil an Aluminium in Prozent. Wird dieser bis auf 0,01 YOangegeben, entsprechen die beiden letzten Ziffern den Dezimalen nach dem Komma. Mit der zweiten Ziffer werden die Verunreinigungsgrenzen ausgedruckt. Null bedeutet unlegiertes Aluminium mit naturlichen Verunreinigungsgrenzen, die Ziffern 1 bis 9 eine oder mehrere besondere Verunreinigungen oder Legierungselemente. In den Serien 2XXX bis 8XXX dienen die beiden letzten Ziffern der Bezeichnung verschiedener Aluminiumlegierungen in der Serie; die Ziffern haben keine bestimmte Bedeutung. Steht als zweite Ziffer eine Null, so handelt es sich um die Originallegierung. Legierungsabwandlungen werden fortlaufend die Ziffern 1 bis 9 zugeordnet. Zusatzlich zur Ziffernbezeichnung kann durch einen angehangten Buchstaben eine nationale Legierungsvariante gekennzeichnet werden. Beispiel:

Aluminium-Knetlegierung nach DIN E N 573-3

Aluminium-Knetlegierung Hauptlegierungselement Cu Originallegierung Legierung mit 3,8 1,2 bis 1,8% Mg (EN AW-A1 Cu4Mgl) Luftfahrtwerkstoffe werden international ebenfalls nach dem numerischen System unter Voranstellung der Buchstaben A A bezeichnet.

Bezeichnung nach der chemischen Zusammensetzung Ublicherweise werden alle Bezeichnungen nach diesem Bezeichnungssystem in eckige Klammern gesetzt und nach der numerischen Bezeichnung angegeben. In Ausnahmefallen ist es auch moglich, nur die Bezeichnung nach der chemischen Zusammensetzung vorzunehmen, es ist die Abkurzung E N AW- voranzustellen.

24

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

Unlegierte Aluminium-Knetwerkstoffe werden durch das chemische Symbol A1 und darauf folgend den Reinheitsgrad gekennzeichnet, wobei A1 und der Reinheitsgrad durch ein Leerzeichen getrennt werden. Beispiel: E N AW-l199[Al99,99] E N AW-A199,99

Aluminiumgehalt mindestens 99,99 %

Aluminium-Knetlegierungen werden durch das Symbol A1 gefolgt von dem Symbol fur das Hauptlegierungselement oder der Hauptlegierungselemente gekennzeichnet. Nach dem Symbol wird der jeweilige Mittelwert des Massegehaltes in Prozent angegeben. Bei mehreren Legierungselementen erfolgt die Anordnung in fallender Reihenfolge des Nenngehaltes. Beispiel:

EN AW-6013[AI MglSi0,8CuMn] bzw. Aluminium-Knetlegierung

n

Aluminium( legierung) Magnesium mit 0,8 bis 1,2% Silicium mit 0,6 bis 1,5% Kupfer Mangan Zur Unterscheidung zweier Legierungen mit ahnlicher Zusammensetzung wird durch den Mittelwert des Nenngehaltes unterschieden (auf ganze Zahl oder, wenn notwendig, auf das nachste 5/10 bzw. bei Masseanteilen unter 1 % auf das nachste 1/10 gerundet). Reicht dies zur Unterscheidung nicht aus, so erfolgt die Angabe des Mittelwertes des zweithochsten Legierungelementes in gleicher Weise. Daruber hinaus kann in Klammern noch ein Zusatzbuchstabe angefugt werden. Nach dem Symbol A1 folgt zur Trennung immer ein Leerzeichen. Da die Umstellung von Werkstoffbezeichnungen i. a. in der Praxis einen groljeren Zeitraum beansprucht, werden in den folgenden Kapiteln dieses Buches im Text sowohl die bisher genormten Kurznamen als auch zusatzlich in Klammern die neuen numerischen Bezeichnungen angegeben.

2.3 Kennzeichnung der Polymeren Relativ uberschaubar, international meist einheitlich in der Anwendung und fur alle wichtigen technisch genutzten Polymeren genormt ist die Kennzeichnung nach der chemischen Bezeichnung durch Kurzzeichen [2.10 his 2.141. Sie setzen sich fur Homopolymere (Verknupfung von nur einer Sorte von Monomeren zum Makromolekul) aus zwei bis funf groljen Buchstaben zusammen, die aus den Anfangsbuchstaben der Wortteile des Werkstoffnamens (in englischer Schreibweise) ausgewahlt sind, z. B. Polyethylen (Polyethylene) PE oder Polycarbonat (Polycarbonate) PC. Das hat allerdings zur Folge, dalj oft gleiche Buchstaben fur unterschiedliche Wortteile verwendet werden mussen. So wird A fur die Kenn-

2.3

Kennzeichnung der Polymeren

25

zeichnung von Acrylnitril, Acrylat, Amid und Acetat benutzt oder P gleichzeitig fur Poly-, Propylen, Propionat, Phenylen, Penten und Phthalat. Bei Copolymeren werden die Kurzzeichen unter Wegfall des Anfangs-P (fur Poly-) aus denen der Monomeren in der Reihenfolge abnehmender Masseanteile, getrennt durch Schragstriche, gebildet, z. B. E/P (Ethylen-PropylenCopolymere), S/B (Styren-Butadien-Copolymere), VC/E/MA (VinylchloridEthylen-Methacrylat-Copolymere).Fur bereits gut eingefuhrte Kurzzeichen entfallen die Schragstriche: ABS (Acrylnitril-Butadien-Styren-Copolymere), EVA (Ethylen-Vinylace tat-Copolymere). Bei Polymermischungen (Blends) werden die Kurzzeichen der einzelnen Polymere mit Pluszeichen verbunden und der Gesamtausdruck in Klammern gesetzt, z. B. (PMMA + ABS). Die Kurzzeichen geben in fast allen Fallen lediglich die Werkstoffart an. Oft lassen sie noch Ruckschlusse auf die Grundbausteine der Makromolekule zu, enthalten aber keine weiteren Informationen, insbesondere daruber, in welcher Form der Werkstoff vorliegt, welche Zusatze und Eigenschaften er aufweist und fur welche Einsatzgebiete er in Frage kommt. Dazu bedarf es zusatzlicher Angaben. Die Kurzzeichen werden gleichermaljen verwendet fur die Kennzeichnung des formlosen, noch nicht zum Erzeugnis verarbeiteten Stoffes, der sogenannten Formmasse (Pulver, Granulat, Paste), wie auch fur den Formstoff (Halbzeug, Formteil). Beachtet werden mu13 auaerdem, dalj einige Werkstoffbezeichnungen Sammelnamen fur eine ganze Gruppe unterschiedlicher Werkstoffe darstellen, z. B. Epoxidharz, Polyester oder Polyurethan, so dalj zur genauen Bezeichnung noch hinzugefugt werden muljte, aus welchen Monomeren die Makromolekule aufgebaut wurden. Aus den genannten Grunden ist eine weitergehende Kennzeichnung von Polymenverkstoffen erforderlich. Sie wird fur Duromere und Elastomere unterschiedlich gehandhabt und meist noch nach eigenem Ermessen durch den Hersteller mit Hilfe zusatzlicher Buchstaben und/oder Zahlen vorgenommen. Die Normung der gesamten zusatzlichen Kennzeichnung und eine internationale Abstimmung dazu sind im Gange. Einen ersten weiteren Schritt macht DIN 7728: In Verbindung mit dem Kurzzeichen des Polymeren konnen bis zu vier wesentliche Eigenschaften durch zusatzliche Kennbuchstaben hinter dem Kurzzeichen des Polymers, getrennt durch einen Bindestrich (sog. Mittestrich), angegeben werden.

Basispolymer

D

Dichte

k

26

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

2.3.1 Kennzeichnung von Duromeren Fur diese Werkstoffgruppe hat sich ein Kennzeichnungssystem in Form der Tvpisierirng herausgebildet. Grundlage dafur sind Zusammensetzung und typische Eigenschaften, die den betreffenden Duromer-Typ ausreichend charakterisiercn und in Typentabellen fur Duromere mit den unterschiedlichsten Bindemitteln sowie Full- und Verstarkungsstoffen genormt sind. Als Standardtypen gelten nur solche, die die in den Tabellen angegebenen Mindestanforderungen erfullen. Sie unterscheiden sich in der Hauptsache durch Art und Anteil des hochmolekularen Bindemittels, durch Art und Struktur der Fullstoffe sowie in ausgewahlten mechanischen. thermischen und elektrischen Eigenschaften. Das bereits vor 1945 entwickelte Kennzeichnungssystem nach Typen basiert auf Richtwerten (meist als Mindestforderungen), z. B. gilt DIN 7708 fur PF-, UFund MF-Formmassen oder DIN 16911 fur UP-Formmassen. Fur Hartpapier (Hp) und Hartgewebe (Hgw) wurde mit DIN7735 ein anderes Kennzeichnungssystem geschaffen: Beispiel:

2083.5

DIN 7735

Kurzzeichen der Art des SchichtpreBstoffes Kennziffer fur SchichtpreRstoffc (2) Harzbasis Harztrager Harzgehalt Gewebeart

4. Ziffer

Lieferform Eigenschaften

5. Ziffer

Normnummer Danach ist Hgw 2083.5 ein Hartgewebe (Hgw), das als SchichtpreBstoff (2) auf Phenol-Kresolharz-Basis (0) mit Gewebe aus feinstfadigen Naturfasern (8) als Halbzeug in Form von Tafeln (3) gehandelt wird und elektrisch hochwertig ( 5 ) ist. Fruher ubliche Bezeichnungen wie G U P (glasfaserverstarkter ungesattigter Polyester) bzw. GFK (glasfaserverstarkter Kunststoff) sind zu vermeiden. Bci Glasfaserverstarkung oder -fullung wird dem Werkstoffkurzzeichen G F vorangestellt. Durch eine Zahl als Index laBt sich der Glasfaseranteil in % ausdrucken. GF5,,-EPist demnach ein mit 50% Glasfaseranteil verstarktes Epoxidharz. Spezielle Kennzeichnungen anderer Duromere sind den gultigen Normcn oder aus Herstellerunterlagen zu entnehmen (s. a. Abschn. 3.4.3). Das Bezeichnungssystem nach Typen ist fur die unterscheidende Qualitatssicherung geeignet, nicht aber fur die rechnerische Auswertung bei der Formteilkonstruktion. Deshalb wurde mit der Neuausgabe von DIN 7708 (1992/1993) eine Angleichung der Probekorper-MaBe fur duroplastische Formmassen an die der thermoplastischen Formmassen vorgenommen, so daB nun hinsichtlich der

2.3

Kennzeichnung der Polymeren

27

mechanischen und thermischen Eigenschaften fur Thermoplaste und Duroplaste normgerechte Vergleichswerte existieren.

2.3.2 Kennzeichnungvon Thermoplasten Im Gegensatz zu den Duromeren, wo die Eigenschaften in starkem MaBe vom Full- bzw. Verstarkungsstoff abhangen, haben bei den Thermoplasten der chemische Aufbau, die Lange und Gestalt des Makromolekuls sowie Art und Grad der Zusammenlagerung den dominierenden EinfluB auf die fertigungs- und anwendungstechnischen Eigenschaften. Eine ausreichend treffende Kennzeichnung der Thermoplaste mu13 diesem Sachverhalt Rechnung tragen. Zu Beginn ihrer technischen Nutzung in den 30er Jahren wurden Thermoplaste im Prinzip nur nach dem chemischen Aufbau gekennzeichnet (z.B. PVC, oft sogar nur mit dem synonymen Handelsnamen, s. a. Abschnitt 2.4.4). Mit der Ausweitung der Arten und Sorten wurde aber eine Spezifizierung der Kennzeichnung notwendig. Zunachst schuf sich jeder Hersteller sein eigenes Klassifizierungssystem. Spater, vornehmlich in Deutschland, ging man, wie bei den Duromeren, zur Typisierung thermoplastischer Formmassen uber (z. B. Polycarbonat PC Typ 300, Celluloseacetat C A Typ 431ff, Polymethylmethacrylat PMMA Typ 525ff). Jetzt werden immer mehr werkstoffartig-spezifische Klassifizierungssysteme genormt, die in Form von Buchstaben-Zahlen-Kombinationen Polymertyp, chemischen Aufbau, verfahrenstechnische Besonderheiten, Hauptverwendungszweck, typische Eigenschaften (z. B. Dichte, Vicat-Erweichungstemperatur, Schmelzindex, Elastizitatsmodul oder Schlagbiegefestigkeit) sowie Angaben zu speziellen Zusatzen (wie Gleitmittel, Stabilisatoren, Antistatika, Fullstoffart und -anteil oder Farbstoffe) und gegebenenfalls noch eine Qualitatskennzeichnung und Rezeptnummern enthalten. Die Polyethylen-Typen (PE) werden hauptsachlich nach der Dichte unterschieden, da diese die Eigenschaften stark beeinflufit. Deshalb baut die Klassifizierung auf Dichtebereichen auf. Nach DIN 16776 erfolgt eine Einteilung in 11 Stufen von 50,918 bis 0,968 g cm-3 (PE-LD 50,920 g cm-3, PE-HD 2 0,954 g cm-3). Bei den Polystyren- Typen (PS) werden nach Herstellungsverfahren Homopolymerisate in Massepolymerisate und Suspensionspolymerisate, schlagfeste Polystyrene (Copolymere bzw. Blends) in Polymermischungen, Massepfropfpolymerisate und Suspensionspfropfpolymerisate unterteilt. Wie bei PS wird auch beim Polyvinylchlorid (PVC) nach dem Herstellungsverfahren gekennzeichnet. Dafur werden durch Voranstellen folgende Buchstaben verwendet: Emulsions-PVC (E-PVC), Masse-PVC (M-PVC) und SuspensionsPVC (S-PVC). Da PVC durch Zumischen von Weichmachern im Eigenschaftsbild stark veranderbar ist, wird aurjerdem in weichmacherfreies Hart-PVC (PVC-U) und in Weich-PVC (PVC-P) unterschieden. Polyamide (PA) sind Polykondensationsprodukte aus Diaminen und Dicarbonsauren oder aus Aminocarbonsauren bzw. deren Lactamen. Eine dem Kurzzeichen PA nachgestellte Zahl kennzeichnet international einheitlich die Anzahl der C-Atome im Monomer. Aus der Vielzahl der synthetisierbaren Polyamide haben vor allem folgende groBe technische Bedeutung erlangt: PA 6 Polymer aus &-Caprolactam(6 C-Atome) PA 66 Polymer aus Hexamethylendiamin (6 C-Atome) und Adipinsaure (6 CAtome)

28

2

Kennzeichnung d e r Werkstoffe

PA 610 Polymer aus Hexamethylendiamin (6 C-Atome) und Sebacinsaure (10 C-Atome) PA 11 Polymer aus 11-Aminoundecansaure (1 1 C-Atome) PA 12 Polymer aus o-Dodecanolactam (12 C-Atome) Durch I S 0 wurde ein internationales Klassifikationssystem eingefuhrt, das fur DIN-Normung schrittweise ubernommen wird. Es handelt sich um ein computergerecht ausgearbeitetes Blocksystem, das nur GroBbuchstaben, Ziffern. Kommata und Mittestriche verwendet. Ein Polymerwerkstoff wird durch einen Satz von qualitativen und quantitativen Datenblocken charakterisiert. Diese Klassifikation besteht aus einem Benennungsblock, einem Norm-Nummern-Block und bis zu funf weiteren Datenblocken, z. B. Formmasse DIN 16773 - PA 66, MFH, 14-100, GF3S. Die Datenbliicke folgen nach einem Mittestrich dem Norm-Nummern-Block und sind untereinander durch Kommata getrennt. Der erste Datenblock gibt die Zusammensetzung der Formmasse, im Beispiel PA66, an. Der zweite Datenblock gibt in bis zu vier Buchstaben qualitative Informationen, dabei der erste Buchstabe die vorgesehene Verwendung (M = fur das SpritzgieBen) und der zweite his vierte Buchstabe Hinweise auf Zusatze ( F = Brandschutzmittel, H = Warmealterungsstabilisator) oder wesentliche Eigenschaften. Der dritte Datenblock enthalt quantitative Informationen uber Leitkennwerte (maximal 3), z. B. Codierungen fur die Viskositatszahl und den E-Modul. Der vierte Datenblock gibt Full- und Verstarkungsstoffe an; dabei der erste Buchstabe den Fullstofftyp (z.B. G = Glas, F = Fasern, C = Kohlenstoff, X = nicht spezifiziert) und der zweite Buchstabe den Fullstoffgehalt in Masseprozent (codiert). Der funfte Datenblock ermoglicht spezielle Vereinbarungen zwischen Lieferer und Kunden (z. B. spezielle Forderungen) und ist nicht Gegenstand der Normung. Im folgenden wird die vollstandige Erlauterung des 0.g. Bezeichnungsbeispiels gegeben: Formmasse

DIN 16773 - PA66, MFH, 14-100, G F 35

Benennung Norm fur PA-Formmassen Daten-Block 1

Kurzzeichen fur Polyamid 66

Daten-Block 2

SpritzguR Brandschutzmittel Warmealterungsstabilisator

Daten-Block 3

Code fur Viskositatszahl Code fur Elastizitatsmodul

Daten-Block 4

Glas Faser Code fur Masseanteil von 32.5 . . . 3 7 3 %

2.3

Kennzeichnung der Polymeren

29

Tabellen fur die Codierung in den Datenblocken 3 und 4 sind der jeweiligen Norm (im Beispiel DIN 16771) zu entnehmen. Thermoplastische Formmassen aus Polymergemischen werden in analoger Weise bezeichnet. Das Beispiel betrifft ein Gemisch aus Polypropylen (PP) und einem Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer (EPDM):

l1

Formmasse DIN 16780 (PP+EPDM), M C L, RC06 - N20 - 00 02

Benennung

2

Norm Daten-Block 1

Kurzzeichen nach DIN 7728

Daten-Block 2

Spritzgulj

Farbmittel Licht und/oder Witterungsstabilisator Daten-Block 3

-

Code fur Volumen-Flieljindex Code fur Izod-Schlagzahigkeit Code fur E-Modul Code fur Warmeformbestandigkeit

2.3.3 Kennzeichnung von Elastomeren Elustomere stellen, wie die Thermoplaste, von ihrem chemischen Bau her eine sehr heterogene Gruppe polymerer Werkstoffe dar. Ihre spezifischen kautschukelastischen Eigenschaften werden auljerordentlich von Aufbau und Lange der Makromolekule, von Art und Grad ihrer weitmaschigen Vernetzung sowie von einer Reihe von Zusatzstoffen beeinfluljt. Elastomere werden meist nach DIN I S 0 1629 gekennzeichnet. Die Kurzzeichen bestehen aus 2 bis 5 Buchstaben, wovon der letzte Buchstabe die chemische Zusammensetzung der Polymerkette charakterisiert; so steht R fur Kautschuke mit einer ungesattigten Kohlenstoffkette, M fur Kautschuke mit einer gesattigten Kette vom Polymethylentyp, Q fur Kautschuke mit Siloxangruppen in der Polymerkette und T fur Kautschuke mit Schwefel in der Polymerkette. Die vorangestellten Buchstaben bezeichnen die Monomere, auf denen der Kautschuk basiert. Beispiele dafur sind: Butadien-Kautschuk BR, Etylen-Propylen-DienKautschuk EPDM. Die dominierende Stellung unter den Elastomeren haben noch immer die Synthese-Kautschuke (in der Mehrzahl Copolymere aus Butadien und Styren, Kurzzeichen SBR) inne (Synthese-Kautschuk wird nach den Ausgangsprodukten Butadien und Natrium im deutschen Sprachgebrauch auch als ,,Buna" bezeichnet). Sie unterscheiden sich im Emulsionsverfahren und im Styrengehalt und damit auch in den Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften. Styren-Butadien-Formmassen werden nach ihrem chemischen Aufbau, ihrer Anwendung und besonderen Eigenschaften wie im folgenden Beispiel bezeichnet:

30

2

Kennzeichnung der Werkstoffe

Formmasse DIN 16771

-=.

MLN, 088-03-07

Benennung Norm fur SB-Formmassen Daten-Block 1

Kurzzeichen fur SB-Formmassen

Daten-Block 2

Spritzgun Lichtstabilisator Naturfarben

Datcn-Block 3

Code fur Vicat-Erweichungstemperatur Code fur Schmelzindex Code fur Izod-Kerbschlagzahigkeit

Die Tabellen fur die Codierung im Daten-Block 3 sind der jeweiligen Norm (im Beispiel DIN 16771) zu entnehmen. 2.3.4 Kennzeichnung durch Handelsnamen Handclsnamen benutzen die Hersteller in aller Welt zur Kennzeichnung ihrcr polymeren Rohstoffe, Formmassen, Halbzeuge und Spezialerzeugnisse (z. B. Losungen, Dispersionen, Pasten, Lacke oder Kleber). Meist sind diese Namen als Warenzeichen im eigenen Lande und auch in anderen Landern geschutzt. Sie werden zur allgemeinen Verstandigung im Handel und zur Werbung verwendet. An die Namen werden in der Regel Zusatzkennzeichen zur weiteren Charakterisierung angefugt. Als Beispiele fur Handelsnamen seien genannt: 0

0

0

Hostalen ist die Polyethylen-Formmasse und Hostalen P P die PolypropylenFormmasse der Hoechst A G Frankfurt/M. Lupolen ist der allgemeine Werkstoffname fur Polyethylen und Luran der fur Styren-Acrylnitril-Copolymere (SAN) der BASF A G LudwigshafdRh. Moplen ist die Polypropylen-Formmasse von Monte11 Polyolefins Zavcntem/ Belgien.

Oft werden Silben aus Firmennamen oder -ort und dem Namen des zu kennzeichnenden Werkstoffes zusammengefiigt. Beziiglich einer umfassenden Ubersicht von Handelsnamen wird auf die Fachliteratur verwiesen ( 2 . B. [2.10)).

2.4 Bezeichnung silicattechnischer Werkstoffe Eine systematische und weitgehend vereinheitlichte Kennzeichnung, wie sie fur Polymerwerkstoffe und insbesondere bei metallischen Werkstoffen besteht, existiert fur die silicattechnischen Werkstoffe nicht. Ihre Bezeichnung ist nicht einheitlich und erfolgt nach unterschiedlichen Gesichtspunkten der Hersteller.

2.4

Bezeichnung silicattechnischer Werkstoffe

31

Genormt sind lediglich Klassifizierungen und Begriffe einer Reihe wichtiger Materialgruppen. Fur geformte feuerfeste Werkstoffe, deren Gesamtporositat weniger als 4.5 % betragt, sind diese in der Norm I S 0 1109 festgehalten (Tab. 2.10).

Tabelle 2.10 Klassifizierung von geformten feuerfesten Werkstoffen mit einer Gesamtporositat < 4 5 % nach I S 0 1109 Bezcichnung tonerdereiche Erzeugnisse Gruppe 1 Gruppe 2 Schamotteerzeugnissc - Untergruppe 30 - bis Untergruppe 42 saure Schamotteerzeugnisse Tondinaserzeugnisse Silicaerzeugnisse basische Erzeugnisse - Magnesit - Magnesit-Chrom - Chrom-Magnesit - Chromit - Forstcrit Dolomit

Grenzwert d e r Hauptbestandteile in M-% A1203 2 56 45 2 AL03 < 56 30 I A120, < 45 30 2 A1203< 23 42 2 A1203< 45 I0 2 A1?03< 30; SiOz< 8.5 85 2 SiOz < 93 SiO, 2 93

MgO 2 80

5.5 5 MgO 0, fur Elastomere dagegen rnit T R < 0 angegeben. Im Gebrauchstemperaturbereich T < T, ist fur Thermo- und Duroplaste energieelastisches, fur Elastomere mit T > T, entropieelastisches Verhalten kennzeichnend. Der Ubergang in den energieelastischen Zustand ist rnit ansteigender Festigkeit und Harte bei sinkender Zahigkeit verbunden. Bei thermoplastischen Polymeren wird unterhalb 0 ° C haufig ein mehr oder weniger deutlich ausgepragter

5

200

Werkstoffe fur tiefe T e m p e r a t u r e n

Verhalfen

10'0' .aP 4

IOQ' 1

ubergangsbereich

bereich

elasfisches uberVerhalfen gangsbereich 10'0

__

------*-*---

A 109

,I

~

Pa

\

Gebrauchsfemperafurbereich

Hienbereich

VerhaMen

(3

B 4-

I

I Gebrauchsfemperafur1 bereich

108-

-...

$107-

F

Kalferichtwert TR

105 61s lo8 Pa

I I

Q

2 10

t

I

6-

I I

' Kalferichfwert 10

TR

I

10 Temperafur

Ternperatur

a) b) Bild 5.9 Schematische Darstellung der Temperaturabhangigkeit des Schubmoduls v o n amorphen Thermoplastcn ( a ) und thermoplastischen Elastomeren ( b ) (nach DIN 7724)

Steilabfall der Zahigkeit (Kurve 2 in Bild 5.1) beobachtet. Mit den schlagzah modifizierten Polymerlegierungen, z. B. den PC-ABS- oder PC-PET-Blends, konnte dieser Ubergang vom zahen zum sproden Bruchverhalten zu wesentlich tieferen Temperaturen verschoben werden. Das teilkristalline PTFE zeigt noch bei -200 " C einen ausgepragten Zahbruch. Einige Richtwerte fur den Tieftemperatureinsatz thermoplastischer Polymere enthalt Tabelle 5.5. Tabelle 5.S Anwendung thermoplastischer Polymere bei tiefcn Temperaturcn (nnch [ 5 . 7 ] ) Polymer

Kurzzeichen

Dichte g cm-3

minimale Einsatztcmperatur "C (Langzcit)

Polyethylen-LD Polyethylen-HD Polyamid 1 I Pol yvin y lcarbazol Pol yearbonat Polysulfon Pol yimid Polytetrafluorethylen

PE-LD PE-HD PA1 1 PVK

0.9 14/0,928 0,940/0,960 1.04 1.19 1.20 1.24 1.43

-so

PC

PSU PI PTFE

2.15l2.20

-50 -70 - 100 - 100 - 100

-200 -200

Die wesentlich sproderen Duromere sind fur eine Anwendung unterhalb 0 ° C nicht geeignet. Fur die meisten Elastomere liegt die untere Grenztemperatur bei -55 bis -60°C. Mit abnehmender Temperatur nimmt die Steifigkeit zu, und es erfolgt der in diesem Fall nicht erwunschte Ubergang vom entropie- zum energieelastischen Zustand. Durch Verwendung von speziellen Weichmacher-Typen kann das Verharten oder Versproden der Elastomere reduziert und damit die Kaltebestandigkeit verbessert werden. Eine gute Kaltebestandigkeit bei Temperaturen bis -100 " C zeigt Silicon-Kautschuk, der im Gegensatz zu den anderen Elastomeren in der Makromolekulkette anstelle des Kohlenstoffs alternierend Silicium und Sauerstoff enthalt. Er wird z. B. fur Dichtungen eingesetzt, wenn die Anforderungen den hohen Preis rechtfertigen. Die Eignung glas- oder kohlenstoffverstarkter Polymere fur den Tieftemperatureinsatz wird vor allem durch das Auftreten von Delaminationen infolge zuneh-

5.6

Vorschriften zur Werkstoffauswahl fur tiefe Temperaturen

201

mender Steifigkeit der Matrix begrenzt. Zum Vermeiden dieser Schadigungen wird die Verwendung hochzaher thermoplastischer Matrixsysteme wie Polyetheretherketon (PEEK) empfohlen. Besonderer konstruktiver MaBnahmen bedarf es, um bei der Paarung von Polymeren oder Verbundwerkstoffen mit anderen Werkstoffen, vor allem mit Metallen, unzulassig hohe innere Spannungen wegen der groBen Unterschiede zwischen den Ausdehnungskoeffizienten zu vermeiden.

5.6 Vorschriften zur Werkstoffauswahl fur tiefe Temperaturen Unter Verwendung der im Abschnitt 5.2 dargelegten Zahigkeitsnachweise wurden fur den Tieftemperatureinsatz spezielle Vorschriften entwickelt, deren vorrangiges Ziel darin besteht, eine ausreichende Sicherheit gegen Sprodbruch zu gewahrleisten. In Deutschland hat das von der Arbeitsgemeinschaft Druckbehalter aufgestellte AD-Merkblatt W10 besondere Bedeutung erlangt. Darin sind die sicherheitstechnischen Anforderungen fixiert, die an Eisenwerkstoffe zu stellen sind, wenn diese zum Bau von Druckbehaltern mit innerem oder auBerem Uberdruck fur Temperaturen des Beschickungsmittels unter -10 "C verwendet werden. Es erganzt andere AD-Merkblatter, z. B. der Reihen B und S rnit den Berechnungsregeln fur drucktragende Bauteile. Die tiefste zulassige Anwendungstemperatur wird werkstoffspezifisch angegeben und mit Angaben zur groBten zulassigen Wanddicke verknupft. Tabelle 5.6 Anwendung von Stahlen und StahlguB fur Druckbehalter bei tiefen Ternperaturen (nach AD-Merkblatt WIO) Stahlart

Tiefste Anwendungsternperatur in "C bei Beanspruchungsfall 1 I1 111

schweifigeeignete Feinkornbaustahle. norrnalgegluh t :

-60

-1 10

-140

60

-65

-1 15

-105

-120 -200

-155 -170 -255

-145 -1 85 -200 -270

70 70 50 70

-200 -270

-255 -270

-210 -210

I5

austenitischer StahlguB: -200 GX2CrNilY-I 1

-255

-210

30

kaltzahe Stahle: 26CrMo4 10Ni14 12NilY X8NiY austenitische Stahle: XSCrNi18-10 X2CrNiMoN17-11-2

GroBte zulassige Dicke (bei Rohren Wanddicke) in rnrn bei der tiefsten Anwendungsternperatur

Tabelle 5.6 enthalt einen Auszug aus den Angaben zur tiefsten Anwendungstemperatur fur Stahle und StahlguB. Dabei werden drei Beanspruchungsfalle unterschieden:

202

5

Wcrkstoffe fur tiefc Tcmperaturen

Beanspruc h ungs fall I : Die Fes t ig kei t swert e der angege bene n We r ks t offe kiin ne n mit den im AD-Merkblatt B O genannten Sicherheitsbciwerten voll ausgenutzt werden (Tab. 5.7). Beanspruchungsfall 11: Die Festigkeitswerte konnen nur zu 75% ausgenutzt werden. Durch geeignete Gestaltung und Herstellung mussen Spannungsspitzen weitgehend vermieden werden, und beim Betrieb ist das Entstehen v o n Anrissen nicht zu erwarten. Beanspruchungsfall I I I: Die Festigkeitswerte konnen nur zu 25% ausgenutzt werden. Tahclle 5.7 Sicticrhcitsheiwcrte gcgcn die Streck- bzw. Dehngrenze ( A u s ~ u gaus All-Mcrkhlatt BO) Wcrkstoll

Sicherheitsbeiwert S fur den Wcrk- Siclicrticilshciwcrt S' stofl bei Berechnungstemperatur bcim Pruldruck

Wol;l- und Schrnicdcstiihle

I ,5

I,1

st ah Ig u 0

2.0

I ,5

G u fk i sc n mit K ugc Igi-aphit

2.4

I .2

I .s

1.1

GC;(;-40.3

A I u mi n i u ni u nd A I u mi 11iu in-K nc t we r k a t ollc

G u Be i se n m it K ug e I gra p h i t un d aust e n it isc he s G u Be ise n mi t Lame 11e n gr a p h i t sind beim Beanspruchungsfall I1 im warmebehandelten Zustand bis zu -60" einsetzbar. Da viele Lagergutcr, speziell in der petrochemischen Industrie. leichter als Wasser sind. tritt die griiBtc Beanspruchung der Lagerbehiilter bei der Druckwasserprobe auf. Um dabei das Eintreten eines Sprodbruchs zu verhindern, mu13 sie bei Temperaturen durchgefuhrt werden, die - abhangig von der mechanischcn Beanspruchung - um 5 bis 15 K uber der Auslegungstemperatur liegen. Wahrend sich die Festlegungen im deutschen Regelwerk ADWIO im wesentlichcn auf qualitiitssichernde Mafinahmen bei der Herstellung und Prufung (u.a. wird speziell fur Schweiherbindungen ein erhohter Priifumfang und cine verstarkte Anwendung der zerstijrungsfreien Prufung bei Einsatzteinperaturen unter -1 0 ° C gefordert) sowie Erfahrungen mit dem Einsatz bci tielen Temperaturen stutzen. haben europaische Regelwerke bereits die Ergebnisse umfangreicher (Jntersuchungen an bauteilahnlichen Proben sowie bruchmechanische Bewertungen berucksichtigt. So wurden in der britischen Norm BSSOOO fur schweiBgeeignete C- bzw. C-Mn-Stahle sog. Auslegungsreferenz-Temperaturen (Design Reference Temperature) aus Versuchen an GroBplatten abgeleitet und mit den im Kerbschlagbiegeversuch zu bestimmenden Ubergangstemperaturen TU7,(R,,, < 450 MPa) bzw. TLI4,, (R,,, > 450 MPa) korreliert (Bild 5.10). Die Auslegungsreferenz-Temperatur ergibt sich aus der niedrigsten Betriebstemperatur. die wiihrend des Betriebs oder bei der Druckprobe auftritt. und einem Temperaturzuschlag. der vom Grad der Ausnutzung der zulassigen Spannungen bestimmt wird. Ein einheitliches europaisches Sprodbruchbewertungskonzept wird mil dem ANNEX C zum E I J R O C O D E 3 zur Bemessung und Konstruktion von Stahl-

5.6

203

Vorschriften zur Werkstoffauswahl fur tiefe Temperaturen

I

Referenzdicke

60 mm 50 mm 40 mm 30 mm 20 mrn

-80P /

700

l -

-60

-50

1

-40 -30 -20 -70 0 Ubergangstemperatur TU2,

"C

20

Referenzdicke ? 40 mm

$8 2: 25 mm

"C

20 mm 15 mm >_ l Om m

8 mm 6 mm 4 mm 2mm

-60

-50

-40 -30 -20 -70 Ubergangstemperatur To,,

0

"C

20

Bild 5.10 Zusamrnenhang zwischen Auslegungsreferenz-Temperatur und Ubergangstcmperetur (nach BSSOOO)

bauten angestrebt. Hiernach wird die tiefste Einsatztemperatur T R d ( R = Resistance, d = design) wie folgt festgelegt: = TKIoO + ATo

+ AT; + ATyc

(5.3) die Temperatur fur eine Bruchzahigkeit von 100 MPa m1'2. Hierin bedeutet TK1,)() Da diese Temperatur nur durch bruchmechanische Prufung bestimmt werden kann, finden folgende Korrelationen mit den Ubergangstemperaturen des Kerbschlagbiegeversuchs Anwendung:

TRd

TKI(K) = 1,4TU27 bzw. TKI(H) = TuZ7- 18°C

(5.4) Die weiteren Bestandteile von GI. (5.3) beriicksichtigen den EinfluB der Spannung und Beanspruchungsgeschwindigkeit; AT,, ist ein sich aus der statistischen Auswertung ergebendes Sicherheitsglied.

204

5

Werkstoffe fur tiefe Temperaturen

Literaturhinweise Schatt, W und H. Worch (Hrsg.): Werkstoffwissenschaft. Stuttgart: Dt. Verl. fur Grundstoffindustrie 1996 B1itrnenrriic.r. H. (Hrsg.): Werkstoffprufung. 6. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Dt. Verl. fur Grundstoffindustrie 1994 Blitrnenriiter, H. und G. Pirsch: Technische Bruchmechanik. 3. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Dt. Verl. fur Grundstoffindustrie 1993 Frey, H. und R.A. Haefer: Tieftemperaturtechnologie. Dusseldorf: VDI-Verl. G m b H 1981 Siefer, W : Mechanische Eigenschaften von unlegiertem GuBeisen mit Kugelgraphit und von TemperguB bei tiefen Temperaturen. GieBerei-Forschung 37(1985)1. 17 Aluminium-Taschenbuch IS. Aufl./ Hrsg.: Aluminium-Zentrale. Dusseldorf: Aluminium-Verl. Band 1 (Grundlagen und Werkstoffe) 1995: Band 2 (Umformen) 1996 Oswrrlrl, T A . und G. Mrnges: Materials Science of Polymers for Engineers. Hanser Publishers I995 Pannkoke, K. : Mechanische Eigenschaften von undirektionalen, kohlenstofffaserverstarkten Polymeren bei tiefen Temperaturen. In: VDI-Ber. 1080. Dusseldorf: VDI-Verl. G m b H 1994 DIN 17 280: Kaltzahe Stahle 1985 is.161 DIN E N 10 213: Technische Liefcrbedingungen fur StahlguB fur Druckbehiilter; Teil 3: Stahlsorten fur die Verwendung bei tiefen Temperaturen 1996 [S. 1 11 Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 685: Kaltzaher StahlguB 1989 [S.12] DIN 1725: Aluminiumlegierungen; GuBlegierungen; Beiblatt 1 zu DIN 1725 Teil2 1986 [S.13) DIN 17 869: Werkstoffeigenschaften von Titan und Titanlegierungen, zusatzliche Angaben 1992 [S. 141 DIN 7224: Polymere Werkstoffe, Gruppierung polymerer Werkstoffe aufgrund ihres mechanischen Verhaltens 1993 [S. IS] Stahl-EisenPrufblatt 1325: Fallgewichtsversuch nach W S . Pellini 1982 (5.161 Stahl-Eisen-Prufblatt 1326: Fallgewichtsversuch nach Brrtelle 1983 [S. 171 AD-Merkblatt W10: Werkstoffe fur tiefe Temperaturen, Eisenwerkstoffe 1987 [S. 181 British Standard BS 5000: Specification for unfired fusion welded pressure wessels 1986 (5.19) Eurocode 3: Design of steel structures, Annex C: Design Against Brittle Fracture, EN V 1993-1 [S.20] DIN EN 1 0 028: Flacherzeugnisse aus Druckbehalterstahlen, Teil 4: Nickellegierte kaltzahe Stahle 1994

6

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

In der Energie- und Umwelttechnik, der chemischen, werkstoffherstellenden und -verarbeitenden Industrie werden Konstruktionswerkstoffe und Baustoffe in groBerem Umfang erhohten Temperaturen ausgesetzt. Die Wirtschaftlichkeit der betriebenen Aggregate hangt wesentlich von der Hohe der anwendbaren Arbeitstemperaturen ab. So sinkt beispielsweise der Warmeverbrauch einer Dampfkesselanlage von 13500 auf etwa 10600 kJ/kWh ab, wenn die Dampfeintrittstemperatur von 400°C auf 600 " C erhoht wird, oder die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verdoppelt sich, wenn - wie eine Faustregel besagt die Betriebstemperaturen um 10 K gesteigert werden. Die insbesondere bei der Erzeugung elektrischen Stromes geforderten niedrigstmoglichen Umweltbelastungen und maximalen thermischen Wirkungsgrade der Aggregate haben zu bedeutsamen Werkstoffentwicklungen fur Dampf- und Gasturbinen sowie fur Gas-Dampf-Kombikraftwerke gefuhrt. Das betrifft vor allem neue Cr-Mo-V-Stahle mit 10 bis 12% Cr, austenitische Stahle und Ni-Cr-Mo-Stahle, darunter die superreinen Ni-Cr-Mo-V-Stahle rnit 3 bis 3 3 % Ni, sowie Ni-Basis-Superlegierungen. Auch bei aufwendiger Kuhlung und einkristalliner Bauweise stol3en die hochstbeanspruchten Teile in der Turbine, die Turbinenschaufeln, an EinsatzgrenZen, die derzeit durch die Zeitstandfestigkeit der Ni-Basis-Superlegierungen gegeben sind. Da mit der Anwendung vollkeramischer Schaufeln wegen der ungeniigenden Schadenstoleranz zur Zeit nicht zu rechnen ist, hat die Entwicklung geeigneter Warmedammschichten in Verbindung mit einer weiteren Steigerung der Arbeitstemperaturen erhebliche Bedeutung erlangt (Bild 6.1) [6.1]. Von den bei erhohten Temperaturen geforderten Eigenschaften stehen eine ausreichende Festigkeit (warm- und hochwarmfeste Legierungen) sowie mit zunehmenden Arbeitstemperaturen auch ein genugender Widerstand gegen HeiBgaskorrosion (zunderbestandige Stahle) oder die Chemikalienbestandigkeit (Glaswerkstoffe), eine hohe Schmelztemperatur sowie ausreichende Stand- und Temperaturwechselfestigkeit (feuerfeste Keramiken) im Vordergrund. Dem entspricht auch die Abfolge der in diesem Kapitel behandelten Werkstoffe. Polymerwerkstoffe scheiden aus den Betrachtungen aus, da die Arbeitstemperaturen der meisten Thermoplaste und Elastomere unter lOO"C, die der Mehrzahl der Duromere unter 200°C liegen. Nur in (nicht dem Maschinenwesen zugehorigen) Ausnahmefallen finden spezielle Polymere noch oberhalb 300 "C Verwendung (Bild 6.2). Schnell- und Warmarbeitsstahle, von denen auBer der Warmfestigkeit auch ein hoher VerschleiBwiderstand gefordert wird, wurden bereits in den Abschn. 4.2.6 und 4.2.7 erortert. Warmfeste Federstahle werden im Abschn. 10.2.2 behandelt. In Bild 6.3 ist fur verschiedene Werkstoffgruppen die 10' h-Zeitstandfestigkeit uber der Temperatur dargestellt. Folgt man der allgemein verbreiteten Meinung,

6

206

Werkstofle fur hohe Temperaturen

1300 P V D - B e s c h r c h i u n g e n ~ + plasmasprrizschrchtenlB e s c h i c h t u n g e n l modihzrerte Alummrde ahmrnrde-

"C 7200

7 100

Warmedamrnschrchten

7 000

genchtet ersiarrte Werkstoffe

900

konventronelle GuBwerksioffe

800

700 1940

7950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

Jahr Bild 6.1 Anstieg dcr 'l'urhinencintrittstemperatur im Vcrlauf von 50 Jahren (nach D . S . liic~lic~rh\: 11.C'.

l>OlC,)

Neue Tbermoplaste

Superlegierungen

Siliciumcarbid Aluminiurnoxid

>2000 I 500

I

I

I

1000

1500

2000

Temperatur

Bild 6.2 Einsat/teiiiperatul.cn verschiedener PolynicrM ;I t ri x -. Me ta I I - M a t ri x - u nd

Kerarnik-Matrix-Vcrbund'C

werkstolfc. Angcgehen: Matrixwerkstollc (nach A./? Mrrjitli)

6. I

1

0

200

600

Warmfeste Stahle und Legierungen

, 600 800 7000 1200 l4OO0C 1600 An wendunqstemperatur

207

Bild 6.3 103h-Zeitstandfestigkeit verschiedener Werkstoffe in Abhangigkeit von der Ternperatur

dal3 als warmfeste Werkstoffe erst solche zu bezeichnen sind, deren Einsatztemperaturen > 400°C liegen, und berucksichtigt, dal3 die Verwendung der von der Herstellung und Verarbeitung her kostenaufwendigeren Titanlegierungen fur Hochtemperaturzwecke sowie fur Spezialfalle nur in Verbindung mit einer verbesserten Korrosionsbestandigkeit (s.a. Abschn. 7.2) gerechtfertigt ist, dann liegen an der unteren Grenze des Bereiches warmfester Werkstoffe un- und niedriglegierte Stahle sowie bestimmte StahlguBarten. Diese und die ihnen mit zunehmenden Arbeitstemperaturen folgenden hochlegierten ferritischen, martensitischen und austenitischen Stahle sowie die Superlegierungen auf Nickelund Cobaltbasis sind die bei weitem am haufigsten genutzten warm- und hochwarmfesten Konstruktionswerkstoffe. Sie verdanken ihre Warmfestigkeit einer gezielten Uberlagerung der Hartungsmechanismen [6.2]. Die fur noch hohere Temperaturen geeigneten hochschmelzenden Metalle sowie Verbundwerkstoffe auf Carbid- und Metallbasis sind - wiederum vorwiegend aus okonomischen Erwagungen - relativ wenigen Sonderfallen vorbehalten. Zur Dimensionierung und Auslegung warmebeanspruchter Bauteile aus metallischen Werkstoffen werden aus Kurzzeitversuchen bestimmte temperaturabhangige und aus Langzeitversuchen ermittelte temperatur- und zeitabhangige Werkstoffkennwerte, wie z. B. Zeitdehngrenze und Zeitstandfestigkeit, verwendet [6.3]. Der Nachweis der Betriebssicherheit erfolgt dann auf der Grundlage der Beanspruchungs- bzw. Spannungssicherheit, Temperatur- und Zeitsicherheit.

6.1 Warmfeste Stahle und Legierungen Warmfeste Stahle sind unlegierte und legierte Stahle, die in der Regel oberhalb 400°C zum Einsatz gelangen. Von allen warmfesten Werkstoffen sind die wurmfesten Stiihle am meisten erschlossen, sie haben die grol3te Anwendungsbreite und sind weitgehend genormt. Man kann die warmfesten Stahle in drei Gruppen, in unlegierte und niedriglegierte Stahle, in warmfeste Chromstahle und in hochwarmfeste austenitische Stahle einteilen, womit gleichzeitig der Legierungstyp zum Ausdruck gebracht wird.

208

6

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

6.1.1 Unlegierte und niedriglegierte Stahle Neben dem Kohlenstoff und den ublichen Eisenbegleitern der unlegierten Stiihle kommen in den niedriglegierten Stahlen als warmfestigkeitssteigernde Legierungselemente Chrom, Molybdan, Nickel, Vanadium, Wolfram und Niob vor. Insgesamt uberschreiten diese Elemente die Summe von etwa 6% kaum. Die Einsatztemperaturen der un- und niedriglegierten Stahle liegen im Bereich von 400 bis 580 "C, die Raumtemperatur-Zugfestigkeit zwischen 350 und 600 MPa. Das Festigkeitsverhalten der unlegierten ferritisch-perlitischen bzw. Kohlenstoffstahle wird hauptsachlich durch den Kohlenstoff (0,10 bis 0,30%) und das

Tabellc 6. I Angaben m r Vcrwcndung warmfester Stahle (nach [6.29], [6.30]. [6.31]) Bauteil

Wer ks t o f f

Anwendungsbereich "C

Uberhitzerrohre

I6Mo3 13CrMo4-5 lOCrMo9-I0 XXNiCrAITi3 1-20

his 530 500 . . . 550 520 . . . 580 600 . . . 950

Dampfleitungcn (Kessel)

St35.X

19Mn5 IhMo3 13CrMo4-S IOCrMoV-I0 X lOCrMoVNbN9-l (P91) X3CrNiMoN 17- 13

20 . . . 480 360 . . . 480 460 . . . 520 500 . . . 540 520 . . . 580 540 . . . 600 580 . . . 620

Schrauben

('35 24CrMoV.S-5 25CrMoVBh-11

bis 400 (450) 4 5 0 . . ,510 500 . . ,570

Turbinenschaufcln (u.a. Tcilc)

X20Cr13 24CrMoV5-5 X22CrMoV 12-1 X IOCrNiWVTa 18-9 XXCrNiMoNb 16-16

bis 470 450.. ,510 500 . . ,550 500 . . . 600 580 . . . 700

Turbinenwellen

2XCrMoNiV4-7 23CrNiMo7-4-7 26NiCrMoVI 1-5 (superrein) 26NiCrMoVl4-S (superrein) X12CrMoWVNbNIO-1-1 XI 2CrMoVNbN 10-1

bis 540 bis 540 350.. , 450 3 5 0 . . . 4.50 bis 600 his 600

GroRe Schmiedestucke (250 m m )

Ck35 (C35E) 24CrMo5 22CrMo4-4 24CrMoV5-5 21CrMoVS-11

bis 390 370 . . ,480 460 . . . 500 4 8 0 . . . 515 500 . . . 530

Gehause u.a. GulJteile GP240GH G17CrMo5-5 G17CrMoVS-10 GXI 7CrMoNiV12-1

bis 470 460 . . . 550 520.. ,550 540 . . . 580

6.1

Warmfeste Stahle und Legierungen

209

Mangan (0,3 bis l,6O%) sowie den Gehalt an ,,aktivem" (gelostem) Stickstoff bestimmt. Die Kriechgeschwindigkeit wird durch gelosten Stickstoff verringert. Das verbesserte Warmverhalten der niedriglegierten Stahle wird durch Carbide und Carbonitride der Elemente Chrom, Molybdan, Wolfram, Vanadium und Niob erreicht. Unterhalb 450°C lohnt die Verwendung von molybdanlegierten Stahlen im allgemeinen nicht, da dort die unlegierten Stahle ausreichende Eigenschaften aufweisen bzw. die gleiche Festigkeit wie die niedriglegierten zeigen. Sind jedoch bei bestimmten Bauteilen, die sich sehr lange im Betrieb befinden (> 105h), nur sehr geringe Formanderungen zulassig, dann werden auch unterhalb 450 " C molybdanlegierte Stahle eingesetzt. Die in der Regel oberhalb 450 " C verwendeten Mo-Stahle enthalten 0,3 bis 1,0% Mo. Ein bekannter Vertreter dieses Typs ist der Stahl 16Mo3. Eine weitere Steigerung des Mo-Gehaltes allein erhoht die Festigkeit nur unbedeutend. Die Kriechfestigkeit, Duktilitat und Oxidationsbestandigkeit werden verbessert, wenn dem Stahl aul3er Mo noch etwa 1% Cr, wie beim 13CrMo4-5, zugegeben oder die Molybdan- und Chromgehalte gemeinsam, wie beim Stahl 1OCrMo9-10, erhoht werden. Im ersten Fall wird beispielsweise gegenuber einem Stahl mit nur rund 0,5% Mo die Bruchdehnung fur 550°C und 1000h von etwa 5 auf 10% angehoben, und auch das Zunderverhalten wird gunstiger. Der Stahl 10CrMo9-10 weist ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften bis 580 "C auf. Er wird vorwiegend fur Hochtemperatur-Dampfleitungen und in chemischen Anlagen eingesetzt (Tab. 6.1), da der erhohte Cr-Gehalt von 2,25% den Stahl gleichzeitig wasserstoffbestandig macht.

400

MPa ,%

r - I

I

I

I

I

-10Sh-Zeitstandfestigkeif; Mittelwert

I

O,2%-Dehngfenze; Mindestwert

350

9)

a

9 * v,

$

300

2s

.= v)

4

250

E

5

200

B

C

3

8C s!

2

48 2

150

roo 50

0

Bild 6.4 0,2%-Dehngrenze und 10"-Zeitstandfestigkeit in Abhangigkeit von der Temperatur fur ver-

210

6

Werkstoffe f u r hohe T e m p e r a t u r e n

Durch die Zugabe von Vanadium zu den Mo- und Cr-Mo-Stahlen bis zu etwa 0,3% wird die Kriechfestigkeit weiter verbessert. Optimale Verhaltnisse bestehen dann, wenn diese Stahle normalisiert und angelassen werden. Das Anlassen sichert eine annehmbare Duktilitat, die jedoch die der Cr-Mo-Stahle nicht erreicht. Fur Niederdruck-Turbinenwellen haben sich andere Stahle, vorwiegend Ni-Cr-Mo-V-Stahle mit 3 bis 3,S% Ni, bewahrt. Durch Absenkung des Gehaltes an grenzflachenaktiven Spuren- und Begleitelementen, wie Phosphor und Antimon, sowie des Gehaltes der die Korngrenzenanreicherung dieser Fremdatome fiirdernden Legierungselemente Mangan und Silicium kann die bei Temperaturen oberhalb 300 “ C auftretende Langzeitversprodung dieser Stahle vermieden werden. Dadurch finden diese als superreine (super clean) Stahle bezeichneten Werkstoffe (s. Tab. 6.1) im Niederdruckbereich Verwendung, wenn auch dort infolge Erhohung der Dampftemperatur auf 600°C Wellentemperaturen uber 300 “ C auftreten. Analog den unlegierten und niedriglegierten Stahlen fur Bleche, Rohre und geschmiedete Teile werden auch wurmfeste GuJ3srahleetwa gleicher Zusammensetzung fur Gehause und andere GuBteile eingesetzt. Sie sind hinsichtlich der Warmfestigkeit den geschmiedeten Stahltypen aber leicht unterlegen (Bild 6.4, Tab. 6.1 ). 6.1.2 Warmfeste Chromstahle

Die warmjesten Chrovrzstiihle sind dem Typ nach 9 bis 12% -Chromstahle. Sie finden Anwendung in der Chemie-, Papier- und Erdolindustrie. Besonders verbreitet sind sie jedoch im Kraftwerksanlagenbau zur Fertigung von Turbinenlaufern und -schaufeln sowie Gehausen (s. Tab. 6.1). Durch Zulegieren von Wolfram, Niob, Stickstoff und Bor wird ihre Zeitstandfestigkeit erhoht, so daB die Dampfturbinen der heutigen Kraftwerksgeneration mit einer Dampftemperatur von ca. 600 “ C und einem Frischdampfdruck bis zu 300 bar betrieben werden konnen. Steigerungen des thermischen WirkungsgraTabelle 6.2 ZeitdchngrcnLen- und Zeitstandfestigkcitswcrte warmfester Chromstiihle (nach DIN 17 240)

Lcgicrungsbezeichnung

Tempe- 0,2%-Zeitdehngrenze 1%-Zeitdehngrenze Zeitstandfcstigkcit in MPa fur i n MPa fur ratur in MPa fur i n ” C 1OJh l0Sh 10Jh I05h 10Jh IO’h

X22CrMoV 12-1 vergutet auf 800 bis 900 MPa Zugfestigkcit

450 550 600

343 96 46

264 63 27

436 I65 79

373

X22CrMoV12-I vergutet auf 900 bis 1050 MPa Zugfestigkeit

450 550 600

359 109 47

273 70 27

475 1x9 87

X 19CrMoVNbN 1 I - I 450 550 600

442 170 69

373 98

500 250 133

-

480 21 1 103

432 137 59

403 I20 42

516 222 1ox

445 144 59

448 153

578 289 164

530 172 59

1ox

44

~

6.1

Warmfeste Stahle und Legierungen

21 1

des um ca. 6 bis 8% im Vergleich zu den in den 80er Jahren mit Dampfparametern von 540°C und 185 bar betriebenen Kraftwerken sind dadurch moglich geworden [6.30]. Auch bei Dampferzeugern hoherer Leistung werden fur Uberhitzerrohre und Dampfleitungen warmfeste Chromstahle herangezogen. Sie sind ausgezeichnet oxidationsbestandig und je nach Beanspruchung bis 6.50 " C einsetzbar. Dadurch konnen teilweise kostspieligere austenitische Stahle ersetzt werden. Die 9 bis 12%-Chromstahle schlieBen die Warmfestigkeitslucke zwischen den ferritisch-perlitischen und den austenitischen Stahlen. Mit einer Einsatztemperatur von 650 " C durfte fur ferritische Chromstahle auf Grund der ausgeschopften Korrosionseigenschaften und Festigkeitswerte eine Grenze erreicht sein, da oberhalb dieser Temperatur z. B. bei steinkohlebefeuerten Anlagen die Abtragrate wegen rauchgasseitiger Hochtemperaturkorrosion erheblich ansteigt [6.32]. Beispiele fur 0,2% - und 1%-Zeitdehngrenzenwerte sowie fur Zeitstandfestigkeitswerte warmfester Chromstahle enthalt Tabelle 6.2.

6.1.3 Hochwarmfeste austenitische Stahle Die Entwicklung der warmfesten austenitischen Stahle geht auf die bekannten nichtrostenden 18/8-Chrom-Nickelstahle zuruck. Chrom engt das Austenitgebiet ein, wahrend Nickel den entgegengesetzten EinfluB ausiibt. Die Phasenzusammensetzung der austenitischen Stahle 1aBt sich anhand des Schaeffler-DeLongDiagramms (Bild 6.5) ermitteln, wenn vorher unter Einbeziehung aller anderen Legierungselemente das Nickel- und Chromaquivalent bestimmt wurden. Der Stahl mit 18% Chrom und 8% Nickel erstarrt bei schneller Abkuhlung von etwa 1050 " C voll austenitisch, bei langsamer Abkuhlung weist er jedoch Anteile von GFerrit auf. Die infolge schneller Abkuhlung unterdruckte GFerrit-Aus-

Bild 6.5 Schaeffler-DeLongDiagramm F Ferrit A Austenit M Martensit

212

6

Werkstoffe f u r h o h e T e m p e r a t u r e n

scheidung kann durch Kaltumformung oder Abkuhlung auf sehr tiefe Temperaturen teilweise aufgehoben werden. Im Temperaturgebiet zwischen 600 und 700°C bildet sich die sprode tetragonale o-Phase (FeCr), die sowohl aus im Gefuge enthaltenen ferritischen wie auch austenitischen Bestandteilen entsteht. Infolge des mit der Beanspruchungsdauer zunehmenden o-Phasenanteiles verliert der Stahl an Zahigkeit (Bild 6.6).

,#mixhe Z i m m m n g in Muse - %

I

2

4 G 1iihdauer

6 Jabre

Bild 6.6 Kerbschlagarbeit austcnitischer niobstabilisierter Cr-NiStahle nach Langzeitgluhung bei 650°C (nach A.v.rl. Sieincrz)

Um einen bei Raumtemperatur vollaustenitischen Stahl zu gewahrleisten und die o-Phasen-Bildung einzuschranken, wird der Chromgehalt gesenkt und der Nickelanteil teilweise bis auf 16% gesteigert. In solchen austenitischen Stahlen bildet sich die o-Phase so spat, darj sie fur den Langzeiteinsatz dieser Stahle nahezu unbedeutend wird. Andererseits kann, wenn eine sehr hohe Zunder- und Korrosionsbestandigkeit gefordert wird, der Chromgehalt bis auf 20% erhoht werden (s. Tab. 6.10). In besonderen Fallen, z. B. bei grol3en Schmiedestucken sowie zur Verbesserung der SchweilJbarkeit, ist das Vorhandensein von geringen Mengen Ferrit sogar erwunscht. Bei den aiisfenitischen Sfiihlen ist die Spanne zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze sehr grol3, was in Verbindung mit der hoheren Rekristallisationstemperatur die Moglichkeit bietet, das Zeitstandverhalten durch eine vorangegangene

6. I 350,

Warmfeste Stahle und Legierungen

213

I

Kaltumformung

Bild 6.7 EinfluR einer Kaltumformung auf die 103h-Zeitstandfestigkeit eines austenitischen Stahls (18% Cr, 9% Ni, 1% W, 0,7% Ti, 0,1% C) fur verschiedene Temperaturen (nach G. Rassrnann und A. Merz)

Kaltverfestigung zu verbessern (Bild 6.7). Hiervon kann bei Einsatztemperaturen bis 650 " C Gebrauch gemacht werden. Austenitische Stahle haben grundsatzlich wegen ihres kubisch-flachenzentrierten Gitters und des damit verbundenen hoheren Diffusionswiderstandes eine im Vergleich zu Stahlen mit ferritischem Gefuge hohere Zeitstandfestigkeit (Bild 6.8 u. Tab. 6.3). Es besteht bei ihnen nicht, wie bei den ferritischen-perlitischen Stahlen, die Moglichkeit, die Festigkeit durch eine Umwandlungshartung anzuheben; das Abschrecken von Losungsgluhtemperatur erbringt in der Regel den weichesten Zustand. Durch Zusatz von Elementen wie Titan (mind. 4 x 'XOC)oder Niob (mind. 10 x YOC), die starkere Carbidbildner sind (Stabilisieren), wird bei entsprechenden Temperaturen der Kohlenstoff an diese und nicht an das Chrom gebunden, so daB eine Chromverarmung beispielsweise beim SchweiBen und eine damit mogliche Schadigung durch interkristalline Korrosion (s. Abschn. 7.10) verhindert wird. Die genannten Elemente steigern aber auch die Warmfestigkeit betrachtlich, da die durch sie gebddeten Carbide bis zu hoheren Temperaturen bestandiger sind als beispielsweise Chromcarbide. Fur ihre vollstandige Auflosung reichen deshalb auch 1050°C nicht aus, bei denen sich z. B. erst etwa 20% der NbCarbide in Losung befinden. Betragt die Losungsgluhtemperatur 12.50"C, dann sind mindestens 60% der Nb-Carbide gelost. Mit derartig hohen Temperaturen ist allerdings eine starke Zunahme der KorngroBe verbunden, die erst iiber eine mehrmalige Kaltumformung mit anschlieBender Gluhung bei 1050 " C wieder beseitigt werden konnte. In der Praxis wahlt man deshalb meist niedrigere Gluhtemperaturen und nimmt die nicht vollstandig aufgelosten Carbide in Kauf, um eine kleine KorngroBe und eine ausreichende Duktilitat zu sichern. Zur weiteren Verbesserung der Warmfestigkeit werden u.a. Bor, Molybdan, Vanadium und Cobalt zulegiert. Die Anwendungstemperaturen der austenitischen Stahle liegen auf Grund ihrer hoheren Warmfestigkeit und guten Zunderbestandigkeit im Bereich von 600 bis 750°C. Ihr Einsatz erfolgt vorwiegend im

214

6

Werkstoffe fur hohe T e m p e r a t u r e n

Bild 6.8 0,2%-Dehngrenze und l0'h-Zcitstandfestigkeit in Abhangigkeit von dcr Tcrnpcratur fur warmfeste Stihle und Legierungen

Tabelle 6.3 200.000 h-Zcitstandfestigkeit hochwarrnfester austenitischer Stahlc (nach DIN I7 4.59 und DIN I7 460) Lcgicrungsbczcichnung

Ternperatur "C

200.000 h-Zeitstandfestigkcit MPa

XXCrNiMoNblb-16 XXCrNiMoVNb16-13 XSNiCrAlTi3 1-20

600

130

600

145 10s

600

6.I

Warmfeste Stahle und Legierungen

21s

chemischen Apparatebau, in der Dampf-, Gasturbinen- und Kernkraftwerkstechnik sowie im Flugzeugbau.

6.1.4 Superlegierungen Unter Superlegirriingrn versteht man Mehrstoffsysteme auf der Grundlage von Eisen, Nickel oder Cobalt mit relativ hohen Gehalten an Chrom, denen in geringeren Mengen noch hochschmelzende Metalle (Mo, W) sowie Aluminium, Titan u.a.m. zugesetzt sind. Sie enthalten verschiedene Carbid- und intermetallische Phasen, die in feinverteilter Form in eine Mischkristallmatrix eingebettet sind. Sie werden im Temperaturbereich von 600 bis 1100°Ceingesetzt; die Gebrauchstemperaturen der besten Legierungen liegen bei 0,8 T,. Die Superlegierungen finden vor allem als Bauteile von Gasturbinen fur Flugzeuge, Schiffe, Lokomotiven und Kraftwerksanlagen sowie in Raketentriebwerken, in Erdolcrackanlagen und anderen Bereichen des Chemieanlagenbaues Verwendung. Laiifschaiifrln von Gasturbinen zahlen zu den am hochsten beanspruchten Bauteilen. Infolge der auftretenden Fliehkrafte mussen sie Zugspannungen bis zu 200 MPa bei Temperaturen bis 1000°C ertragen. Dabei wird der SchaufelfuR zwar nicht so hoch erhitzt (bis 700"C), jedoch kann die Beanspruchung hier Werte von SO0 MPa erreichen. Da die Laufschaufeln wahrend des Betriebes aul3erdem hohen Schwingungs- und wegen der auftretenden schroffen Temperaturwechsel auch thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind, mussen die Laufschaufelwerkstoffe neben einer hohen Zeitstandfestigkeit auch eine ausreichende Duktilitat und weitgehende Resistenz gegen thermische Ermudung aufweisen. SchlieBlich erfordern die heil3en Verbrennungsgase mit grol3eren Gehalten an Sauerstoff und anderen korrosiv einwirkenden Bestandteilen einen hohen Korrosionswiderstand der Schaufelwerkstoffe. In den Brennkammern ist die mechanische Beanspruchung zwar wesentlich geringer, dafur steigen aber die Temperaturen bis uber 1100°C an. Fur die in Tabelle 6.4 UngefBhre Grenzen der chcmischen Zusammensetzung von Ni- und Co-Legierungen (nach K. Biingnrtlt) Grenzgehalte in YO

Element

Ni Cr Fe CO Al Nb Ta Ti Mo W C andere Elemente

11

nur in Ein/cll;illcn

Nickcllcgierungen

Cobaltlegierungen

ctwa 47 . . . 79 etwa 6 . . . 25 bis etwa 22 etwa 10 . . . 2 x 3 bis etwa 6.5 bis etwa 6 his etwa X bis etwa 6 bis etwa 10 bis ctwa 12.5 bis etwa 0.27 geringe Mengen B. Zr, Hf, Mg. Re. La, Cc, Y

bis etwa 20 etwa 20 . . . 27.5 nur als unbcabsichtigte Beimengung etwa 44 . . . 68 his etwa 3.5') bis etwa 4 bis etwa 9 bis etwa 1 bis etwa 5.5 bis etwa 15 bis etwa 1 Z r bis etwa 2,25 B in geringen Mengen Yl), Re')

216

6

Werkstoff'e fur hohe Temperaturen

Betracht kommcnden Legierungen stehen deshalb die Korrosionsbestandigkeit und aus Fertigungsgrunden auch eine gute SchweiB- und Umformbarkeit im Vordergrund. Die Superlegierungen auf Eisenbasis sind auf Grund ihres hohen Nickelanteiles (bis 40Y0) sowie der Aluminium- und Titangehalte aushartbar und den Nickelbasislegierungen ahnlich. Ihre Festigkeitseigenschaften erreichen jedoch nicht die der eisenfreien Legierungen. so daB den Nickel- und Cobaltlegierungen fur die Herstellung von Bauteilen mit langerer Lebensdauer bei gleichzeitig hochster mechanischcr und thermischer Beanspruchung der Vorzug gegeben wird. In neuzeitlichen Flugtriebwerken betragt ihr Anteil bis zu 50% des Gesamtgewichts. Aber auch in stationaren Turbinen fur die Energieerzeugung sowie in Verbrennungsmotoren ist infolge der standig zunehmenden Betriebstemperaturen dieser Aggregate ihr Einsatz im Ansteigen begriffen. In Tabelle 6.4 sind die ungefahren chemischen Zusammensetzungen von Ni- und Co-Basis-Superlegierungen aufgefuhrt und in Bild 6.9 die 1000 h-zeitstandfestigkeit einiger ausgewahlter Superlegierungen in Abhangigkeit von der Temperatur dargestcllt.

und PM 2000 in Langsrichtung

700

800

900

7000

7700

1200

1300

"C

7500

Temperatur Bild 6.9 Vet-glcich der IO'li-Zeitstandfcstigkeit von Superlegierungen (nach I). Sporcr und 0. l m y )

6.1.4.1 Hochwarmfeste Nickellegierungen und ODS-Legierungen

Das ausgexichnete Festigkeitsverhalten der Nickellegierungen bei hohen Temperaturen ist durch das gemeinsame Auftreten von einer Mischkristallvcrfestigung und Ausscheidungshartung sowie einer weitgehenden Gefugestabilitat zu erklaren, zu denen die Legierungselemente in verschiedener Weise beitragen. Hinsichtlich der Warmfestigkeit werden die Knetlegierungen noch von einigen GuRlegierungen ubertroffen. die. ohne dal3 ihre Verarbeitbarkeit dadurch einge-

6.1

Warrnfeste Stahle und Legierungen

21 7

schrankt wird, einen erhohten Anteil solcher Elemente, die verformungserschwerende Phasen bilden, enthalten durfen. An der Mischkristallverfestigung sind vor allem die Elemente Mo, W, Cr und Co beteiligt, die in den nickelreichen Mischkristall eingehen und uber die Verlangsamung der Versetzungsreaktionen den Beginn der Rekristallisation hinauszogern. Daruber hinaus verbessert das als teilweiser Ersatz von Nickel zugefugte Cobalt die Duktilitat im Temperaturbereich der Warmumformung und das Chrom (wie auch La, Ce und Y) die Hochtemperaturkorrosionsbestandigkeit. AuBerdem bilden Molybdan und Chrom mit Kohlenstoff Carbide (M6Cund M&), die sich an den Korngrenzen ausscheiden und auf diese Weise dem tertiaren Kriechen (Korngrenzengleiten) entgegenwirken. Durch den Zusatz von Aluminium und Titan werden die Nickellegierungen aushartbar. Beim Zerfall der von der Temperatur des homogenen Mischkristalls (> 1100°C) abgekuhlten Legierung scheidet sich die intermetallische y’-Phase Ni,(AI,Ti) koharent aus. Geringe im Mischkristall verbleibende Al-Anteile tragen zur Verbesserung der Korrosionsbestandigkeit bei. Niob, Tantal und Vanadin treten, soweit sie nicht - wie auch Titan - zu Carbiden gebunden werden, gleichfalls in die y’-Phase ein und vergrol3ern so deren Volumenanteil in der Legierung. Die uber die Bildung der y’-Phase mogliche Ausscheidungshurrung tragt am starksten zur Erhohung der Zeitstandfestigkeit bei. Kleine Mengen von Bor, Zirconium und teilweise auch Magnesium und Hafnium verbessern das Verhalten der Korngrenzenbereiche. Sie erschweren die Diffusion anderer Elemente an die Korngrenze und hemmen so die Entstehung zusammenhangender Korngrenzencarbidfilme sowie die Bildung von an Legierungselementen verarmten Korngrenzensaumen. Auf diese Weise wird die Gefahr des Auftretens von Korngrenzenrissen und Sprodbruchen vermindert. Die Wirkung dieser Elemente auf die Erhohung der Lebensdauer der Bauteile kann betrachtlich sein. Fur das Festigkeitsverhalten unter Langzeitbeanspruchung ist die Stahilifut des Gefuges wichtig. Sie ist bei den Nickellegierungen im wesentlichen von der Uberalterung (ab 700 “ Cmerklich) und Wiederauflosung der y’-Phase abhangig. Die Neigungder y’-Teilchen zur iiheralteritng(Uberhartung, d. h. Wachstum, Abbruch der Koharenz) ist um so groBer, je hoher die Koharenzspannungen sind (hohes Ti/AIVerhaltnis im Teilchen). Infolge ihrer relativ geringen Diffusionsgeschwindigkeit wirken Niob und Tantal dem entgegen und verlangsamen mit zunehmendem Gehalt das Teilchenwachstum. Cobalt erhoht die Stabilitat der y’-Phase, indem es deren Loslichkeit im Anwendungstemperaturbereich verringert. Ein zunehmender Chromgehalt hingegen erniedrigt die Loslichkeitstemperatur fur die y’-Phase und verschlechtert dadurch auch die Warmfestigkeit der Legierung. Der EinfluB des Chromanteiles auf Warmfestigkeit und Korrosionsbestandigkei t ist also gegenlaufig. Je nachdem, o b die Warm- oder die Korrosionsfestigkeit im Vordergrund steht, ist der Chromzusatz niedriger oder hoher zu halten. SchlieBlich kann sich im Bereich von 650 bis 950°Cdie tetragonale o-Phase ausscheiden, die gleichfalls die Warmfestigkeit, aber auch die Zahigkeit der Legierung vermindert. Die chemische Zusammensetzung einiger wichtiger Nickelbasis-Superlegierungen einschliefilich typischer Anwendungen sind in Tabelle 6.5 zusammengestellt. Zeitdehngrenzen- und Zeitstandfestigkeitswerte dieser Legierungen zeigt Tabelle 6.6. Durch Veranderungen in der Warmebehandlung lassen sich Art und Menge der Ausscheidungen und damit auch das Warmfestigkeitsverhalten in gewissen

Ni

Rest

min. 70

Rest

Rest

min.45

Legierungsbezeichnung

NiCr20TiAl (alloy 80 A)

NiCrlSFe7TiAl (alloy X - 750)

NiCr25FeAIY (alloy 602 CA)

NiCr23Co12Mo (alloy 617)

NiCr2XFeSiCe (alloy 45 TM)

26-29

20-23

24-26

14-17

19-21

Cr

~

0.05-0,12

-

21-25 -

0.2-0,6

-

10-13

-

-

max. 2

Co

seltene Erden

-

0,6-1,5

0.05-0.1

8-10

max. 2

0.1-0.2

1.8-2.4

1.1-1.7

0.15-0,25

2-2.6

8-1 1

0.04-0.09

0.4-1

-

Chemische Zusammensetzung in Masse-% Mo C Ti Al

max. 0,08 2.25-2.75

5-9

max. 1

Fe

Gasturbinenkomponenten, Befestigungselemente fur Hochtemperaturbeanspruchungen, Federn. Schrauben u. Bolzen

Gasturbinenkomponenten. Schrauben u. Bolzen fur Dampfturbinen. AuslaRventile fur Dieselmotoren

Anwendungen

0.05-0, 15

2,5-3 Si

I

_

Mullverbrennung, Kohlevergasung, Raffinieriifen, Verarbeitung von Kohlenwasserstoff, speziell fur Hochtemperaturanwendungen mit extrem korrosiven Medien

Nichtrotierende Komponenten fur Gasturbinen (Durchfuhrungsauskleidungen. Brennkammern). Katalysatortrager bei der Salpetersaureherstellung

0.05-0,12 Y Strahlheizrohre, Transportrollen 0.01-0,IO Zr u. Muffeln fur Ofen. Abgassysteme, Komponenten fur Emailierofen, Warmetauscherrohre fur Wirbelbettverbrennungsanlagen

0.7-1,2 Nb

Sonstige

Tabelle 6.5 Chemische Zusammensetzung einiger Nickelbasis-Superlegierungen und typische Anwendungen (nach Krupp VDM GmbH, Druckschrift N5091 93-12, S . 113ff.)

p3

6.1

219

Warmfeste Stahle und Legierungen

Tabelle 6.6 Zeitdehngrenzen- und Zeitstandfestigkeitswerte einiger Nickelbasis-Superlegierungen (nach Krupp VDM GmbH, Druckschrift N 5091 93-12, S . 113ff.) Legierungsbezeichnung

Temperatur ')C

R,, ,"/lO4h MPa

R,/l 04h MPa

R,, ,&05h MPa

R,/lO'h MPa

NiCr20TiAI

700 800 900

235 98 14

246 105 21

155 58 10

165 62 13

NiCrl5Fe7TiAl

700 800

245 15

255 60

75 4

135 28

NiCr25FeAlY

700 800 900 1000 1100 12(m

42 20 9,4 4,3 22 1,O

700 900 1000

99 45 19 5 ,5

700 800 900 1000

22 11,9 5,9 3,1

NiCr23Co12Mo

800

NiCr28FeSiCe

56 31 17,4 10 5,7 32

28 12 56 2,7 12

41 22 11,9 6,4 3,5

-

-

10

66 28 10 1,o

95 43 16 4,5

40 19 9,s 5,9

16 72 3,5 1.9

28 13 5,9 3

123 65 30

Grenzen beeinflussen. Fur Gebrauchstemperaturen bis 650 "C kann die Festigkeit bis 25% gesteigert werden, wenn die Legierung im losungsgegluhten Zustand kaltverformt wird. Dann scheiden sich koharente Ni,(Al, Ti)-Teilchen in sehr feiner Verteilung auf Gleitebenen des Matrixmischkristalls aus. Bei hoheren Anwendungstemperaturen geht dieses gunstige Verhalten jedoch durch die einsetzende Erholung und Rekristallisation wieder verloren. Infolge der hohen Gehalte an Legierungselementen werden nicht nur Warmfestigkeit und Korrosionsbestandigkeit, sondern auch die Verarbeitungseigenschaften mafigeblich beeinflufit. Mit zunehmenden Legierungsanteilen werden die Grenzen der moglichen Schrniedetemperaturen immer mehr eingeengt, und die Umformbarkeit nimmt, insbesondere wegen der mit steigendem Al- und TiGehalt zunehmenden Menge an Ausscheidungen, stark ab. Legierungen mit hochsten Festigkeiten konnen schliefilich, wie auch Bild 6.9 zeigt, nur noch als Gufilegierungen verwendet werden. Die als gerichtet erstarrte Eutektika entwickelten Ni-Basis-Superlegierungen [6.12] haben sich wegen der aufwendigen Herstellungstechnologie und des im Vergleich dazu nur wenig verbesserten Zeitstandverhaltens industriell offenbar nicht eingefuhrt. Fur Spezialfalle haben sich hingegen pulvermetallurgisch hergestellte Superlegierungen aller Typen bewahrt. Die pulvermetallurgische Fertigung bringt nicht nur erhebliche Einsparungen von Material und Fertigungskosten mit sich, sondern liefert auch ein Material mit verbesserter Zug-, Kriechund Ermudungsfestigkeit [6.4], [6.5]. Im Fall der Ni-Basis-Superlegierungen lassen sich durch den Einsatz von Pulvern mit mikrokristallinem Gefiige und

6

220

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

metastabilen Phasen hohere Legierungsgehalte und damit auch mehr ausscheidungshartende y’-Partikel realisieren. Fur den Hochtemperaturbereich, wo sich die y’-Partikel vergrobern (uberaltern) und damit die Ausscheidungshartung verloren geht, werden die Sintersuperlegierungen mit einem thermodynamisch stabilen Oxid, meist Y,03, nach dem Verbundprinzip (mechanisches Legieren, s.a. Abschn. 6.1.6.1) dispersionsgehartet (ODS-Legierungen). Diese Legierungen zeigen von allen bekannten Superlegierungen die beste HochtemperaturKriechfestigkeit (s.a. Bild 6.9) [6.4], [6.28]. 10 I-

MPa c

’-

c C

-

Dl

3

0

2

-

-

-

I

o~’,o-lll

&5

I

1

10

1 10-6 s-’

10-5

Knechrate

Bild 6.10 Vergleich des Kriechverhaltens von Fe-Cr-Al-Werkstoffen. (Quelle: Metal Powder Report 47 (1992) 10,47) Material: Draht. 0 4 nim. Tcmperatur: I 1 0 0 und 1200°C. a Dispersionsgehiirtetc Sinterlegicrung Kanthal APM h Standard-Fe-Cr-Al

Gleichfalls zum ODs-Legierungstyp gehoren die warmfesten und oxidationsbestandigen Fe-Cr-Basis-Sinterlegier~ngen(Bild 6.10). Sic enthalten in der Regel 2 13 Masse-% Cr, 2 5 Masse-% A1 und gegebenenfalls nur geringe Mengen anderer Elemente. Die entsprechenden Gu13- und Knetlegierungen zeigen oberhalb 1250 “C einen starken Abfall der Warmfestigkeit, Kornwachstum und Versprodung sowie eine geringe Kriechfestigkeit. Durch eine Dispersionshartung kann dieses Verhalten zumindest partiell entscheidend verbessert werden. Fur die pulvermetallurgische Herstellung derartiger Materialien wird die Herstellungsvariante des mechanischen Legierens bevorzugt, wobei 0,s Masse-% YzO, als Dispersat in die Fe-Cr-Al-Basis eingebracht werden. Nach dem Intensivmahlen liegt das Oxid mit einer TeilchengroBe von 10 bis SO nm in der Matrix vor, deren Weiterverarbeitung in bekannter Weise durch HIP (heiflisostatisches Pressen), Strangpressen oder Warmschmieden (Platinen) erfolgt. Uber die Warmverdichtung und -umformung wird derart auf die Gefugeausbildung EinfluB genommen, da13 in der Regel ein feinkorniges Material anfallt, das in abgestimmter Folge von Warme und Umformgrad zu Blechen gewalzt wird, deren Dicke durch Walzen bei niedrigen Temperaturen bis auf 0,05 mm reduziert werden kann. Das mechanische Legieren verleiht den ODs-Legierungen auf Fe-Cr- Al-Basis cine ausgezeichnete Warmfestigkeit und Kriechbestandigkeit. Durch Rekristallisationsgluhen des zu Teilen verarbeiteten Werkstoffes kurz unterhalb der Schmelztemperatur (= 1470 “C) wird ein Grobkorngefuge eingestellt, das insbe-

6.1

Warmfeste Stahle und Legierungen

22 1

sondere bei dunnen Blechen eine sehr starke Anisotropie aufweist (Korndurchmesser zu Kornlange bis 1 zu SO), die dem Material die hohe Zeitstandfestigkeit verleiht. So werden Werte der 1000 h-Zeitstandfestigkeit genannt, die die der anderen Superlegierungen ubersteigen. Offenbar sind auch hohere Anwendungstemperaturen zulassig [6.5]. Von entscheidender Bedeutung beim Einsatz der dispersionsgeharteten Fe-CrAl-Basislegierungen in Brennern von Kleinturbinen oder Hochtemperaturwarmetauschern ist die Ausbildung einer festhaftenden und oxidationshemmenden Schutzschicht. Sie bildet sich an Luft und besteht aus feinen A1203-Kornern,die durch das Y203-Dispersatstabilisiert werden. So zeigen diese Sinterlegierungen beispielsweise bei 1150°C an Luft erst nach ca. 10000h eine Masseanderung von f4 mg/cm2, in mit C 0 2 und H 2 0 belasteten Abgasen nach 5000 h. Auch nimmt die Oxidationsbestandigkeit mit steigender Beanspruchung weniger kritisch ab als bei anderen Hochtemperaturwerkstoffen. 6.1.4.2 HochwarmfesteCobaltlegierungen

Grundlage der hochwarmfesten Cobaltlegierungen sind die Systeme Co-Cr oder Co-Cr-Ni. Cobaltknetlegierungen enthalten meist etwas weniger Chrom als entsprechende GuBlegierungen. Die Warmfestigkeit der Cobaltlegierungen beruht auf der Mischkristallverfestigung durch hochschmelzende Metalle, wie W, Mo, Ta und Nb, sowie auf der Ausscheidung stabiler Carbide. Ihre Zeitstandfestigkeit ist im allgemeinen direkt vom C-Gehalt und dem Anteil carbidbildender Elemente abhangig. Allerdings erreichen die Cobaltlegierungen erst bei hohen Beanspruchungstemperaturen (oberhalb etwa 1050 bis 1100°C) und langeren Beanspruchungszeiten das Zeitstandfestigkeitsniveau der Nickelbasislegierungen; teilweise konnen sie dieses dann sogar ubertreffen. Als Turbinenschaufelmaterial eignen sich Cobaltlegierungen nur bei relativ geringen Spannungsbeanspruchungen. Sie werden deshalb weniger fur rotierende Teile, wohl aber als Leitschaufelmaterial insbesondere fur Industriegasturbinen eingesetzt, da sie korrosionsund ermudungsfest sowie gut giel3- und schweil3bar sind. Tabelle 6.7 enthalt als Beispiele die chemische Zusammensetzung sowie typische Anwendungen und

0' 700

I

I

800

900

Tempemur

C'

1000

Bild 6.11 l0'h-Zeitstandfestigkeit verschiedener Cobaltbasislegierungen (USA)

27.5

0,35

GuR

CoCrNi

FSX414 10

10

2s

0,s

GuR

CoCrNi

X-40

3

27

0.2s

GLIB

CoCr

HS-21

-

21,s

1.o

GuR

CoCr

MAR-M322

-

21.5

0,85

GuB

CoCr

MAR-M302

10

21,s

0.6

GuB

CoCrNi

MAR-MS09

20

20

10

Ni

Cr

20

0.38

C

0,lS

CoCrNi

HS-25 (alloy 25)

Knet

Art der Legierung

Knet

CoCrNi

s-816

Legierungsbezeich- Legienung rungstyp

2

-

-

54

so

5

62

1 1.5

-

-

61

58

-

-

-

1

54

-

5s

-

4.0

44

3

Mo

Co

Fe

7

7.5

-

9

~

0,7S

-

10

~

-

-

-

-

-

0,2

Nb

4.0

Ti -

7

1s

4.0

W

Chemische Zusammensetzung in Masse-%

Tabelle 6.7 Chemische Zusammensetzung einiger Cobaltbasislegierungen (USA)

~

4.5

9,O

3,s

-

Ta

~

~

2.2s

0.15

0.005

-

0.4

-

Zr

0.010

-

B

Leitschaufeln

GasturbinenTeile

GasturbinenTeile

desgl.

GasturbinenLauf- und Leitschaufeln

Lauf- und Leitschaufeln (Flugtriebwerke)

Leitschaufeln, Nachbrenner

GasturbinenLaufrader und Schaufeln

Typische Anwendungcn

6.1

Warmfeste Stahle und Legierungen

223

Bild 6.11 die 1000-h-Zeitstandfestigkeit einiger haufig verwendeter amerikanischer Cobaltbasislegierungen (s.a. Bild 6.9).

6.1.5 Hochschmelzende Metalle und Legierungen Allein auf Grund der hohen Schmelzternperatur (W 3410"C, Ta 2996"C, Mo 2610"C, Nb 2468°C) und Rekristallisationstemperatur (W = 1400"C, Ta = 1300"C, Mo -- 1200"C, Nb = 900°C) weisen Wolfram, Tantaf, Molybdun und Niob oberhalb 900 bis 1000" C bessere Festigkeitseigenschaften als die niedriger schmelzenden Ni- und Co-Superlegierungen auf (Bild 6.12). Nachteilig stehen der Verwendung als Hochtemperaturwerkstoffe neben einer hoheren Dichte und bei Ta und Nb auch einer ausgepragten Gasloslichkeit vor allem die starke Oxidationsneigung oberhalb 400 " C entgegen. Dern Mange1 an Oxidationsbestandigkeit kann bis zu einem gewissen Grade durch Legieren sowie temporar wirksarne MoSi,-Schichten oder auch Schutzschichten auf der Basis Al-Si, Si-CrFe und Si-B-C begegnet werden. Diese Bemuhungen haben jedoch bislang noch zu keinem durchschlagenden Erfolg gefuhrt, so dalj fur langerzeitige Anwendungen an Luft nach wie vor die Nickel- und Cobalt-Basislegierungen im Hochtemperaturbereich dominieren. 800 M Pa

600

200

Terngeracur Bild 6.12 Festigkeit der hochschmelzenden Metalle in Abhangigkeit von der Temperatur im Vergleich zu anderen warmfesten Legierungen (nach [6.7])

Infolgedessen kornmen die W- und Mo-Werkstoffe nur fur solche Hochtemperatur-Anwendungsfalle in Betracht, wo eine Gas-Metall-Reaktion ausgeschlossen oder die Beanspruchung unter oxidierenden Bedingungen (bei ausreichender Dirnensionierung der Bauteile) zeitlich begrenzt ist. Derartige Betriebsbedingungen sind vorzugsweise in der Raketen-, Luft- und Raumfahrttechnik, die auch die Hauptnutzer von Konstruktionsteilen aus W-, Mo- und Ta-Werkstoffen sind, anzutreffen (s.a. Tab. 6.8). So werden beispielsweise aus 10 bis 12mm dicken gewalzten W-Grobblechen Ronden bis zu 500 mm Durchmesser herausgearbeitet und durch Flieljdrucken zu Raketendusen geforrnt. Wahrend der

6

224

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

Tabelle 6.8 Anwendungsfalle fur hochschmelzende Metalle und Legierungen Werkstoff

Anwendung

W, Mo. Mo-W, W-2OAg

Diisen fur Feststoffraketen

Ta- 1OW, Ta-l OW- IOHf

Brennkammern fur Steuerdiisen

Nb-Hf-W

Expansionskammern fur Steuerdusen

Nh

Diisen fur Raketenmotoren: Fliigel, Kanten und Spitzen von Raketen

W-gedopt, W-ThO?. W-25Re. W-3 Re (Tho,)

Gliihlampen- und Rohrenindustrie; Drehanoden in RontgenrShren

Mo-O,5 Ti-0,l Zr-O,5 C, Mo-12Ti-0,3 Zr-O,15 C, hochwarmfeste Bauteile, MetallguB-, -spritzund -formtechnik, Glasindustrie Mo-3OW, Ta-IOW-2.5 Hf-O,Ol C, Nb-IOW-I Zr-0.1 C I'a, Mo, W. Mo-3OW

chemische Industrie

W. Mo, Nb, Ta

Elektrotechnik, Ofenbau, Heizleiterdrahte. -bleche, Strahlungsbleche

Umformung wird der Werkstoff im Knallgasgeblase auf Temperaturen zwischen 1700 und 1800°C gehalten. Uber das Sinterschmieden hergestellte Schaufeln und andere Teile aus Mo sind fur heliumbetriebene Gasturbinen entwickelt worden. Obwohl mit Hilfe von Legierungszusatzen die Zeitstandfestigkeit der hochschmelzenden Metalle z.T. weiter erheblich verbessert werden konnte (Bild 6.13), ist ihre Verbrauchsrate als Konstruktionsmaterialien immer noch gering. So werden ungefahr 50% der Weltproduktion von W in der Hartmetallindustrie

El

Cr

I

Nb

01000% '200OC

Legierungen, 1OOOh

I

I

N b l O W I Z r 0 , l C (0-43)

&§ss3

TalOW

1 -

TalOW2.5HM.OIC (T-222)

= I $R\\\\\\m\\\\\\\\\\x

3

100

200

300

Mo0.5TiO.08ZrO. 0 15C (TZM)

1

MOO,1Nb0.5TiO.08Zr0.015C (Nb-TZM)

400

500

Zeitstandfestigkeit in MPa

600

Bild 6.13 Zeitstandfestig 99% zu Magnesitsteinen zu verarbeiten (hochreiner Magnesit). Fur besondere Anforderungen wird auch Schmelzmagnesia verwendet. Die Bindung geschieht durch Zusatz von Pech, wobei nach dem Ausbrennen der fluchtigen Bestandteile der Restkohlenstoffgehalt bei mindestens 4 YO liegen soll. Magnesitsteine zeigen eine vorziigliche chemische Bestandigkeit gegeniiber Eisenoxid, basischen Schlacken und Alkalien. Durch Zugabe von feinkornigem Chromerz, das im wesentlichen aus Chromit (FeO . Cr203)besteht, erhalt man Erzeugnisse mit noch groljerer Schlackenbestandigkeit bei gleichzeitig verbesserter Temperaturwechselfestigkeit und guter Volumenbestandigkeit. Die Feuerfestigkeit, ausgedruckt durch den T,.,-Wert, liegt meist etwas niedriger, da das Chromerz gleichzeitig Verunreinigungen einbringt. In der Praxis haben sich vor allem Mugnesitchromerz-Erzeugnissernit einem Cr20,-Gehalt von 10 bis 20 % bewahrt. Eine weitere Qualitatsverbesserung wird durch die Verwendung von Mischsinter, d. h. gemeinsames Sintern hochreiner Magnesitrohstoffe rnit Chromspinell erzielt. Neben den gebrannten Magnesia-Erzeugnissen gibt es auch ungebrannte Steine, die ihre Festigkeit uber eine chemische Bindung mittels Magnesiumphosphat, Natriummetasilicat u. a. erhalten. Die chemisch gebundenen Steine weisen bei 900 " C ein Festigkeitsrninimum auf; daruber setzt dann die keramische Bindung ein. Die ungebrannten Erzeugnisse kommen zum Teil blechummantelt als Hangedeckensteine oder fur das mortelfreie Verlegen zur Verwendung. Der Blechmantel verzundert, und das Eisenoxid reagiert rnit dem Stein zu Magnesioferrit (Schrnelzpunkt 1750"C). Auf diese Weise entstehen monolithische Wande rnit grol3erer Schlackenbestandigkeit. Durch Zusatz von Naturgraphit und RUB,Teerpech und polymeren Harzen und eventuell Trankung rnit Teerpech u. a. zu hochreiner und hochdichter Sintermagnesia werden kohlenstoffhaltige MgO-Erzeugnisse produziert, die nach einer thermischen Vorbehandlung bei 300 bis 500°C erst bei der Erstaufheizung im Einsatz verkoken. Das stabile Koksgerust verbessert die VerschleiB- und Temperaturwechselfestigkeit entscheidend. Diese Erzeugnisse werden vor allem in der Schwarzmetallurgie, z. B. in Elektrolichtbogenofen und Sauerstoffkonvertern eingesetzt. Auljer dem MgO (T, = 2 640 "C) hat auch das Calciumoxid Feuerfesteigenschaften (T, = 2570°C). Jedoch hydratisiert Calciumoxid an der Atrnosphare sehr schnell und zerfallt unter Volumenzunahme, weshalb es kaum eingesetzt wird. Die Verbindung von CaO und MgO dagegen, die in der Natur als Rohdolomit CaMg(C03)2haufig vorkommt und in der reinen Form einen Schmelzpunkt von 2300 " C aufweist, wird in groRerern Urnfang technisch genutzt. Durch Entsauern und Sintern in Schacht- oder Drehrohrofen (1600 bis 1800°C) wird aus dem Rohdolomit Sinterdolomit gewonnen, der gebrochen ais Stampfmasse in Ofen und Konvertern eingesetzt wird. Urn den Sinterdolomit lagerfahig zu machen und zu verhindern, daR er langsam hydratisiert, wird er rnit wasserfreiem Teer angemacht (Teerdolomit), der das Dolomitkorn vor der Luftfeuchtigkeit schutzt und aul3erdem Bindung und Verarbeitbarkeit verbessert. Der wahrend des Ein-

6.6

Feuerfeste Werkstoffe

26 1

satzes beim Verkoken entstehende Kohlenstoff verfestigt daruber hinaus das Erzeugnis und erhoht seine Verschlackungsbestandigkeit.Auch gebrannte Dolomitsteine konnen mit Teer getrankt und damit iiber Monate lagerfahig gehalten werden. Durch Zugabe von 10 bis 14% Si02 1aBt sich das freie CaO zu Tri- bzw. Dicalciumsilicat binden (stabilisierte Dolomitsteine) und die Hydratationsneigung verringern. Jedoch wird damit die Schlackenbestandigkeit und teilweise auch die Feuerfestigkeit verschlechtert. Zur Verbesserung der Haltbarkeit werden fur die Zustellung der LD-Konverter magnesiumreiche Dolomite [6.18] (MgO 54 bis 70%, CaO 46 bis 30%) als Stampfmassen oder fur Steine eingesetzt.

6.6.2.5 Feuerbeton

Im industriellen Ofenbau haben Feuerbetone [6.17] einen festen Platz eingenommen, und es existiert eine groBe Palette von Erzeugnissen rnit Anwendungsgrenztemperaturen von 700 " C bis 1500 " C. Feuerbeton besteht aus feuerfesten kornigen Stoffen, wie Schamotte, Korund oder Silica, wobei ein Teil davon feinstgemahlen (Mikrofuller) zur Erhohung der Kalt- und HeiBfestigkeit zugesetzt wird und einem Bindemittel, das chemisch oder hydraulisch erhartet. Die Mischung wird rnit Wasser angemacht und nach der Betontechnologie durch Stampfen, Rutteln oder GieBen zu Fertigbauteilen nach Art der GroBblockbauweise verarbeitet oder direkt in die Ofenschalung eingebracht. Die Vorteile dieser Technologie liegen in der Verkurzung der Bau- und Reparaturzeiten, in den geringeren Verarbeitungskosten sowie in einer groBeren Warmedammung infolge erhohter Porositat. Die Feuerfestigkeit des Feuerbetons wird vom Verhalten der Bindung bei hohen Temperaturen bestimmt. Als chemischer Binder kommt Natronwasserglas oder Phosphorsaure in Betracht. Als Beispiele seien genannt: Feuerbeton aus Schamottekornung rnit 15 bis 20% Wasserglas und 10 YONa2SiF, als Abbindebeschleuniger kann wegen des hohen Alkalianteils nur bis 900 "C zum Einsatz kommen. Mit 15 bis 30% Portlandzement hydraulisch gebundene Schamottekornung darf dagegen bis 1150 " C venvendet werden. Der auf Basis von Quarzit und Wasserglas hergestellte Silicatbeton ist auf Grund der starken Reaktion von Alkalien und Kieselsaure und der daraus resultierenden Verfestigung bis 1500 " C einsetzbar. Fur hohere Anwendungstemperaturen benutzt man Tonerdeschmelzzement als Bindemittel. Er wird hauptsachlich durch Schmelzen von Verbindungen des Aluminiumoxides und Calciumoxides im Lichtbogenofen hergestellt. Dabei bilden sich CaO . A1203,CaO . 2 Al,O, und a-Al,O,, von denen das Calciumaluminat hydraulische Eigenschaften hat sowie das Abbinden des Betons bewirkt und die anderen beiden Phasen die Feuerfestigkeit bedingen. Tonerdeschmelzzemente rnit 40% Al,O, sind bis etwa 1300°C und bei Einsatz hochwertiger Schamotte auch bis 1400 " C verwendbar. AuBerdem werden Tonerdeschmelzzemente rnit 70 bis 90% A1,0, erzeugt, deren Einsatztemperaturen unter Verwendung hochtonerdehaltiger Zuschlage (fur Edelkorund) bei 1550 bis 1800 "C liegen. Hydraulisch gebundene Feuerbetone haben eine Besonderheit, die es zu beachten gilt. Infolge der Entwasserung der Hydratphasen des Bindemittels beim Aufheizen sinkt die mechanische Festigkeit der erwarmten Zone des Steines ab (s. Bild 6.29); rnit dem Einsetzen der keramischen Bindung und Mineralneubildun-

262

6

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

Bild 6.29 Festigkeitsverlauf von Feuerbetonen mit unterschiedlicher thermischer Vorbehandlung (nach [6.161)

T mperotur

I Hciljfcstigkcit ungesintcrtcr Fcucrhetone 2 Festigkeit he] unterschicdlichen Tcmpcraturen vorpesinterter Feuerhetone. gepruft hci Raumtempcratur 3 HeiOfe\tigkeit von Feuerhetonen. die hei der Klaasifikation\teinpe~ilurvorge\intert wordcn sind

gen steigt sie jedoch wieder an, was fur zweiseitig befeuerte Feuerbetonelemente zu beachten ist. Feuerbetone haben eine gute Temperaturwechselfestigkeit (15 bis 25 Abschrekkungen und mehr). Gegen Schlackenangriff sind sie allein schon wegen der hohen Porositat von 29 bis 40% nicht besonders widerstandsfahig. Ihre Abriebfestigkeit ist ebenfalls schlecht. Durch Einsatz von Blahton, Leichtschamotte oder Huttenbims ist man auch in der Lage, warmedammende Feuerleichtbetone mit Rohdichten von 500 bis 1000 kg m-3 herzustellen. An dieser Stelle sollen noch die Stampfgemenge und Plustiks erwahnt werden. Das sind Massen aus Magerungsmitteln und feuerfestem Ton, die meist zu Reparaturzwecken eingesetzt und zur Verarbeitung mit Wasser angemacht werden oder bereits plastisch sind (Plastiks). Sie enthalten in der Regel kein chemisches oder hydraulisches Bindemittel, so daB die Festigkeit erst in der Nahe der Einsatztemperatur eine wesentliche Steigerung erfahrt.

6.6.3 Sonderkeramiken Von den Sonderkeramiken finden als Feuerfest- und Hochtemperaturwerkstoffe vorzugsweise die Oxidkeramik sowie die Siliciumcarbid- und Siliciumnitridkeramik technische Nutzung. Gegeniiber entsprechenden metallischen Werkstoffen haben die Sonderkeramiken den Vorteil einer geringeren Dichte sowie vor allem eines gunstigeren Hochtemperaturfestigkeits- und meist auch Hochtemperaturkorrosionsverhaltens. Von Nachteil sind ihre ausgepragte Sprodigkeit und das noch ungenugende Wissen uber die Zuverlassigkeit keramischer Bauteile. Will man jedoch die mit den Superlegierungen erreichte obere Arbeitstemperatur von etwa 1050 "C merklich uberschreiten, so besteht derzeit in einer Reihe von Fallen keine andere Alternative als der Einsatz von hochwarm- und zeitstandfesten Sonderkeramiken, der allerdings voraussetzt, da13 sich die Konstruktion den Nachteilen der Keramik anpant. Insgesamt gesehen werden fur komplizierter geformte Bauteile der Siliciumcarbid- und -nitridkeramik bzw. der SiC-Si,N,-Verbundkeramik

6.6

263

Feuerfeste Werkstoffe

die groBten Aussichten eingeraumt, z. B. auch als Konstruktionswerkstoff fur kleine Gasturbinen (Turbolader). 6.6.3.1 Oxidkeramik

Die Oxidkerumikerz gehoren zu den hochfeuerfesten Werkstoffen mit zum Teil bemerkenswerten Eigenschaften. Sie werden erreicht durch den Einsatz moglichst reiner Rohstoffe. Daher sind keramische Werkstoffe in der Regel nur aus einem Oxid aufgebaut. Die weitgehende Reinheit und der hohe Schmelzpunkt der Oxide (Tabelle 6.24) stellen an die Herstellung, insbesondere das Sintern, oxidkeramischer Erzeugnisse besondere Anforderungen. Tabelle 6.24 Eigenschaften einiger warmfester Oxide Schmelz- Mittlerer tempeAusdehnungsratur koeffizient zwischen 2 0 . . . 1500°C "C 10-7I(-'

SnOz > 1900 A1202 2050 Cr20., 2340 CaO 2560 Be0 2570 Zr02 2690 MgO 2800 HfOz 2840 Tho? 3300

40 82

Elastizitatsrnodul

Biegefestigkeit

GPa

MPa

MPa

240 300 ... 410

270.. . 300 140 . . . 180 110.. .3SO

110 . . . 140 35 ... 60 140 110.. ,270 160 . . . 180 160

-

-

7.00 2000 ... 4000 3.95 5.12 3.36 800.. . 1800 3.01 780 . . . 1600 5.56 840 . . _1400 358 9.68 10.00

100

-

138 98

-

~

IS0 71 101

140 ... 250

Druckfestigkeit

Dichte

Darnpfdruck bei 2000 c "

56 ... 110

g ~ r n - ~Pa -

3 ' 10-2 -

1 ' 10" 1 . 10-1 9 . lo-' 1 I&' 3 10 5 ' 10-1 I

Es werden synthetische Rohstoffe, die durch thermische Zersetzung von Carbonaten, definierte Fallung von Hydroxiden oder Fallung aus waBrigen alkoholischen Salzlosungen mit groBer spezifischer Oberflache und geringem Agglomeratgehalt erhalten werden, verwendet, da nur mechanisch zerkleinerte Pulver bei zu hohen Temperaturen sintern. Um porenfreie oxidkeramische Werkstoffe herstellen zu konnen, mu13 man in Wasserstoffatmosphare, im Vakuum oder bei gleichzeitiger Druckanwendung (HeiBpressen) sintern bzw. isostatisch heiB nachpressen. Sinterkorund 16.261 ist der verbreitetste oxidkeramische Werkstoff, der allein aus a-Korund besteht und daher keine Umwandlungen bei Temperaturerhohung zeigt. Sein To.,-Wert liegt bei 186O"C, so daB Sinterkorund bis 1800°C eingesetzt werden kann. Allerdings zeigt sich dann bereits deutliches Hochtemperaturkriechen, weshalb hier ein grobkristalliner Werkstoff (etwa 10pm KorngroBe) vorteilhafter ist. Bemerkenswert sind die hohe Harte ( s . a. Abschn. 4.4.1) sowie die grolje VerschleiB- und Druckfestigkeit (Tab. 6.24), die auch fur hohere Temperaturen noch beachtlich sind; z. B. betragt die Druckfestigkeit bei 1400°C noch 250 MPa. Sie laBt sich weiter verbessern, wenn durch Verwendung sehr reiner Rohstoffe und Zugabe von MgO das diskontinuierliche Kornwachstum beim Sintern unterdruckt wird und das Gefuge feinkristallin bleibt. Fur eine Kristallitgrolje von 1 bis 3 pm sind fur Raumtemperatur Spitzenwerte der Druckfestigkeit

264

6

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

von 5000 MPa erreicht worden. Die Temperaturwechselfestigkeit des Sinterkorunds lafit jedoch trotz der relativ guten Warmeleitfahigkeit (bei 20 "C 30 Wm-1K-* und bei 1000" C 7,5 Wm-1K-1) zu wunschen ubrig. Der Grund hierfur ist der grofie Ausdehnungskoeffizient von 82 . 10-7 K-1. Uber die feindisperse Einlagerung von ZrO, (oder anderen geeigneten Nichtmetallen) in die Al,O,-Grundmasse laf3t sich die Festigkeit und noch mehr die Bruchzahigkeit der Sintertonerde wesentlich steigern. Dies ist darauf zuruckzufuhren, daB im Verlaufe der Abkuhlung von Sintertemperatur das tetragonale in das volumenreichere monokline Z r 0 , umwandelt, wodurch in unmittelbarer Umgebung der Zr0,-Teilchen zahlreiche energieabsorbierende Mikrorisse entstehen (s. a. Abschn. 4.4.1). Zum anderen bilden sich bei der Umwandlung in der Al,O,-Matrix um die Zr02-Partikeln Druckspannungszonen aus, die die Festigkeit erhohen [6.16], [6.17]. Welcher Mechanismus dominiert, hangt von der Zr02-TeilchengroRe ab. Der spezifische elektrische Widerstand betragt bei 1000°C etwa 106 R m und fur 1700°C noch l o 4 Rm. Diese Werten werden nur vom Berylliumoxid ubertroffen. Daher wird Sinterkorund auch zur elektrischen Isolierung bei hoheren Temperaturen (Heizleitertrager, Zundkerzen) benutzt. Die chemische Bestandigkeit ist sehr gut; Korund gehort zu den stabilsten Oxiden. Sodaschmelzen, Glas- und Schlackenflusse greifen den Sinterkorund bei hoheren Temperaturen nur langsam an. Er wird von Wasserstoff, Metallen oder Kohlenstoff nicht reduziert und eignet sich daher ausgezeichnet als Tiegelmaterial zum Schmelzen reiner Metalle. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften und die hohe Verschleififestigkeit (s. a. Abschn. 8.2.5.) haben den Sinterkorundmaterialien (nicht nur im Hochtemperaturbereich) weitere Einsatzgebiete erschlossen. So werden Dosierventile, PreRdusen und spezielle Lagerschalen (Luftfahrt) oder Pumpenkolben aus ihnen hergestellt. Ihre Eignung als Huftgelenkersatz ist erprobt. Fur Brennerrohre in Na-Dampflampen findet transparente Tonerdekeramik Verwendung. Sie entsteht, wenn als Rohstoff hochreine Tonerde in Wasserstoffatmosphare zu einem porenarmen Korper mit moglichst grobem Korn gesintert wird. Magnesirtmoxid hat einen noch hoheren Schmelzpunkt als A1203. Nichtsdestoweniger gelingt es, das MgO schon ab 1400°C dicht zu sintern. Es wird ahnlich wie Korund zur Elektroisolation bei hohen Temperaturen (spez. elektrischer Widerstand bei 1700°C noch 4 . 102 Qm) sowie als Tiegelmaterial fur basische Schmelzen eingesetzt. Wegen des hohen Ausdehnungskoeffizienten ist die Temperaturwechselfestigkeit dieses Werkstoffes niedrig. Formlinge aus Sinterspinell (MgO .A1,0,) erreichen ahnliche mechanische Eigenschaften wie Sinterkorund. Da er basischer als Tonerde ist, hat der Scherben gegen basische Stoffe vielfach eine grofiere Widerstandsfahigkeit. Zirconiumoxid kommt in den Modifikationen monoklin, tetragonal und kubisch vor. Bei Raumtemperatur und daruber ist der monokline Baddeleyit existent, der sich reversibel bei 1100°C unter Volumenabnahme (etwa 8%) in die tetragonale Modifikation umwandelt. Uber 2300°C entsteht in reinem ZrO, die kubische Form. Um eine Zermurbung des Gefuges infolge der Volumenzunahme bei der Abkuhlung zu verhindern, gibt man Zusatze von 10 bis 20 Mol-% CaO oder MgO bei, die die kubische Form mit Anionenleerstellen bilden und diese stabilisieren. Dieser vollstabilisierte Werkstoff (FSZ) weist jedoch ein grobkorniges Gefuge und damit geringere mechanische Festigkeit auf. Seine Temperaturwechselfestigkeit ist deutlich besser als die des Sinterkorunds. Die Feuerfestigkeit ist

6.6

Feuerfeste Werkstoffe

265

so gut, daB Einsatztemperaturen bis 2300°C in Betracht kommen. Da ZrOz gegen saure Schlacken und Metallschmelzen bis zu hochsten Temperaturen bestandig ist, wird es fur Tauchthermoelemente, Schutzrohre und als Tiegelmaterial verwendet. Durch eine Teilstabilisierung (PSZ) mit MgO oder Y z 0 3 scheiden sich beim Abkuhlen aus einer kubischen Matrix tetragonale Zr0,-Teilchen aus, die bis zur Raumtemperatur stabil bleiben und sich erst bei mechanischer Belastung lokal an RiBspitzen in die monokline Form umwandeln. Sie vergrol3ern dabei ihr Volumen und hemmen dadurch den RiBfortschritt. Derartige Werkstoffe sind feinkristallin und haben eine gute RiBzahigkeit und hohere Festigkeit: Biegefestigkeit 600 MPa (durch heifiisostatisches Nachpressen bis 2400 MPa), Bruchzahigkeit K,, bis 16 MPa m"2, Weibullzahl > 20. Die praktische Nutzung derartiger Erzeugnisse ist infolge hoher Rohstoffkosten und komplizierter Technologie nur in Sonderfallen gegeben. Thoriurnoxid mit einem Schmelzpunkt von 3300°C ist hochfeuerfest und 1aBt sich durch Zusatz von CaF, sintern. Wegen des grol3en Ausdehnungskoeffizienten (siehe Tabelle 6.24) ist es gegen Temperaturwechsel sehr empfindlich. Es wird in oxidierender Atmosphare oder im Vakuum als Tiegelwerkstoff zum Schmelzen hochschmelzender Metalle benutzt.

6.6.3.2 Siliciumcarbid

Die im Vergleich zu anderen Sonderkeramiken hervorstechende Eigenschaft des S i c ist seine gute Warmeleitfahigkeit (Tab. 6.25). Damit ist das SIC imstande, einen Teil der bei Temperaturschockbehandlung ausgelosten Spannungen durch WarmefluB auszugleichen. Allerdings ist sein Warmeausdehnungskoeffizient relativ grol3, ca. 45 . 10-7 K-1, so daB die TWB zwar weitaus besser als die der Sintertonerde, aber schlechter als die des Siliciumnitrids ist. Das Siliciumcarbid schmilzt bei 2830°C inkongruent; ab 2000°C kann man jedoch bereits Dissoziation beobachten. Das handelsubliche SIC (Carborundum) ist die hexagonale Modifikation (a-Sic), die durch Verunreinigung grun bis schwarz gefarbt ist. Siliciumcarbid beginnt bereits oberhalb 800°C zu oxidieren, wobei sich eine Si0,-Schutzschicht bildet, die die weitere Oxidation hemmt. Wird diese zerstort, indem z. B. Fe20,-reiche oder basische Schmelzen das S i 0 2auflosen, dann tritt starker Abbrand ein, der sich aber durch Einbinden des Korns mit Ton verringern 1aBt. Das Erzeugnis darf dann jedoch keiner reduzierenden Atmosphare ausgesetzt werden, da sonst die SO,-Schutzschicht reduziert wird. Der SiCGehalt solcher tongebundener, grobkorniger Siliciumcarbidwerkstoffe liegt zwischen 50 und 90 % . Die gute Warmeleitfahigkeit des SiC-Korns verleiht ihnen auch eine ausreichende Temperaturwechselbestandigkeit. Sie werden fur die Herstellung von Muffeln sowie als Tiegelmaterial, Brennhilfsmittel und Steinmaterial fur Kesselfeuerungen genutzt. Die Anwendungsgrenze liegt je nach dem SiC-Gehalt zwischen 1500 und 1700"C, die Warmeleitfahigkeit in diesem Temperaturgebiet zwischen 4 und 12 Wm-I K-1; 90%ige SiC-Erzeugnisse weisen Druckfestigkeiten von 80 bis 100 MPa auf und sind sehr abriebfest. Porenarme bis praktisch porenfreie Teile kann man durch HeiBpressen herstellen. Fur feindisperses S i c (< 0,2 pm) benotigt man 1400°C und erhalt 98% der theoretischen Dichte. Grobere Pulver (1 pm) konnen nur durch sinterfordernde Zusatze, wie Al, B und/oder deren Kohlenstoff- bzw. Stickstoffverbindungen oder durch hohere HeiBpreBtemperaturen zur gleichen Dichte gebracht werden.

6

266

Werkstoffe f u r h o h e Tempcraturcn

Beim weniger aufwendigen drucklosen Sintern wird die Verdichtung und Verfestigung durch eine sog. Selbstbindung erreicht, indem man Teer oder Kohlenstoff und Silicium zur Sic-Kornung zumischt und in CO-Atmosphare bei 2000°C sintert. Dabei bildet sich sekundares S i c (Rc.aktionssinrern), was die Verfestigung bewirkt (Biegefestigkeit etwa 450 MPa). Eine weitere Steigerung kann durch Tranken mit Si oder durch Si-Dampfbehandlung erfolgen. ReLrktionsgesintertes S i c verliert ah 1300°C deutlich an Festigkeit, wahrend das sog. rekristallisierte S i c bis 1500°C keinen Festigkeitsverlust erleidet. Letzteres wird durch langes Sintern bei 2300°C erhalten. Es findet als Brennhilfsmittel in der Porzellanindustrie Verwendung und dient z. B. zum Aufhangen der Langstabilisatoren auf den1 Brennwagen. Bild 6.30 informiert uber das Festigkeitsverhalten und Tabelle 6.25 uber weitere Eigenschaften verschiedener Sic-Typen. Die porosen Arten sind fur sehr hohe Temperaturen von Interesse, da sie dort ein gunstigeres mechanisches Verhalten zeigen. Ahnliche Festigkeitseigcnschaf-

&OOl MPa mm4

I'

\

0

ZOO LOO 600 800 1000 1200"clWO Tmperatur

Temperator

h) Bild 6.30 Bicgehruchlestigkeit a ) und Bruchziihigkeit h ) vcrschiedener Sonderkcramikcn (nach (6.121 u n d Firmenschriften Rosenthal Technik AO)

a)

I hcil3pcprcl3te\ Si,N, 7 heiKpeprcl3tc\ Sic' 3 sclhs~!chundciics St('

4 reahti~in\pe\intcrte..Si;N, 5 rekri\talli\im-tc\ SIC'

Tabcllc 6.25 Eigenschaften von Siliciumcarbid- und Siliciumnitridkeramiken (nach 16.211 und 16.221) Dichte

Biegchruch-

E-Modul

lcst igk ci t

gem?

MPa

G Pa

Oxidgebundcncs S i c Nitridgcbundencs S i c

2.4 2.4

30 (10)

50

50 ( 6 0 )

150

Rckristallisicrtes S i c Si I ici umi n fil t rier t es Si C

2.6 3.1 3.15

100 ( 130)

210

300 ( 3 5 0 )

350 400 440 80 . . . 200 260 . .. 310 290 . . . 32s

Drucklos gcsintertes S i c

450 (450)

600 ( 6 0 0 ) HeiBgeprcl3tcs Sic 3.2 Re~iktionsgcsintertcsSI;N, 2.3 _ . 2.8 150 . . . 300 Gcsintcrtcs Si3N, 3.2 ... 3.3 400 . .. 7.50

HciOgeprcl3tcs Si,N4 Wcrtc

in

Kliimmcrn lur 1 0 0 0 ° C

3,l ... 3.3 600 . . . 850

Warmeleitfiihigkeit W (mK)-l

max. Einsatztcmperotur

5 5 . . .10 25 (20) 150 (40)

1450 . . . 1550

"C

I500 1600

1350 . . . I400

100 (40)

1650

100 (40)

1650

4...13

30 '.. 40 30 . . . 40

6.6

Feuerfeste Werkstoffe

267

ten und eine verbesserte TWB sowie Oxidationsbestandigkeit haben Sic-Si,N,Verbundkeramiken, bei denen das Siliciumnitrid als Bindephase vorliegt. Dazu wird Si zugemischt, gepreBt und im Stickstoffstrom bei 1500°C gesintert, wobei das Si in Si,N, ubergeht. Die Siliciumcarbidverbundkeramik wird als Futter fur Verbrennungskammern und Warmetauscher, fur Brennerdusen, fur AuslaBkegel von Raketentriebwerken oder in anderen Fallen extremer Hochtemperaturbeanspruchung eingesetzt. Bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften (Bild 6.30) zeichnet sich die Siliciumnitricikeramik gegenuber dem Siliciumcarbid durch einen niedrigen Warmeausdehnungskoeffizienten (30 bis 32.10-7 K-') und deshalb durch eine bessere TWB (s. Tab. 6.25), vor allem jedoch durch eine weitergehende Korrosionsbestandigkeit aus. Sie findet deshalb vorzugsweise als korrosionsbestandiger Hochtemprraturwerkstoff technische Anwendung.

6.6.3.3 Siliciumnitrid Siliciumnitrid wird von zahlreichen Metallschmelzen, zumindest im Vakuum oder Schutzgas, nicht angegriffen; Schmelzen der Ubergangsmetalle (Fe, Co, Ni, Cr) zerstoren es unter Bildung von Siliciden und Stickstoff. Es ist resistent gegen Sauren, ausgenommen FluBsaure, sowie gegen viele Salzschmelzen. In reinem Stickstoff und in Edelgasatmosphare ist Si,N, annahernd bis zur Dissoziationstemperatur von 1900 "C bestandig. Unter oxidierender Atmosphare bildet sich eine Si0,-Schicht, die das Si,N, vor weiterer Oxidation weitgehend schutzt. Die Massezunahme betragt z.B. nach lOOh bei 1100°C nur 1 mgcm-2. Selbst bei 1600 " C kann noch von einer sehr guten Oxidationsbestandigkeit gesprochen werden. Bestimmend fur das Oxidationsverhalten ist die mit der Temperatur zunehmende Geschwindigkeit der Sauerstoffdiffusion durch die Schicht. Das Kriechverhalten der Siliciumcarbidkeramik wird, wie Bild 6.31 fur ein allerdings weniger dichtes, reaktionsgesintertes Si,N, zeigt, von den Oxidationsvorgangen offensichtlich schon bei niedrigerer Temperatur spurbar beeinflufit. Die Siliciumnitridkeramik kommt heiBgepreBt oder im reaktionsgesinterten (reaktionsgebundenen) Zustand zur Anwendung. Im letztgenannten Fall wird das - je nach Anwendungszweck - mit Hilfe verschiedener Verfahren zu Formteilen verdichtete Siliciumpulver (Tabelle 6.26) bei etwa 1400°C im N2- oder NH,-Strom gesintert und dabei in Siliciumnitrid uberfuhrt. Dabei wachsen die Poren ohne starkere Anderung der auBeren Abmessungen des Formteiles zu, da das spezifische Volumen von Si,N, groBer als das von Si ist. In einem Zwischenstadium der Nitrierung ist das Material noch spanabhebend bearbeitbar, so daR daraus auch Prazisionsteile mit Toleranzen bis 0,l % gefertigt werden konnen. Werkstoffe mit hoherer Oxidations- und Korrosionsbestandigkeit gegenuber Sauren, Laugen und Schlacken werden durch Zusatz von A1,0, erhalten, wodurch in das Si,O,-Gitter teilweise Al und 0 eingebaut werden ( S A L O N Keramik). Die Siliciumnitridkeramik kann Dauertemperaturen bis 1300°C ausgesetzt werden. Deshalb ist sie als Konstruktionswerkstoff fur Bauteile der Aluminium-, Messing-, Blei-Zinn-, Zink- und Magnesium-GieBereitechnik pradestiniert. Als solche kommen uber die in Tab. 6.26 genannten Beispiele hinaus in Betracht: Steigrohre, GieRrinnen und Schmelzwannenauskleidungen, Schwimmer, GieBstopfen, Dosierventile, GieljpfannenverschluBsysteme, Schmelztiegel, Bauteile

6

268

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

Zeit

7300"C

0

60

720

180 Zeit

min 300

0

0

60

720

180 min

Zeit

300

Bild 6.31 Kriechverhalten von reaktionsgesintertem Siliciumnitrid nicht zu hoher Dichte (mcist 2.1 1 bis 2,26 g em-?) in Luft (durchgezogen) und im Vakuum (gc'strichelt) bei verschicdencn Tempcraturen (nach G. Grnthwohl und 15 Thiimmler)

Tabelle 6.26 Methoden der Formgebung von Siliciumpulvern und Moglichkeiten des Einsatzcs dcr daraus gefertigten Siliciumnitridbauteile (nach 16.231) Formgebungsverfahren fur Siliciumpulver

Einsatzmiiglichkeiten fur Siliciumnitridkeramik

Strangpressen zur Herstellung von Rohren in eincm wciten Bereich von Wandstiirke. Durchmcsser und LBnge

Gaseinleitungsrohre fur die Aluminiumindustrie. Thermoelementschutzrohre. Warmetauschermodule

Isostatisches Pressen mit evtl. Nachbcarbeitung in vornitriertcm Zustand bei Prizisionsteilen Pressen von Massenformteilen in Matrizcn mit Obcr- und [Jnterstempel

Brennkammerrohre, Zubehorteile von Gasturbinen. HcilJgaslager. HeiBpreBmatrizen Giel3dusen. Ventilsitze. Isolierteile. Stranggul3dusen, Gasbrennerdusen

SpritzguB zur Herstellung kompliziert geform- Turbinenschaufeln, Dichtungen. Vcntilc f u r Siiurepumpen, SchweiRdusen ter Bautcilc in groRen Stuckzahlen

6.6

Feuerfeste Werkstoffe

269

fur SpritzguB, Kokilleneinsatze u. a. Als weitere Anwendungsfalle werden Rekuperatoren fur die Warmeruckgewinnung aus Gasen und Flussigkeiten bis uber 1000°C sowie Mischer fur Gas und Flussigkeiten genannt [6.24]. Gleitringdichtungen fur Saurepumpen werden mit Erfolg eingesetzt. Daruber hinaus wird ein breiter Einsatz im Motorenbau, z. B. fur Ventile oder Kolbenringe, angestrebt.

6.6.4 Kohlenstofferzeugnisse Werkstoffe aus Kohlenstoff haben wegen ihrer hohen Temperaturbestandigkeit, der bemerkenswerten elektrischen, thermomechanischen und chemischen Eigenschaften sowie nicht zuletzt aus Grunden der Materialokonomie vielfaches technisches Interesse gefunden (s.a. Abschn. 7.17). Ihren Eigenschaften nach nehmen sie eine Zwischenstellung zwischen den Metallen und Nichtmetallen ein. Haufig werden sie deshalb dort eingesetzt, wo diesen Stoffgruppen eigene Eigenschaften in einem Material gefordert werden. Die Hauptmenge der Kohlenstoffwerkstoffe wird in Anlehnung an die keramische Technologie aus Koksen und Naturgraphit hergestellt. Fur spezielle Zwecke werden Sonderkohlenstoffwerkstoffe, wie glasartiger Kohlenstoff, Pyrographit und Kohlenstoffasern durch Pyrolyse ausgewahlter Kohlenwasserstoffe oder durch Sinterung reiner Graphite erzeugt. In der Natur sind zwei kristalline Modifikationen des Kohlenstoffs bekannt: der kubische Diamant und der hexagonale Graphit. Die stabilste Modifikation ist Graphit. Diamant zerfallt bei etwa 2000°C in Graphit. Graphit hat ein ausgesprochenes Schichtgitter, in dem die Atome innerhalb der einzelnen Schichten starker, von Schicht zu Schicht jedoch schwacher aneinander gebunden sind, woraus die leichte Spaltbarkeit sowie die guten Gleiteigenschaften des Graphits und seine Verwendung als Hochtemperatur-Schmiermittel resultieren. AuBerdem spricht man von amorphem Kohlenstoff, der eigentlich nicht amorph ist, sondern aus einigen ,urn-groBen Kristalliten mit Graphitstruktur besteht. Beim Erwarmen uber 2000 "C wachsen die Kristallite, die Schichten glatten sich, und es entsteht Graphit. Dieser ProzeB wird Gruphitierung genannt. Die thermische Ausdehnung aller Kohlenstoffwerkstoffe ist gering. Sie liegt unter 4 . 10-6K-1. Mit steigender Temperatur erhoht sich der Ausdehnungskoeffizient nur wenig. Beim Erwarmen von Steinen aus amorphem Kohlenstoff uber die Brenntemperatur hinaus treten Schwindungserscheinungen auf, die die thermische Dehnung bei weitem kompensieren konnen. Die Schwindung ist auf die Umwandlung in Graphit zuruckzufuhren (Dichte steigt von 1,88 auf 2,07 gcm-3). Stark graphitierte Materialien zeigen keine Nachschwindung. Dank der guten Warmeleitfahigkeit, des relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und des kleinen E-Moduls (Tab. 6.27) ist auch die TWB der Kohlenstofferzeugnisse gut. Die thermische Bestandigkeit von Kohlenstoffen ist an sich sehr hoch. Sie wird aber durch das umgebende Medium, vor allem den Sauerstoff der Atmosphare, und andere oxidierende Stoffe stark herabgesetzt (s.a. Abschn. 7.17). Die Schmelztemperatur von Graphit ist nicht genau bekannt. E r sublimiert bei normalem Druck ab etwa 3500°C. Die Festigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu, jedoch beginnen Graphiterzeugnisse ab 2500°C und nichtgraphitierte Kohlenstofferzeugnisse ab 1900"C unter Belastung zu flieBen. Die Kohlenstoffwerkstoffherstellunggeht von auf unterschiedliche Kornungen gemahlenem Koks, unter Umstanden mit Graphit- und Anthrazitzusatz, aus, der

270

6

Werkstoffe fur hohe T e m p e r a t u r e n

Tabelle 6.27 Eigenschaften von Kohlenstoffwerkstoffen (nach [ 6 . 2 5 ] ) Eigenschaft

GroRkohlenFormkBrpergraphit stoffst ranggesen kisosta tisch erzeugnisse gcpreRt gepreBt gepreI3

KBrnung. max. Durchmesser in mm Rohdichte in gem Druckfestigkeit in MPa Biegebruchfcstigkcit in MPa E-Modul in GPa Wirmeleitflhigkcit in W m-l K I Spez. elektr. Widerstand in 10-6 Qm Therm. Ausdchnungskoeffizient in 10 ‘lK-1

20 1-55 . . . I ,X3 20 . . . 85 5 . . . 40 4 . . . 6,s

60 . . . 175 1 0 . . . 24

1.8 . . . 3.2

0.7 I .70 40 . . . 37 IS . _ _25 5 . . . 15 I I h _ . .209 5 . . . 12 1.0.. . 2.9

0.1 1.xo 72 . . . 80 32 _ _ _ 40 7 . . . 10 75 _ _ _ 93 14 . . . 18 2.4 . . . 2.X

0.1 I .x3 X4 35 x.5 X7 15 2.5

mit einem Bindemittel (meist Steinkohlenteerpech) vermischt und plastifiziert sowie durch Pressen geformt wird. Danach werden die Rohlinge bei maximal 1400°C gebrannt. Wahrend des Brennens geht das hochkohlenstoffhaltige Bindemittel in den festen Zustand uber und bindet die Ausgangsfeststoffkomponenten ein (Pyrolyse). Bei bestimmten Qualitaten, die einen hohen Graphitanteil aufweisen sollen, werden die Formkorper anschlieknd noch im direkten Stromdurchgang auf maximal 3000°C erhitzt (Gruphitierwzg). Als Folge dessen werden die elektrische sowie die thermische Leitfahigkeit verbessert, die Harte jedoch nimmt ab. Kohlenstofferzeugnisse werden sowohl als kompakte Formteile wie auch als Stampfmassen verarbeitet. Hervorzuheben ist, da13 sich gebrannte und noch besser die weniger harten graphitierten Erzeugnisse spanabhebend bearbeiten lassen. Beispielsweise konnen mit so endbearbeiteten Blocken Ofen und Behalter ausgebaut werden, ohne daB groBe Fugen entstehen und Mortel verwendet werden mul3. Im Maschinen- und Anlagenbau werden vor allem gruphitierte Kohleristofferzeugnisse z. B. als Elektroden fur Lichtbogenofen und Elektrolyseanlagen, als Warmetauscher, Rohrleitungs- und Behalterauskleidungen in der chemischen Industrie, als feuerfeste Baustoffe fur Herde von metallurgischen Ofen sowie als Reflektor- und Moderatorwerkstoff in Kernreaktoren eingesetzt. Nutzungsbeispiele fur Fomzkorprrgruphit sind Bursten in rotierenden Elektromaschinen, Dichtungen, Lager (s.a. Abschn. 9.2), Matrizen fur das HeiBpressen (Drucksintern) und Kokillen zum StranggieBen. Die Eigenschaften der Erzeugnisse hangen in hohem MalSe von der Reinheit, der physikalischen Beschaffenheit und der Kornung der Ausgangssstoffe sowie von den Verarbeitungsbedingungen, insbesondere vom Formgebungsverfahren ab (Tab. 6.27). Die meistens angewendete Formgebung durch Strangpressen oder Gesenkpressen bedingt eine Gefugetextur und damit eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften, derzufolge die Eigenschaftswerte in Abhangigkeit von der Lage der Beanspruchungsrichtung zur vorzugsweisen Kornorientierung uber einen g r o k r e n Bereich streuen. Vielfach trifft man noch - neben anderen - eine Einteilung in C r o p -und Kleinkohlensto~i.rzeugnisse an, die sich auf die Abmessungen und die Kornung (max. Kornung 20 mm bzw. etwa 1 mm) bezieht. Mit der Einfuhrung des isostatischen Pressens wurden jedoch die abmessungsbedingten Schranken fur feinkornige Kohlenstofferzeugnisse aufgehoben. Beim isostatischen Pressen wird auch die Texturbildung vermieden.

6.6

Feuerfeste Werkstoffe

27 1

Die Herstellung von Sonderkohlenstoffwerkstoffen geht von Kohlenwasserstoffen aus, die thermisch zersetzt werden (Pyrolyse). So lassen sich durch Pyrolyse spezieller Cellulose- oder anderer organischer Fasern Kohlenstoffasern gewinnen, die eine Festigkeit von 1200 bis 2800MPa bei einem E-Modul von 175 bis 400 GPa aufweisen. Sie werden zur Verstarkung von Polymeren, Glas und Keramik sowie fur Gewebe und Filze verwendet. Glasarriger Kohlenstoff kann durch die Pyrolyse von Duromeren erhalten werden. Die Bezeichnung glasartig charakterisiert das Aussehen, die Dichtheit und die Sprodigkeit des Werkstoffes, nicht aber seine Struktur. Wird der bei der Pyrolyse gasformiger Kohlenwasserstoffe gebildete Kohlenstoff auf heiBen Flachen niedergeschlagen, so entsteht Pyrokohlenstoff (bei 1500 bis 1700°C) oder Pyrographir (uber 2000°C). Durch die Ausscheidung von Pyrokohlenstoff bzw. -graphit auf konventionelle Kohlenstofferzeugnisse laBt sich deren Oxidationsbestandigkeit verbessern. Die Sonderkohlenstoffmaterialien werden vor allem in der Kern- und Raumfahrttechnik, in der Halbleiterindustrie und als Hochtemperaturwerkstoffe eingesetzt. Die ausgezeichnete chemische Bestandigkeit des Graphits gegenuber Metallschmelzen und Schlacken wird zur Herstellung tongebundener Graphiftiegelund -steine genutzt. Zu diesem Zweck wird grobflinziger Naturgraphit mit 40 bis 60% feuerfestem Ton gemischt, mit Wasser plastifiziert, geformt und bei 1400°C gebrannt. Im Einsatz schutzt die Schamotte den Graphit vor der Oxidation durch den Sauerstoff der Ofenatmosphare, wahrend der Graphit den Angriff der Schamotte durch die Schlackenschmelze hemmt. Graphittiegel werden z. B. in der GieBereiindustrie verwendet.

Literaturhinweise

[6.9] [6.10] [6.1 I ]

[6.12]

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272

6

Werkstoffe fur hohe Temperaturen

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7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

Nach Schatzungen liegen die durch Korrosion verursachten volkswirtschaftlichen Verluste in der GroBenordnung von mehreren Prozent des Bruttosozialproduktes. In sie gehen nicht nur die direkten Schaden - Zerstorung von Maschinen, Apparaten, Rohrleitungen u. a. -, sondern auch Folgeschaden, wie sie durch Betriebsstillegungen infolge des Ausfalls von Aggregaten eintreten, sowie die Kosten fur vorbeugende KorrosionsschutzmaBnahmen,wie Anstriche, Anstricherneuerungen usw., mit ein. Uber Ursachen von Schadigungen sowie ablaufende Mechanismen existiert ein umfangreiches Wissen [7.1]. Eine genaue Voraussage jedoch, wie sich ein unbekannter Werkstoff in einem gegebenen Medium verhalt, ist bis heute nicht moglich. Aus diesem Grund konnen verlaBliche Daten nur im Laboratorium oder unter betrieblichen bzw. betriebsnahen Bedingungen ermittelt werden [7.2] bis [7.17]. Diesem Sachverhalt Rechnung tragend, werden im folgenden fur den Einsatz in korrosiven Medien in Betracht kommende polymere, metallische und silicattechnische Werkstoffe behandelt und ihr Korrosionsverhalten, wie es sich im einzelnen, speziellen Fall darstellt, beschrieben. Eine Ubertragung auf andere oder ahnlich gelagerte Falle ist nur bedingt moglich. Die Darlegung geschieht sowohl vom Standpunkt des aktiven (Werkstoffwahl, Anderung der Werkstoffzusammensetzung) als auch des passiven Korrosionsschutzes (Anwendung von Schutzschichten). Wetterfeste Stahle (Abschn. 3.1.6) sowie warmfeste und oxidationsbestandige Werkstoffe (Abschn. 6.2) sowie Federstahle fur korrosive Beanspruchung (Abschn. 10.2.3) werden an anderer Stelle erortert.

7.1 Polymerwerkstoffe Die Bestandigkeit eines Polymeren gegenuber korrosiv wirkenden Medien hangt in entscheidendem MaBe vom chemischen Aufbau der Makromolekule und ihrer Struktur sowie in bestimmtem Umfang auch von den in fast allen technischen Polymeren enthaltenen Zusatzstoffen (Full- und Verstarkungsstoffe, Weichmacher, Farbstoffe, Stabilisatoren) ab. In noch ausgepragterer Weise als fur metallische Werkstoffe gilt bei Polymeren die Erfahrung, daB fur die Eignung unter gegebener korrosiver Beanspruchung zwar quantitative Schlusse gezogen, aber wegen der Vielzahl der EinfluBgroBen keine Verallgemeinerungen getroffen werden konnen. Deshalb ist es im Einzelfall immer angeraten, die von den Werkstoffherstellern angegebenen Kennwerte, die meist in Bestandigkeitstabellen mit Angabe von Konzentration und Temperatur der einwirkenden Medien zusammengefaBt sind, heranzuziehen. Im allgemeinen beeinflufit bei Polymerwerkstoffen das Eindiffundieren von Medien die Eigenschaften weitaus starker

7

274

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

als bei metallischen Werkstoffen, da bei diesen die Wirkung gewohnlich auf den oberflachennahen Bereich beschrankt bleibt.

7.1.1 Wichtige Korrosionserscheinungen Eine grofiere Anzahl von Polymerwerkstoffen hat die als Qitellrn bezeichnete unangenehme Eigenheit. durch Aufnahme von Dampfen oder Flussigkeiten das Volumen zu vergrofiern (Bild 7.1). Der Quellvorgang kann, wenn infolge einer Entmischung ein gequollenes Gel mit einer Losung im Gleichgewicht steht, begrenzt oder. wenn der Festkorper schliefilich in eine homogene Losung ubergeht, unbegrenzt sein. I n jedem Falle ist er mit einer Anderung der Polymerenstruktur verbunden. Im Gegensatz zu solchen (inaktiven) Medien, die nur in dem Mafie, wie es die Porositat und die spezifische Oberflache erlauben, sorbiert werden und die keine Quellungen sowie Strukturveranderung verursachen, werden diejenigen, deren Einwirkung zu einer Volumenzunahme fuhrt, als aktive Mittel bezeichnet.

PolYethYlen.PolYisobutylen, Polystyren. Polypropylen. Polytetrafluorethylen: unquellb

I ID'

2

I

I I IIIII

I

4

2

6

8 10'

I

I I IIIII 6 B lo3

4

I 2

1

1 4

6mgB loo6

Wasseraufnahme

Bild 7.1 Richtwerte fur die Wasscraufnahrne verschiedcner Polyrnerwerkstoffe. heyogen nuf gleiche Prufkiirper. nach 4 Tagen bei 20°C

Bei genugend langer Einwirkung des Quellmittels kommt es zur Sattigung. Sie wird um so eher erreicht, je grofier der Diffusionskoeffizient des Werkstoffes fur das eindiffundierende Medium, je groRer das Oberflachen-Volumen-Verhaltnis des Formteiles und j e hoher die Temperatur ist. Die Eigenschaftsanderungen, wie Mafianderungen, Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften u.a.. haben zur Folge, dafi zur Quellung neigende Werkstoffe fur viele praktische Anwendungen unbrauchbar sind. Nur in wenigen Fallen la& sich die Quellung ohne bleibende Werkstoffschadigung ruckgangig machen (,,Austrocknung").

7. I

Polymerwerkstoffe

275

Das gleichzeitige Einwirken von aktiven oder inaktiven Mitteln und auBerer mechanischer Beanspruchung bzw. inneren Spannungen kann auBerdem zu Spannungsri~korrosionfuhren. Der Grad der Quellung und damit der Eigenschaftsanderung hangt von der Polaritat des Polymeren und des Mediums ab. Wahrend unpolare Polymere, wie Polyethylen oder Polystyren, in nichtpolaren Medien (Benzin, Benzen) quellen oder sogar gelost werden, sind sie gegen polare Medien (Alkohole, Wasser) resistent. Dagegen werden Polymere mit polaren Gruppen (z. B. Polyamide) umgekehrt von polaren Medien gequollen oder gelost, nicht aber von unpolaren. Von der Quellung sind wegen der unvernetzten Struktur alle Thermoplaste und auch die nur schwach vernetzten Elastomere betroffen. Auf Grund ihrer groneren Ordnung und der dadurch bedingten starkeren zwischenmolekularen Wechselwirkungen quellen kristalline Bereiche langsamer und schwacher. Infolgedessen konnen Bauteile, die amorphe Randschichten und ein weitgehend kristallines Inneres aufweisen (beispielsweise nach rascher Abkuhlung von SpritzgieBtemperatur), erheblichen Verzug erleiden. Bei Duromeren quellen vorwiegend die Zusatzstoffe, z. B. Holzmehl. Oft zeigt sich dabei infolge der in bestimmten Richtungen bevorzugt angeordneten Fullstoffe eine Anisotropie. Die Quellung von Polyamiden im Kontakt rnit Feuchtigkeit wird nicht als unerwunschter Vorgang gewertet, da durch die Wasseraufnahme (bei PA6 max. 10%) die Zahigkeit der sonst sproden Werkstoffe merklich verbessert wird. Die MaBveranderungen der Bauteile werden in Kauf genommen und bei der Konstruktion und BemaBung berucksichtigt. Wie bereits erwahnt, ist die Quellung oftmals die Vorstufe einer Liisung (unbegrenzte Quellung), in deren Verlauf der feste Zusammenhalt der Makromolekule untereinander verlorengeht und der polymere Werkstoff schlieljlich rnit dem Losungsmittel eine homogene Losung bildet. Damit gehen alle fur die Anwendung wichtigen Eigenschaften des Festkorpers verloren. Amorphe Strukturen werden leichter gelost, wahrend kristalline Bereiche dem Eindringen des Losungsmittels sich solange widersetzen, wie sie noch nicht ,,aufgeschmolzen" sind. Erhohte Konzentration und Temperaturen des Losungsmittels beschleunigen den Losungsvorgang, so daB sich ein Werkstoff gegenuber dem gleichen Losungsmitteltyp recht unterschiedlich verhalten kann. Da das Losen eine unvernetzte Struktur voraussetzt, ist es nur bei Thermoplasten anzutreffen. Es wird bewurjt genutzt beim Verkleben von Thermoplasten sowie zur Herstellung von Klebgrundstoffen (s.a. Abschn. 11.3). Eine Vielzahl von Medien wirkt aggressiv auf Polymere, indem sie nicht zu Quellung oder Losung, sondern zu irreversihlen Veranderungen des chemischen Aufh u e s der Makromolekiile durch Oxidation, Hydrolyse, Dehydratation, Abbau oder Vernetzung fuhren. Zu diesen Medien zahlen starke und vor allem oxidierende Sauren sowie starke Laugen. Die Widerstandsfahigkeit der verschiedenen Gruppen von Polymeren gegenuber derartigen Veranderungen, die stets rnit einer Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften verbunden sind, hangt weitgehend von der chemischen Struktur der Makromolekule, insbesondere von der Reaktionsfahigkeit der Seiten- und Endgruppen mit dem korrodierenden Mittel ab. Es ist deshalb auch verstandlich, darj bereits geringfugige Veranderungen im chemischen Aufbau, wie sie durch Copolymerisation rnit anderen Komponenten oder Substitution von Seitengruppen (z. B. Nachchlorierung von PVC, Ionenaustausch bei Polyvinylverbindungen) erzielt werden, einen starken EinfluB auf die chemische Bestandigkeit ausuben konnen. So sind unpolare Polymere gegen

276

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

chemisch aggressive Medien gut bestandig. Nach der Einfiihrung polarer funktioneller Gruppen bzw. Substituenten in die Kohlenwasserstoffkette verringert sich die Chemikalienresistenz. Wird dagegen der Wasserstoff durch Fluor substituiert, resultiert eine extreme Bestandigkeit gegen nahezu alle Chemikalien. Im folgenden sollen an technisch wichtigen Werkstoffen das Verhalten sowie die Anwendung von Polymeren unter korrosiven Einfliissen uber das in Abschn. 3.4 bereits Gesagte hinausgehend charakterisiert werden. Zu der in Tab. 7.1 gegebenen Ubersicht ist zu bemerken, dafi sie lediglich eine grobe Einschatzung des Werkstoffverhaltens gegeniiber ganzen Gruppen von Medien darstellt. Es kommt in ihr weder der EinfluB der Einwirkungszeit und -temperatur des Mediums noch der von Modifizierungen des Werkstoffes im einzelnen zum Ausdruck.

7.1.2 Thermoplaste Polyethylen (PE) besteht aus unpolaren, gesattigten Kohlenwasserstoffketten. Es weist daher, wie die Paraffine, nur eine geringe Neigung zur Losung und zu chemischen Reaktionen auf. Die Absorption von Wasser ist sehr gering. Stark polare Losungsmittel konnen bei Raumtemperatur hochstens den amorphen Anteil angreifen. Erst bei hoheren Temperaturen lost sich P E in geeigneten Mitteln auf. Aliphatische, aromatische und chlorierte Kohlenwasserstoffe wirken zwar bereits bei Raumtemperatur quellend, der Vorgang ist aber vollig reversibel. Leider ist das Polyethylen im Kontakt mit zahlreichen Medien anfallig gegen Spunnungsriflkorrosion, wodurch seine Anwendung starker eingeschrankt wird. Dazu zahlen aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ester, Ketone, Ether, organische Sauren, Ole und Fette, Metallseifen, NaOH und KOH. Gegenuber nicht oxidierenden Sauren jeder Konzentration, wie HCI, HF, H3P04,und auch verdunnter H2S0, und HNO, ist Polyethylen bestandig; konzentrierte H,S04 und HNO, hingegen zerstoren die Makromolekule rasch. Bei Einwirken von F, Br und C1 werden H-Atome substituiert; auch eine Chlorsulfonierung ist moglich. Im letzten Fall wird sogar das Korrosionsverhalten, vor allem in Kontakt mit konzentrierter H,SO, und H,CrO, wie auch gegenuber HzOzund CaCl(OC1) sowie anderen stark oxidierenden Mitteln verbessert. Das PE hat dank seiner vielseitigen Verwendbarkeit fur die Beschichtung (s. Tab. 7.2) von Metallen sowie die Herstellung korrosionsbestandiger Formteile und Halbzeuge (Rohre, Rohrauskleidungen) eine grolje Bedeutung erlangt. Wegen des ahnlichen chemischen Aufbaues weist auch das Polypropylen (PP) eine gute Bestandigkeit auf und neigt aufierdem weniger zur SpannungsriBkorrosion. Gegen Oxidationsmittel und O2ist es jedoch nicht widerstandsfahig. Polyisobiitylen (PIB) ist wie P E aus gesattigten Kohlenwasserstoffen aufgebaut und diesem auch in seinem chemischen Verhalten nahestehend. In niedrigen Alkoholen, Ketonen und Estern ist es unloslich und gegen die meisten Sauren und Laugen sowie wanrigen Salzlosungen resistent. Starke Oxidationsmittel, aliphatische, aromatische und chlorierte Kohlenwasserstoffe aber sowie Ole und Fette greifen das PIB an. Hauptanwendungsgebiet von Polyisobutylen ist die Beschichtung von Metallen (s. Tab. 7.2) sowie die Auskleidung von Behaltern aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen (z. B. Beton). Im Polystyren (PS) ist innerhalb der monomeren Einheit ein Wasserstoffatom durch eine Phenylgruppe C & - ersetzt. Dadurch werden die bei Phenylgruppen

7. I

Polymerwerkstoffe

277

moglichen Reaktionen, wie Hydrierung, Chlorierung, Sulfonierung oder Nitrierung, auch auf das PS ubertragen. Sie fuhren zum Abbau, teilweise auch zur Vernetzung der Makromolekule. Auf Grund des unpolaren Charakters erweist sich PS im Kontakt mit Wasser und wasrigen Losungen nicht oxidierender, anorganischer Verbindungen einschlieBlich schwacher HCI, H2S04 und H 3 P 0 4 sowie Laugen als sehr widerstandsfahig. Von Chlorkohlenwasserstoffen hingegen und Benzen, Xylen, Ketonen oder Estern wird es bereits bei geringen Konzentrationen gelost. Eine Reihe nicht losender (inaktiver) Mittel, wie Pentan, Hexan oder hohere Alkohole, bewirken starke Spannungsriokorrosion, die durch Copolymerisation rnit Acrylnitril (SAN) oderhnd Butadien (SB, ABS) eingeschrankt bzw. beseitigt werden kann. Dadurch wird auch das Verhalten gegenuber Losungsmitteln und anderen Chemikalien verandert (s. Tab. 7.1). Die ausgezeichnete Bestandigkeit des Polyvinylchlorids (PVC) in Sauren, Laugen, Salzlosungen und unpolaren Losungsmitteln gilt nur fur den weichmacherfreien und nicht schon thermisch geschadigten (Entstehung von Doppelbindungen) Werkstoff. Im Kontakt rnit Wasser quillt das PVC; bei Raumtemperatur noch reversibel (Sattigungswert etwa 1%), bei T > 40 " C starker und mit erheblicher FestigkeitseinbuBe. In anderen Medien (aromatischen Kohlenwasserstoffen und Chlorkohlenwasserstoffen, Ketonen und Estern) wird PVC durch Quellen oder Losen angegriffen. Da viele Reaktionen rnit aggressiven Stoffen dank der geringen Diffusionsmoglichkeit auf die Oberflache beschrankt bleiben, werden die mechanischen Eigenschaften nur unwesentlich verandert. Aus diesem Grunde zahlt das PVC zu den bestandigsten und am haufigsten fur korrosiv beanspruchte Bauteile oder als Beschichtungsmaterial (Pumpen, Rohre, Behalter, Rohr- und Behalterauskleidungen) eingesetzten Polymeren. Das gunstige Verhalten des Polymethylmethacrylats (PMMA) gegenuber schwachen Sauren, Laugen und waBrigen Losungen anorganischer Salze wird in Verbindung rnit seiner Durchsichtigkeit vor allem im chemischen Apparatebau benutzt. Polare Losungsmittel, wie Ketone, Ester und Chlorkohlenwasserstoffe, quellen oder losen das PMMA und fuhren zur Spannungsriflkorrosion. Polyamide (PA) nehmen wegen der sehr festen Wasserstoffbruckenbindung hinsichtlich der chemischen Bestandigkeit eine Sonderstellung ein. Sie werden von den meisten Losungsmitteln nicht angegriffen und nur von solchen gelost, die die Wasserstoffbruckenbindungen zu spalten vermogen (Wasser rnit Phenol, Kresol, Ameisensaure, Eisessig). Gegen starke anorganische Sauren sind Polyamide nicht bestandig. Sie werden haufig fur Apparateteile im Kontakt mit Laugen und organischen Losungsmitteln wie als Beschichtungsmaterial herangezogen. Den Polyamiden vergleichbar sind die linearen Polyurethane (PUR), die in starken Sauren korrosionsfester, in einigen Losungsmitteln hingegen weniger resistent als PA sind. Hochsten Anspruchen an das Korrosionsverhalten werden die Polyjluorcarbone (PTFE, PCTFE) gerecht. PTFE wird nur von Natriummetall und flussigem Ammoniak angegriffen und PCTFE daruber hinaus von Estern und Chlorkohlenwasserstoffen angequollen. Wegen der Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und des hohen Preises werden sie als Halbzeuge (Rohrleitungen, Folien) und Formteile (Kolbenringe, Dichtungen, Lager, Pumpen und Ventile) sowie zur Beschichtung in Beruhrung rnit korrodierenden Medien nur dort eingesetzt, wo andere Werkstoffe versagen.

Kurzzcichen

PE-ND PE-HD PP PIB Ethylen-Vinylacetat-Copoly- EVA merisat Polyvinylchlorid-Hart PVC-u Polyvinylchlorid-Weich PVC-P Polytetrafluorethylen PTFE PCTFE Polychlortrifluorethylen Polystyren-Homopolymerisat PS SB Polystyren. schlagzah SAN Styrol-AcrylnitrilCopolymerisat Acrylnitril-Butadien-Stvren ABS Copolymerisat PMMA Polymethylmethacrylat PA Pol yamide PETP Polyethylenterephthalat Pol ycarbonat PC POM Pol yoximethylen CN Cellulosenitrat

Thermoplaste Polyethylen niedercr Dichte Polyethylen hoher Dichte Polypropylen Polyisobutylen

Werkstoff

+ + -

c

3

+ 1

+

I)

+

1

-

+

I)

I

+

J

+

+ +

10) (nach G. Miillcv)

Bestandigkeit der Legierungen gegen chloridionenhaltige Medien, sondern auch die Festigkeit verbessert. Weitere Einsatzgebiete der Al-Mg-Legierungen sind der Fahrzeugbau, die Nahrungsmittelindustrie, der Apparatebau oder die optische Industrie.

7.3.4 Aluminium-Mangan-Legierungen Auch die Al-Mn-Legierungen gehoren zu den naturharten Aluminiumwerkstoffen. Mit Mangangehalten von 0,s bis 1,5% haben sie eine gleich gute Korrosionsbestandigkeit und auch Verarbeitbarkeit wie Reinaluminium, jedoch etwas hohere Festigkeiten. Mangan verbessert die Korrosionsbestandigkeit des Aluminiums vor allem dann, wenn dieses Fe-Verunreinigungen ( 5 0.5%) enthalt (Bildung von Fe-Mn-Verbindungen). Ferner fordert das Mangan die Deckschichtbildung. Der sehr starken Neigung zur Grobkornbildung beim Weichgliihen kann durch kurze Gliihzeiten sowie durch Zugaben von Ti (= O , l % ) und Mg (bis 0,3%) begegnet werden.

7.3.5 Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen Die klassischen Vertreter der uitshartbaren Legierungen sind die Al-Cit-MgLegierungen (223 his 4,8% Cu, 0,4 bis l,8% Mg), die hauptsachlich wegen ihrer hohen Festigkeit (s. a. Abschn. 3.2.1.1) vorwiegend im Fahrzeug- und Flugzeugbau eingesetzt werden. Hinsichtlich ihrer Korrosionsbestandigkeit sind sie den vorgenannten Aluminiumwerkstoffen unterlegen (s. Tab. 7.5); Bestandigkeit gegen Seewasser wird nicht gewahrleistet. Ihr Korrosionsverhalten ist dann annehmbar, wenn sie von Homogenisierungstemperatur rasch abgeschreckt (> 400 Ks-1) und nachfolgend kalt ausgelagert werden. Langsamere Abkuhlung und Warmausharten fuhren zu Ausscheidungen, die interkristalline Korrosion und Spanniingsri~~korrosion verursachen konnen.

7.3

Aluminium und Aluminiumlegierungen

29 1

7.3.6 Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen Die mittelfesten, aushartbaren Al-Mg-Si-Legierungen (0,4 bis 3,5% Mg, 0,3 bis 1,5% Si) haben wegen ihrer guten Warmformbarkeit und anderer technologischer Vorteile eine starke Entwicklung genommen. Im Vergleich zu den Al-CuMg-Legierungen ist ihre Bestandigkeit im warmausgeharteten Zustand, insbesondere gegeniiber interkristalliner Korrosion, besser. Die Seewnsserbestiindigkeit wird als gut bis sehr gut beurteilt. Aurjer im Schiffbau finden sie in der Textilund Nahrungsmittelindustrie, im Apparatebau u. a. m. Verwendung. Fe- und CuGehalte wirken sich schon in geringen Mengen korrosionsfordernd aus, weshalb sie im allgemeinen 0,5 bzw. 0,1% nicht uberschreiten diirfen. Fur Qualitaten, deren Einsatz mit Forderungen an eine dekorative Wirkung verbunden ist, sollen die Cu-Gehalte nicht uber 0,02 bis 0,05% hinausgehen. Durch Zugabe von Mn oder Cr kann die negative Wirkung des Fe und Cu vermindert werden. Legierungen mit Zusammensetzungen von 0,6 bis 1,0% Si, 0,8 bis 1,2% Mg, 0,4 bis 1,lYo Cu sowie Gehalten an Mn, Fe, Zn und Ti gewinnen in der Luftfahrtindustrie zunehmend an Bedeutung. Sie gehoren zu den hochfesten, schweirjbaren Legierungen. Ihr Korrosionsverhalten ist vom Warmebehandlungszustand abhangig. Insbesondere in bezug auf die SchwingungsriBkorrosion weisen derartige Legierungen, wie Bild 7.5 im Vergleich zum Verhalten an Luft zeigt, eine Besonderheit auf. In chloridhaltigen Losungen (Atmosphare uber Meerwasser) tritt in der da/dN-AK-Kurve frequenzabhangig eine Beschleunigung der RiRausbreitung (bei relativ hohen Frequenzen) auf. Ein derartiges Verhalten wurde auch bei Al-Mg-Zn-Legierungen beobachtet und mit einer spezifischen Emp-

+

rnrn Lastspiel

+

lo-'

3 D

+ O

0

0

0

o

. + O

8

$0

x

+

%O

POHz/Lufi 2OHz/NaCI SHz/NaCI 25mHz/NaCI

0

lo-' MPa m1'2

10'

1 o2

AK Bild 7.5 daidN iiber AK-Diagramm einer Al-Mg-Si-Legierung (a RiBIange, N Lastspielzahl, AK Schwingbreite des Spannungsintensitatsfaktors)

292

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

Bild 7.6 SchwingungsriBkorrosion an einer Al-Mg-Si-Legierung

findlichkeit gegenuber SpannungsriRkorrosion gedeutet [7.10]. Bei Al-Mg-SiLegierungen ist eine Anfalligkeit hinsichtlich Spannungsrirjkorrosion jedoch nicht zu beobachten. Vielmehr deuten eine Reihe von Versuchsergebnissen darauf hin, daR im Zuge des Ermiidungsvorganges, wie Bild 7.6 verdeutlicht, Nebenrisse gebildet werden, die Angriffsstellen fur die Korrosion (Spaltkorrosion) sind. Daneben scheint auch der im katodischen Teilprozerj sich bildende Wasserstoff zusatzlich von Bedeutung zu sein.

7.3.7 Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen Gleichfalls mittelfeste und aushartbare Konstruktionswerkstoffe sind die Al-ZnMg-Legierungen; z. B. mit 4,2 bis 5,5% Zn und 0,7 bis 1,7% Mg oder 3 bis 4% Zn und 2 bis 3% Mg. Sie weisen gegenuber Al-Cu-Mg-Legierungen eine verbesserte Korrosionsbestandigkeit auf, sind aber den AI-Mg- und Al-Mg-Si-Legierungen unterlegen. Unter atmospharischen Bedingungen bilden sich schwarze Deckschichten aus, die die Legierung schutzen. In Gegenwart von Schwitzwasser sind Al-Zn-Mg-Legierungen jedoch stark korrosionsanfallig. Ebenfalls neigen sie zu Spannungsriflkorrosion. Die Empfindlichkeit nimmt mit steigendem Mg- und ZnGehalt zu. Im allgemeinen kann die Spannungsrirjkorrosion weitgehend vermieden werden, wenn der Gesamtlegierungsgehalt 5 bis 6% nicht uberschreitet und das Abschrecken nach dem Losungsgliihen verzogert sowie die Aushartung durch Warmauslagern vorgenommen wird. Bei hoheren Legierungsgehalten wirken Zusatze von Chrom (0,l bis 0,lS% ) spannungsriflkorrosionsvermindernd.

7.3.8 Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer-Legierungen Diese hochfesten, aushartbaren Legierungen (3,8 bis 5,2 YO Zn, 2,4 bis 3,8% Mg, 1 bis 1,S% Cu, 0,l bis O,6% Mn) sind wie die Al-Cu-Mg-Legierungen in erster

7.4

Magnesiumlegierungen

293

Linie wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften interessant (Bergbau, Flugzeug- und Maschinenbau). Im warmausgeharteten Zustand erreichen sie Festigkeitswerte bis 500 MPa und mehr. Ihr Korrosionsverhalten ist dem der AlCu-Mg-Legierungen vergleichbar, wird jedoch in geringerem Mafie von der Abschreckgeschwindigkeit beeinflufit. Ebenso wie bei den Al-Zn-Mg-Legierungen vermindern Zusatze von Chrom (0,l bis 0,3%) die Anfalligkeit gegen Spannungsrifikorrosion.

7.3.9 Aluminium-Lithium-Legierungen Angesichts der Konkurrenz, die von kohlefaserverstarkten Polymeren in der Luftfahrtindustrie ausgeht, wurde bei Aluminiumlegierungen nach Wegen zur Massereduzierung gesucht. A m wirksamsten ist dies mit dem Legierungselement Lithium gelungen. Es war das gemeinsame Ziel aller Hersteller, die konventionellen Al-Cu-Mg- und Al-Zn-Mg-Cu-Standard-Luftfahrt-Legierungen ( A A 2024 und A A 7075) bei gleichen Eigenschaften durch Al-Li-Legierungen zu ersetzen, wobei diese jedoch im Vergleich eine 10% geringere Dichte und einen 10% hoheren Elastizitatsmodul haben. U m dieses Ziel zu erreichen, wurden im wesentlichen die quaternaren Al-Li-Cu-Mg-Legierungen A A 8090 sowie eine ternare Al-Li-Cu-Legierung A A 2090 entwickelt. Die Li-Gehalte bei diesen Legierungen liegen zwischen 1,7 und 2,7%. In Meerwasser wurde festgestellt, dafi insbesondere Al-Li-Mg-Cu-Legierungen in der Spritzwasserzone zu interkristalliner Korrosion und zum Teil auch zu Lochkorrosion neigen. Gegeniiber lithiumfreien Legierungen ist der Korrosionsangriff tiefgreifender. Spannungsrifikorrosionsuntersuchungen unter zeitlich konstanter Zugbeanspruchung ergaben im nicht vollstandig warmausgeharteten Zustand, dafi eine Anfalligkeit gegeben ist, wobei sowohl anodische Korrosions- als auch katodische Wasserstoffversprodungsteilreaktionen beteiligt sind [7.23].

7.4 Magnesiumlegierungen Magnesium ist im Vergleich zu Aluminium unedler (Standardpotential -2,38 V) und im allgemeinen auch weniger korrosionsbestandig als dieses. Ebenso wie bei Aluminium bildet sich auf Magnesium schon bei Lagerung an Luft eine oxidische Deckschicht, die jedoch auf Grund ihrer Porigkeit einen geringeren Schutzwert hat. Magnesium wird als Konstruktionswerkstoff ausschliel3lich in Form seiner Legierungen venvendet, da die Festigkeit des reinen Metalls zu niedrig ist (s. a. Abschn. 3.2.2). Magnesium mit hexagonalem Gitter kann nur sehr schlecht zu Blechen und Profilen plastisch umgeformt werden. Aus diesem Grund werden in der Mehrzahl der Falle Magnesium-Gufilegierungen verwendet. Wegen ihrer geringen Masse sowie der guten Prefi- und Zerspanbarkeit werden die Legierungen vorrangig im Automobilbau sowie in der Luftfahrt eingesetzt. Dariiber hinaus kommen Magnesiumwerkstoffe in Kombination mit Stahl vielfach als Opferanode (katodischer Korrosionsschutz) zur Anwendung. Das Korrosionsverhalten des Magnesiums wird durch die Legierungselemente entscheidend beeinflufit. Die hauptsachlichen legierungsbildenden Elemente

294

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

sind Mangan (bis 2 % ) , Aluminium (bis 9 % ) und Zink (bis 4%), die (besonders das Mn) in Abhangigkeit von ihrem Gehalt und der Warmebehandlung die Bestandigkeit des Magnesiums erhohen, wahrend die als Verunreinigungen meistens enthaltenen Elemente Fe, C u und Ni das Korrosionsverhalten verschlechtern. Magnesiumlegierungen werden im Gegensatz zu Aluminium in alkalischen Losungen nicht oder nur wenig angegriffen; hohere Laugenkonzentrationen und Temperaturen vermindern allerdings die Bestandigkeit. Mineralsauren greifen unter Wasserstoffentwicklung mit Ausnahme der FluBsaure an, bei deren Einwirkung eine schutzende dichte Magnesiumfluoridschicht entsteht. Auch gegenuber Chromsaure liegt Bestandigkeit vor. In verdunnten Sauren und Salzlosungen werden Magnesiumlegierungen angegriffen. Die Korrosionsgeschwindigkeit hangt vom Charakter sowie von der Aciditat bzw. der Basizitat der Losung ab. Dabei haben Chloridionen die starkste Wirkung, so daB der Angriff in Meerwasser rasch fortschreitet. Lediglich Legierungen mit hohen Mangangehalten sind bestandiger. Wahrend in reinem Wasser (Bildung einer Schutzschicht) kein Angriff stattfindet, ist in naturlichen Wassern die Bestandigkeit in starkem MaBe von den in ihnen gelosten Stoffen abhangig. Nachteilig wirkt sich vor allem Kohlendioxid durch die damit verbundene Aciditat aus. Unter atmospharischen Bedingungen sind Magnesiumlegierungen im allgemeinen bestandig, d a das sich bildende Magnesiumhydroxid einen ausreichenden Schutz bietet. Bei Umwandlung in basisches Magnesiumcarbonat oder -sulfat (Industrieluft) wird der Schutzwert noch erhoht. Auch mit Hilfe kunstlich gewonnener Schutzschichten, wie elektrochemisch erzeugter Fluorid- und chemisch hergestellter Bichromatschichten. 1aBt sich die Korrosionsbestandigkeit der Magnesiumwerkstoffe wesentlich verbessern. Die Schichten stellen auljerdem einen guten Haftgrund fur Schutzanstriche dar.

7.5 Kupferwerkstoffe Kupfer weist entsprechend seiner Stellung in der Spannungsreihe (Standardpotential Cu/Cu+ = 0.34 V ) eine gute Korrosionsbestandigkeit auf, die sich auch den hoherkupferhaltigen Legierungen (Messing, Bronze) mitteilt. Der hohe Korrosionswiderstand der Kupferwerkstoffe gegen atmospharische Einwirkungen sowie im Kontakt mit Wassern wird in Verbindung mit der guten Warmeleitfahigkeit und teilweise hohen Festigkeit fur viele Zwecke der Warmeubertragung, wie in Kondensatoren, Warmeaustauschern und Vorwarmern sowie Eindampfapparaten und Kuhlern der Essigsaure-, Garungs- und Fettsaureindustrie oder fur GefaBe, Armaturen und Apparaturen der chemischen Technik viclfaltig genutzt. Zweifellos wird der Einsatz der Kupferwerkstoffe durch die gute Verformbarkeit bei Raumtemperatur und in der Warme, die die Herstellung von Halbzeugen aller benotigten Formen und Abmessungen gestattet. sehr begunstigt.

7.5.1 Kupfer Kiipfrr (bis 1 % Beimengungen) wird auf Grund seines im Vergleich zum Wasserstoff edleren Standardpotentials in verdunnten Sauren nicht unter H,-Entwick-

7.5

Kupferwerkstoffe

295

lung angegriffen. Dieser gunstigen Wirkung steht sowohl bei Kupferlegierungen als auch beim Lot fur Kupferrohrverbindungen eine durch den Bleianteil hervorgerufene toxische Wirkung gegenuber. Aus diesem Grund wurde bei diesen Legierungen der Bleianteil auf 0,8% Pb abgesenkt [7.24]. Daneben gibt es erfolgreiche Entwicklungen, in denen das Blei durch Wismut ersetzt wird. In allen Fallen konnen jedoch auch Nebenreaktionen, wie Depolarisation des im Elektrolyten gelosten Sauerstoffs oder Komplexbildung, auftreten, die die Korrosionsbestandigkeit des Kupfers erheblich verschlechtern: So ist das Korrosionsverhalten in belufteten, anorganischen und organischen Sauren in starkem MaBe vom Sauerstoffgehalt (Bild 7.7) wie uberhaupt von der Anwesenheit eines Oxidationsmittels abhangig, bei erhohter Temperatur wirkt die Schwefelsaure oxidierend und lost das Kupfer unter SO,-Entwicklung; in cyanidhaltigen Elektrolyten wird infolge Komplexbildung das Ruhepotential des Kupfers unedler als das des Zinks.

0

70 % 20

Bild 7.7 Korrosionsverhalten von Kupfer in anorganischen und organischen Sauren unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes (nach E Tiidr)

OZ-Geha/tder h& d;efikUfy PerfefldenGQsm;j.Chuny0 z . k

In sauren wal3rigen Elektrolytlosungen (pH < 5 ) ist Kupfer weniger bestandig. Unter diesen Bedingungen bildet sich ein kubisch kristallisierendes, poriges Cu,O-Korrosionsprodukt [7.24] auf der Oberflache. Gegen alkalische Losungen ist Kupfer - wie das Potential-pH-Diagramm (Bild 7.8) fur chloridhaltige Medien ausweist [7.25] - uberwiegend bestandig. In derartigen Medien formiert

o

-0.6 -0,4 0

2

4

PH

6

8

Bild 7.8 Potential-pH-Diagramm fur Kupfer in chloridhaltigen Medien

296

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

sich auf der Werkstoffoberflache ein monokliner dichter CuO-Film. Eine Ausnahme bilden ammoniakhaltige Medien, in denen das Kupfer vor allem bei Luftzutritt unter Bildung von leicht loslichen Komplexsalzen angegriffen wird. Auch gegen Schwefel und dessen Verbindungen ist Kupfer nicht resistent. In oxidierender Atmosphare verschlechtern bereits geringe Schwefelgehalte (z. B. in Rauchgasen) die Oxidationsbestandigkeit merklich. Beim Gluhen in Wasserstoff oder wasserstoffabspaltenden Gasen kann im Verein mit dem von der Gewinnung her noch im Kupfer enthaltenen oder durch Sauerstoffdiffusion beim Zundern entlang den Korngrenzen gebildeten Kupferoxidul Cu,O eine Fehlererscheinung auftreten, die als Wasserstoffkrankheit bezeichnet wird. Der in das Kupfer eindiffundierende Wasserstoff reduziert das C u 2 0 und bildet Wasserdampf, dessen grofie Molekule nicht entweichen konnen. Die unter hohem Druck stehenden Wasserdampfblaschen fuhren in Oberflachennahe zum Aufplatzen des Metalls oder zu Innenrissen, denen zufolge sich das Kupfer bei Verformung sprode verhalt. Oxidulhaltiges Kupfer darf deshalb nicht in reduzierender Atmosphare gegluht werden. Auch beim SchweiRen mit Wasserstoff- oder Acetylenflamme muR mit dem Auftreten der Wasserstoffkrankheit gerechnet werden. An der Atmosphare bildet sich im Laufe der Zeit ein hellgruner Uberzug (Patina, Edelrost), der aus einem Gemisch von basischem Kupfersulfat, -carbonat und -chlorid besteht; in Industrieluft herrscht das Sulfat (CuSO, . Cu(OH),), in Meeresnahe das Chlorid (CuCl, . 3Cu(OH),) vor. Bei Einwirkung von Essigsaure und Luftzutritt entsteht auf dem Kupfer Griinspan (basisches Kupfer( 11)acetat), der sehr giftig ist; deshalb durfen Kupferbehalter in der Lebensmittelindustrie nicht mit Essigsaure zusammengebracht werden. Im allgemeinen wird Kupfer bei ausreichender Beluftung ebenmanig angegriffen. Ortliche Korrosion tritt dann auf, wenn die Beluftung unterschiedlich ist, z. B. bei Wassertropfen und an der Wasserlinie, oder wenn die Metalloberflache Ansammlungen von festen Korrosionsprodukten und Fremdkorpern aufweist.

7.5.2 Kupfer-Zink-Legierungen

Krtpfer-Zink-Legierungen (Messinge) haben wesentlich bessere mechanische Eigenschaften als Kupfer. Sie kommen fur Kupfergehalte von 60 bis 90% dem Korrosionsverhalten des Kupfers sehr nahe; dabei ist der Gefugezustand der Legierung (Bild 7.9) von groRerer Bedeutung. a-Messinge mit geringeren Zinkgehalten haben nahezu das gleiche Korrosionsverhalten wie Kupfer, wahrend die heterogenen Legierungen, in denen die a - und @Phase nebeneinander liegen, nicht so korrosionsbestandig sind, da sich der zinkreichere p-Mischkristall in einer Reihe von Elektrolyten unedler als der a-Mischkristallverhalt. Wegen ihres gunstigen Korrosionsverhaltens in Atmosphare und Wasser werden Messinge vor allem eingesetzt als Armaturen, in Warmetauschern, fur Kondensatorrohre und Siederohre (CuZn30) sowie als Instrumenten- und Schlauchrohre (CuZn20). Gegen Laugen, ausgenommen ammoniakalische Medien, erweist sich Messing als widerstandsfahig. In Atzalkalien werden Abtragungen zwischen 0,2 und 12 gm-, je Tag gemessen. Beluftung und Temperaturzunahme erhohen den Abtrag. Weniger bestandig ist Messing in anorganischen und organischen Sauren. Salzsaure, Salpetersaure sowie Essig- und Zitronensaure greifen Messing an. Auch hier wird durch Beluftung die Korrosion erheblich verstarkt.

7.5

Kupferwerkstoffe

297

Bild 7.9 Kupferseite des Cu-Zn-Zustandsdiagramms

zn

Bild 7.10 Entzinkung einer zweiphasigen CuZn 37Pb-Legierung am Gewinde eines Ventils (nach [7.26])

Eine besondere Korrosionsform des Messings, die sowohl bei einphasigen (215% Zn) als auch bei zweiphasigen Legierungen auftritt, ist die Entzinkung. Sie wird vorwiegend in unbelufteten, chloridhaltigen Losungen (Meerwasser, FluBwasser, Leitungswasser) beobachtet und beginnt oftmals unter schon gebildeten Deckschichten. Die Entzinkung verlauft nach dem sogenannten Wiederabscheidungsmechanismus, d. h. einer Auflosung des Mischkristalls und einer nachfolgenden Abscheidung der Kupferionen aus der Losung. Bild 7.10 zeigt die Entzinkung einer zweiphasigen Messinglegierung am Gewinde eines Ventils. Die Pfropfenentzinkung ist ortlich begrenzt, schreitet schneller in die Tiefe fort und

298

7

Wcrkstoffc fur korrosivc Bcanspruchung

ist daher gefahrlicher als die Lagenentzinkung. Durch Zusatze von Arsen (bis 0,04%), Antimon, Phosphor oder Zinn (bis 1 YO) kann der Entzinkung entgegengewirkt werden. Weiterhin sind Cu-Zn-Legierungen in ammoniakalischer Atmosphare oder Losung empfindlich gegen Spannungsri~korrosion,die in diesem Fall auch als ,,AufreiBen" bezeichnet wird. Sie ist an innere (Kaltverformung) oder aul3ere Spannungen, die in den Randzonen Zugkrafte hervorrufen, gebunden [7.27]. Das AufreiBen 1aBt sich vermeiden, wenn gleich nach dem Kaltverformen bei 250°C spannungsarm gegluht wird. Die Anfalligkeit fur SpannungsriBkorrosion laBt sich leicht uberprufen, wenn Materialproben in einem den Einsatzbedingungen entsprechenden Verarbeitungszustand (z. B. gezogen, gebogen oder geschweiBt) 60 min bei Raumtemperatur in eine 1,S%ige Quecksilbernitratlosung (HgNO,) getaucht werden (Prufung wird auch fur Aluminiumbronze angewendet). Zeigen sich danach keine Risse, so ist der Werkstoff als ausrcichend spannungsfrei anzusehen. Messinge, die auBer Kupfer und Zink noch weitere Legierungselemente enthalten, werden als Sondernzessinge bezeichnet. Mit Zusatzen von Aluminium (bis 2,5%), Mangan (bis 2,5%), Nickel (bis 3 % ) . Silicium (bis 0.7%), Zinn (bis 1 3 % ) und Arsen (his 0,03%0)wird in verschiedenen Korrosionsmedien eine erhohte Korrosionsbestandigkeit erzielt. Im allgemeinen liegt der Gesamtgehalt von veredelnden Zusatzen nicht hoher als 6%. Von den genannten Elementen hat Aluminium die starkste Wirkung, da schon bei kleinen Gehalten (< 3%) oxidische Deckschichten mit grol3er Haftfestigkcit und Stabilitat gebildet werden. Der Manganzusatz verbessert die Seewmserheverrinstandigkeit, wahrend Silicium die Neigung zur Spannirngsri~~korrosion gert. Nickel erhoht die Bestandigkeit in Wiissern und alkalischen Losungen. Arsen verhindert den Entzinkungsvorgang. Sondermessinge werden bevorzugt eingesetzt zur Herstellung von Armaturen und witterungsbestandigen Konstruktionsteilen (CuZn40Al1, CuZn28Sn), als seewasserbestandige und hoherfeste Konstruktionswerkstoffe (CuZn40A12Fe1, CuZn3SAll Ni). fur korrosions- und ermudungsbestandige Federn (s. Abschn. 10.3) sowie als Rohre fur Kondensatoren und Warmeubertrager (CuZn21 A12).

7.5.3 Kupfer-Aluminium-Legierungen Kupfer-Aluminium-Lcgierungen (Alitniiniiinzhrorizeti) zahlen zu den korrosionsbestandigsten Kupferwerkstoffen. Die gegenuber unlegiertem Kupfer erhohte Bestandigkeit verdanken sie dem Aluminium, das die Bildung einer Schutzschicht, deren AllO,-Anteil mit dem Aluminiumgehalt der Legierung zunimmt, fordert. Am bestandigsten sind die homogenen a-Legierungen (Bild 7.1 1 ) mit Aluminiumanteilen von 4% und mchr. Weniger korrosionsbestandig sind die zweiphasigen (a-und PPhase) Aluminiumbronzen. In den technischen Legierungen tritt der PMischkristall ab Aluminiumgehalten von etwa 7,8% auf. Er ist, wenn die Schutzschicht abgetragen ist, unedler als der kupferreichere aMischkristall. In Legierungen mit 10 bis 12% Al bildet sich beim Abschrecken aus dem bGebiet - wie bei C-Stahlen - ein martensitisches Gefuge, das mit hohen Festigkeiten (700 bis 900 MPa). aber geringer Duktilitat verbunden ist. Letztere laRt sich erheblich verbessern, wenn im ( a + P)-Gebiet bei etwa 650°C angelassen

7.5 1200

Kupferwerkstoffe

299

I

OC

7000 L 5

2 800 $ R 600

400

0 cu

5

10

75 Yo i AJ

Bild 7.11 Kupferseite des Cu-Al-Zustandsdiagramms

wird; aus dern Abschreckgefuge entstehen feine a-Kristallite. Durch diese dem Verguten des Stahls analoge Warmebehandlung werden die Dehnungs- und Einschnurungswerte beachtlich angehoben, ohne daB die Festigkeit wesentlich abnimmt. Aluminiumbronzen (7 bis 10% Al) werden weniger von verdunnter Salzsaure ( I n HCl - 4gm-2 je Tag), starker jedoch von Salpetersaure (23g m-2 je Tag) angegriffen. Sie sind bestandig gegenuber Alkalihydroxiden. In Ammoniaklosungen oder -gasen sind sie wie das Messing spannungsriflkorrosionsgefahrdet. Vergleichbar mit der Entzinkung von Messing findet bei Cu-Al-Legierungen in einigen Korrosionsmedien (z. B. unverdunnter H2S04) eine Entuluminisierung unter Abscheidung von schwammformigem Kupfer statt. Aluminiumbronzen finden Anwendung in der chemischen Industrie, im Bergbau, in der Kaliindustrie, in Salinen und fur Kondensatorrohre (wie CuAlSAs) sowie fur Heiflarmaturen oder Steuerteile der Hydraulik (z. B. CuAllOFe3Mnl). Die letztgenannte Legierung gehort schon zu den Aluminiummehrsto~~ronzen. deren Bestandigkeit, insbesondere gegen Sauren, durch Zusatze von Nickel (bis 6%), Mangan (bis 3%) und Eisen (bis 3%) (z. B. CuA19Ni2Fe2) erheblich verbessert ist. Schiffsschrauben aus nickelhaltiger Mehrstoffbronze (etwa 10% Al. 5% Ni, 4% Fe, 3% Mn, Rest Cu) z. B. sind seewasserbestandiger als Messing und Zinnbronzen.

7.5.4 Kupfer-Nickel-Legierungen Kupfer und Nickel bilden eine ununterbrochene Mischkristallreihe; samtliche Cu-Ni-Legierungen kristallisieren kfz. Im allgemeinen verwendet man sie dort, wo hohere Anspruche an Korrosionsbestandigkeit und Warmfestigkeit gestellt werden, so im Kraftwerksanlagenbau fur Kuhler und als Kondensatorrohre. Wegen der hohen Korrosionsbestandigkeit gegen Meer- und Brackwasser werden sie auch im Schiffsbau, fur Meerwasserleitungen und -entsalzungsanlagen und in Anlagen zur Gewinnung von Trinkwasser sowie in der Erdolindustrie eingesetzt. Durch den Nickelzusatz ist die Ausbildung einer schutzenden Pussivschicht gegeben. Technische Legierungen fur Korrosionszwecke enthalten 5 bis 30% Nickel und vielfach zur Erhohung der Festigkeit und Bestandigkeit in stromendem Meerwasser noch Zusatze von Fe und Mn. Haufig eingesetzte Legierungen sind CuNilOFelMn und CuNi30MnlFe mit etwa 0,4 bis 1,8% Fe und

300

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

0,s bis 1,0% Mn sowie CuNi30Fe2Mn2. Sie sind unempfindlich gegenuber Spannungsrifikorrosion. Ebenso wie andere Kupferwerkstoffe werden auch die Kupfer-Nickel-Legierungen von Sauren angegriffen. Die Grofie des Abtrages ist von der Beluftung und Temperatur abhangig. Anorganische Sauren greifen starker an als organische. Wahrend fur Salzsaure je nach Konzentration und Beluftung Abtragungen zwischen 7 und 150 g m-2 je Tag gemessen werden, belaufen sie sich bei Essigsaure nur auf 0,s bis 15 gm-2 je Tag. Die Einwirkung belufteter FluBsaure fuhrte in einigen Fallen zur Entnickelung der Legierung. Alkalische Losungen greifen kaum an. In S%iger NaOH treten Abtragungen zwischen 0,005 und 0,Olg m-2 je Tag auf. Dagegen wird erhebliche Korrosion in Gegenwart von Ammoniumhydroxiden festgestellt. Die gute Bestandigkeit gegen Halogene geht bei Feuchtigkeit und Temperaturerhohung merklich zuruck. Durch hohen Widerstand gegen chemische Einflusse zeichnen sich auch Cu-NiZn-Legierungen (Neusilber) aus. Das Kupfer (etwa 5.5 bis 65%) verleiht den Legierungen eine gute Kaltumformbarkeit, Nickel (etwa 10 bis 30%) den hohen Korrosionswiderstand und das Zink (Rest) die gute GieBbarkeit; hohere Zinkgehalte sind aber zu vermeiden, da sie das Korrosions- und Festigkeitsverhalten verschlechtern. Pb-Gehalte von 1 bis 2,5% verbessern wie bei den Cu-Ni-Legierungen die Zerspanbarkeit. Neusilberlegierungen werden wegen ihrer hohen Anlaufbestandigkeit (CuNi2SZn17Pb) fur Schanktische und Vitrinen (CuNi25Zn15), in der Feinmechanik und Optik (CuNil8Zn19Pb) sowie fur Tafelgeschirr und Bestecke (CuNil8Zn20) u. a. m. vielfaltig verwendet. 7.5.5 Kupfer-Zinn-Legierungen Von technischem Interesse sind die unter dem Namen Zinnbronzen (s. a. Abschn. 9.2.2) bekannten Cu-Sn-Werkstoffe als Knetlegierungen bis etwa 9% und als GuBlegierungen bis 14% Zinn. Wegen der Tragheit der 6- bzw. &-Phasenausscheidung (Bild 7.12) sind diese Legierungen bei Raumtemperatur homogen und allein aus a-Mischkristallen aufgebaut. Das Korrosionsverhalten der Zinnbronzen ist mit dem des reinen Kupfers vergleichbar, wobei ein zunehmender Zinngehalt die Bestandigkeit erhoht. Die bei einigen Legierungen anzutreffenden Zinkgehalte (< 10%) verschlechtern das Korrosionsverhalten wenig. Von den Sauren greift Salzsaure die Zinnbronzen am starksten an. In 10%iger HCl werden bei Legierungen mit 8% Zinn Abtragungen von 80g m-2 je Tag gemessen. Weniger stark ist der Angriff in verdunnter Schwefelsaure (0,s bis 2 g m-2 je Tag). Gegenuber alkalischen Losungen hingegen sind die Zinnbronzen bestandiger als reines Kupfer, korrodieren jedoch in Ammoniumhydroxid. In Salzlosungen sind ohne Beluftung nur geringe Abtragungen zu erwarten (0,l g m-2 je Tag). Ein selektiver Angriff in Form einer Entzinnung wird nicht beobachtet. Die Knetlegierungen dienen vorwiegend der Herstellung von Schrauben, Bandern fur Metallschlauche, Federn (CuSn2), Drahtgewebe (CuSn3) und Rohren fur DruckmeBgerate (CuSn6, CuSn4Zn3) sowie allgemein von Teilen fur die chemische Industrie (CuSn4, CuSn6). Die Festigkeit der Legierungen hangt vom Zinngehalt und Kaltumformgrad ab. Sie betragt fur eine Legierung mit 8% Sn beispielsweise 370 MPa im weichen und 720 MPa im federharten Zustand. Der groBte Teil der Cu-Sn-Werkstoffe wird jedoch durch GieBen verarbeitet.

7.6

Blei- und Bleilegierungen

301

-

100 0

cu

70

20 %

3

f

sn

Bild 7.12 Kupferseite des Cu-Sn-Zustandsdiagramms

Hauptanwendungen fur GuBzinnbronzen sind korrosionsbestandige Maschinenteile, die auch Gleitbeanspruchungen ausgesetzt sind, wie Spurlager, Schrauben-, Schnecken- und Zahnrader (G-CuSnlOPl), Gehause, Leit- und Laufrader fur Pumpen und Turbinen sowie saurebestandige Armaturen (G-CuSnlO). Ein nicht geringer Teil der Zinnbronze wird auch als Metallpulver (MP CuSnlO) fur die Herstellung korrosionsbestandiger Sinterfilter zur Filterung von Flussigkeiten und Gasen, zur Kuhlung und Trocknung von Schuttgutern oder fur die Trennung von nicht miteinander mischbaren Flussigkeiten benotigt.

7.6 Blei und Bleilegierungen Das Blei (Standardpotential -0,126 V) verdankt seine gute Korrosionsbestandigkeit der Fahigkeit, dichte und festhaftende Schichten aus Bleiverbindungen bilden zu konnen, wie Sulfate in H,S04, Oxide an Luft oder Carbonat in Wasser, die solange einen hinreichenden Schutz gewahren, wie sie im umgebenden Medium nicht oder wenig loslich sind. In grol3em Umfang technisch eingesetzt wird das Blei seit dem Aufkommen der Schwefelsaureproduktion, und auch heute noch ist es wegen seiner weitgehenden Bestandigkeit im Kontakt mit Schwefelsaure (bei Raumtemperatur bis zu einer H2S04-Konzentrationvon 80%) in der chemischen Industrie weitverbreitet. Mit zunehmender Temperatur und Konzentration der Saure (Bild 7.13) nimmt der Widerstand gegen den H2S04-Angriff jedoch ab; in gleicher Weise negativ wirkt von den im Blei vorkommenden Beimengungen vor allem das Wismut. Ahnlich gunstige Verhaltnisse bestehen im Kontakt mit FluBsaure, gegen die das Blei bei Raumtemperatur bis zu Konzentrationen von 60% bestandig ist; hohere Temperaturen verstarken den Angriff.

7

302

"

0

Werkstoffe f u r korrosive Beanspruchung

20 40 60 80%100 HzSOk- Konzentrarion

Bild 7.13 Korrosionsverhalten von Blei in Schwefelsaure unterschiedlicher Temperatur und Konzentration (nach H.H. Uhlig)

u 7 2 3 4 5 6 7 8 9 70 77 12 13 Anfangs - p H Bild 7.14 pH-Wert-Abhingigkeit des Korrosionsverhaltens von Blei in waBrigen LGsungen (nach H. H. Uhlig)

In waBrigen Losungen ist das Korrosionsverhalten des Bleis in starkem MaBe vom pH-Wert, vergleichbar mit Zink, abhangig. Wie Bild 7.14 zeigt, liegt bei pH-Wert 6 bis 9 die grof3te Bestandigkeit vor. Hingegen kann in stark sauren wie auch alkalischen Losungen ein erhohter Angriff stattfinden. In Wassern ist Blei bestandig. Enthaltene Sulfate und Carbonate (Hartebildner) beteiligen sich an der Bildung der Schicht und erhohen deren Schutzwert. Gleiches gilt fur das Verhalten in der Atmosphare, an der das Blei oxidiert oder bei Einwirkung von Feuchtigkeit und C 0 2eine Schutzschicht aus basischem Carbonat bildet. Entstehen leicht losliche Korrosionsprodukte, so werden die Bleiwerkstoffe ebenmal3ig abgetragen. In anderen Fallen wird interkristalline (Bild 7.15) und Lochfrapkorrosion beobachtet. Interkristalliner Angriff findet bevorzugt in Verbindung mit Salz- und Essigsaure oder auch Atzkalk statt. Ortliche Korrosion wird vielfach an Stellen unterschiedlicher Beliiftung, z. B. unter Schmutzablagerungen in AbfluBleitungen oder an erdverlegten verbleiten Kabeln festgestellt. Die gebrauchlichen Bleisorten unterscheiden sich in erster Linie im Wismutgehalt, dessen korrosionsschadliche Wirkung durch entsprechende Kupferanteile teilweise aufgehoben wird. Zur Verbesserung der Festigkeit und Erhohung der Rekristallisationstemperatur (reines Blei rekristallisiert bereits bei Raumtemperatur) wird das Blei vorzugsweise mit Antimon legiert und bei Sb-Gehalten von 0,5 bis 13% als Hartblei bezeichnet. Hartblei wird technisch vielseitig verwendet fur Akkumulatorenplatten (PbSb9), unlosliche Anoden in galvanischen Badern (PbSblO, PbSbl2), Kabelummantelungen (K PbSbO,l, K PbSbO,S), Rohre und chemische Apparate sowie als Auskleidungsmaterial (s. Abschn. 7.9.8).

7.7

303

Nickel und Nickellegierungen

140 -

720 -

3

700

:cl

c

5 80 .r c

Q

60 kn I"

47

I

I

1

I 1

-- 6D°C

10

700 h 7000

Auslag erzeit Bild 7.15 Interkristalline SpannungsriBkorrosion an Pb99,985 nach Zug-DruckWechselbeanspruchung

Bild 7.16 Anderung der Harte von Pb-Sb-Legierungen, die nach dem Homogenisieren in Wasser abgeschreckt und bei 20 bzw. 60°C ausgelagert wurden (nach B. Beyer)

Die Korrosionsbestandigkeit von Bfei-Antimon-Legierungen lafit sich durch geringe Zusatze von As und Se wesentlich verbessern. So ist die Legierung PbSb4,OAs0,06Se0,02 auch in siedender 50% iger H,SO, ausreichend widerstandsfahig. Ihre Bestandigkeit wird bei erhohten Temperaturen noch von einer Feinkornbleilegierung PbCu0,042Sn0,05Pd0,03Se ubertroffen [7.28]. Auf Grund dessen, daB die Loslichkeit des Bleis fur Antimon von rund 3% bei der eutektischen Temperatur (247 "C) auf 0,24Y0 bei 25 "C zuruckgeht, lassen sich PbSb-Legierungen ausharten, wodurch die mechanischen Eigenschaften betrachtlich verbessert werden (Bild 7.16). Eine andere Moglichkeit, die mechanischen Eigenschaften des Bleis zu verbessern, ist die Dispersionshartung. Hierzu werden durch Verdusen einer Schmelze hergestellte Bleipulver, die nichtlosliche Metalle (Cu, Ni, Co) oder artfremde bzw. arteigene Oxide in feindisperser Form enthalten, geprefit bzw. gleich zu Formteilen (Strangpressen, Walzen) weiter verarbeitet. Mit Hilfe der Dispersionshartung lassen sich vor allem die Kriech- und Wechselfestigkeit des Bleis wesentlich erhohen. Z u den speziellen Bleiwerkstoffen zahlen auch die Schrijtmetulle. Das sind Dreistofflegierungen aus Blei, Zinn und Antimon, die wegen ihrer ausgezeichneten GieBfahigkeit und ihres hohen Verschleifiwiderstandes im graphischen Gewerbe zum Giefien einzelner Buchstaben oder zur Herstellung von KomplettguBschriften eingesetzt werden. Auf eine andere, technisch bedeutsame Gruppe von Bleibasislegierungen (Weifimetalle), die als Gleitlager Verwendung finden, wird in Abschn. 9.2.1 ausfuhrlicher eingegangen.

7.7 Nickel und Nickellegierungen Der Hauptanteil des produzierten Nickels wird als Legierungselement fur Stahle, und nur etwa 10 bis 20% werden zur Herstellung von Nickelwerkstoffen eingesetzt. Nickefwerkstoffe sind im allgemeinen recht korrosionsbestandig und

304

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

zeichnen sich z. T. durch hervorragende mechanische Eigenschaften aus. Sie werden haufig dort eingesetzt, wo beide Eigenschaften gefordert werden, wie fur Kuhler, ReaktionsgefaDe und Pumpen in Anlagen der chemischen und petrochemischen Industrie. Wegen ihrer hohen Zunder- und Warmfestigkeit finden sie in Form der Superlegierungen (s. Abschn. 6.1.4.1) aufierdem im Kraftwerksanlagen-, Turbinen- und Ofenbau Anwendung. Nickel steht mit einem Standardpotential von -0,27 V zwischen Eisen und Wasserstoff. Es ist gegen nichtoxidierende und nicht zu starke Sauren bestandig. Dies beruht teils auf der hohen Uberspannung fur die Wasserstoffabscheidung, teils auf Passivierung. Passivschichten formieren sich bereits unter atmospharischen Bedingungen. Nickel ist in kalter, verdunnter FluDsaure bis zu Konzentrationen von 60% und in Schwefelsaure bis zu Konzentrationen von 70% (Abtrag 3 g m-2 je Tag), gegen Wasser und Seewasser sowie in besonderem MaBe in alkalischen Losungen und Schmelzen bestandig. In seiner Bestandigkeit gegen Atznatron wird es nur noch vom Silber ubertroffen. Aus diesem Grund wird es fur die Herstellung und Lagerung von Natronlauge als Voll- oder Plattiermaterial eingesetzt. Auch neutrale und saure Salze (Chloride, Sulfate, Nitrate) sowie die meisten organischen Sauren und Salzsaure in waBriger Konzentration greifen Nickel nur wenig an, so daB es im Kontakt mit chlorierten Losungsmitteln und Chemikalien (Trichlorethylen, Hexachlorethan, Phosphoroxichlorid) verwendet wird. Stark wird das Nickel dagegen in oxidierenden Sauren aufgelost. In heiBer Salpetersaure z. B. werden Abtragungen bis 8 900 g m-2 je Tag gemessen. Auch gegen Phosphorsaure liegt wenig Bestandigkeit vor; in reiner Phosphorsaure werden Abtragungen von 10 bis 20 g m-2 je Tag beobachtet. Nachteilig ist die grol3e Empfindlichkeit des Nickels gegen schwefelhaltige Case (Rauchgase). Dieses Verhalten iibertragt sich auch auf Nickellegierungen. Schwefel ist im Nickel bei Raumtemperatur unloslich; man trifft ihn deshalb als Nickelsulfid an den Korngrenzen an, wodurch das Nickel kalt- und rotbriichig wird. Nickel und seine Legierungen durfen deshalb nicht in schwefelhaltigen Gasen eingesetzt werden.

7.7.1 Nickel-Kupfer- Legierungen Durch Kupferzusatze wird die Bestandigkeit des Nickels gegeniiber Chloridund Fluoridionen sowie Flu& und Schwefelsaure erhoht. Wie Bild 7.17 verdeutlicht, sind bei etwa 30% Cu die Masseverluste in Meerwasser am geringsten. In lufthaltiger und -freier Schwefelsaure konnen die Legierungen bei Raumtemperatur bis zu einer Saurekonzentration von 80% eingesetzt werden (Bild 7.18). FluBsaure greift, sofern sie nicht beliiftet ist, Ni-Cu-Legierungen selbst bei hohen Konzentrationen und Temperaturen nicht an. Gegenuber Salzsaure sind Ni-CuLegierungen bestandig, wenn der Cu-Gehalt 10% nicht iiberschreitet; Beliiftung und hohere Temperaturen steigern die Abtraggeschwindigkeit. Wahrend reine konzentrierte Phosphorsaure unter LuftabschluD wenig angreift (6 g m-2 je Tag), ist der Abtrag in technischen Sauren wesentlich hoher (400gm-2 je Tag). In schwefliger Saure ist die Bestandigkeit nur gering. Sehr widerstandsfahig sind Ni-Cu-Legierungen gegeniiber trocknen, gasformigen Halogenen, im Kontakt mit Chlorwasserstoffen sowie in alkalischen Losungen.

7.7

Nickel-Gehalt

Nickel und Nickellegierungen

305

Bild 7.17 Korrosionsverhalten von Ni-Cu-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung in Meerwasser (nach E To&)

94

0

7

Bild 7.18 Korrosionsverhalten von NiCuSOFe (Monel) in Schwefelsaure unterschiedlicher Konzentration (nach J. Biinger)

Technische Bedeutung haben die Legierungen NiCu30Fe (alloy 400) mit mindestens 63% Ni, 28 bis 34% Cu sowie 1 bis 2 3 % Fe und die durch Zusatz von A1 und Ti aushartbare Legierung NiCu30Al (alloy K-SOO), die auch als Monel bekannt sind. Wegen ihrer Bestandigkeit gegenuber Chlorwasserstoffen werden sie in Destillationsturmen der Roholverarbeitung eingesetzt. Weiterhin finden sie Verwendung fur Siebe, Zentrifugenkorbe und Rohrleitungen bei der Herstellung von Ammonsalzen, fur Trommelfilter der Kaliindustrie, fur Kessel der Fettverseifung u. a. m. Ni-Cu-Legierungen werden im allgemeinen ebenmaBig abgetragen. In lufthaltiger FluBsaure tritt gelegentlich Entnickelung, eine der Entzinkung von Messing vergleichbare Korrosionserscheinung, auf. Lochkorrosion wird vornehmlich unter Fremdkorperablagerungen beobachtet.

7.7.2 Nickel-Molybdan-Legierungen Durch Zulegieren von Molybdan wird die Bestandigkeit des Nickels, vor allem gegen reduzierende Korrosionsmedien, verbessert. Die bekannteste Legierung

306

7

Werkstoffe f u r korrosive Beanspruchung

0 5 70 15 20 25Mm%35 Mo- Gehalt

Bild 7.19 Korrosionsverhalten von Ni-Mo-Lcgierungen in Salzsaure (nach W Karz)

Bild 7.20 Korrosionsverhalten von NiMo30Fe in Salzsaurelosungen in Abhangigkeit von der Temperatur (nach H . Wiggin)

ist NiMo28 (alloy B-2) mit 26 bis 30% Mo und 1,5 bis 2% Fe. Neuere Entwicklungen enthalten 3 bis 5% Fe und bis zu 1,5% Cr. Wahrend durch den hohen MoAnteil die ausgezeichnete Bestandigkeit gegenuber reduzierenden Sauren gewahrleistet wird, fuhrt der Fe-Zusatz zu einer verbesserten Duktilitat und damit Herstell- und Verarbeitbarkeit. Nickel-Molybdun-Legierungensind gegenuber einer groBen Zahl von Sauren bestandig. Besonders ausfiihrliche Ergebnisse liegen uber das Korrosionsverhalten in Salzsaure vor. Schon geringe MoGehalte ( 5 bis 7%) setzen die Korrosionsgeschwindigkeit stark herab (Bild 7.19). A b etwa 15% Mo wird der Abtrag weiter reduziert, so dalS er fur die 30%ige Legierung nur noch unbedeutend ist. Mit Bild 7.20 wird unter Einbeziehung des Einflusses von Saurekonzentration und Temperatur das Bild vom Korrosionsverhalten in HCl weiter vervollstandigt. Die Legierung mit 30% Mo wird

7.7

I

0

70

23

I I I I 30 40 50 60 H2 SO4- Konzentmtion

I

70

Nickel und Nickellegierungen

I

I

I

8OMaue-% 100

307

Bild 7.21 Korrosionsverhalten von NiMoSOFe in Schwefelsaure unterschiedlicher Konzentration und Temperatur (nach H. Wiggin)

hinsichtlich des Korrosionswiderstandes gegen unbeluftete Salzsaure nur noch von Ag, Ta und Pt ubertroffen. Auch gegenuber Schwefelsaure zeigt sich die Legierung bei Raumtemperatur bestandig; der Angriff nimmt jedoch mit Temperatur und Saurekonzentration zu (Bild 7.21). Die gute Bestandigkeit ist nur unter der Voraussetzung gegeben, dalj eindeutig reduzierende Bedingungen vorliegen. Eine Beluftung oder die Anwesenheit von Sauerstoff und Schwermetallionen wirken sich korrosionsbeschleunigend aus. Phosphorsaure ist bei Raumtemperatur gleichfalls unbedenklich; bei Siedetemperatur betragt der Abtrag fur NiMo30Fe nur 2,4 g m-2 je Tag. Keine Korrosionserscheinungen werden schlieljlich auch unter Einwirkung von FluBsaure (alle Konzentrationen und Temperaturen), von organischen Sauren (Essig- und Ameisensaure) sowie Wassern und Dampfen beobachtet. Dagegen verursachen schwefelhaltige Gase - wie bei den anderen Nickellegierungen - sowie konzentrierte Salpeter- und Chromsaure starke Korrosion. Nickel-Molybdan- wie auch Nickel-Chrom-Molybdan-Legierungen (Abschn. 7.7.4) erleiden gelegentlich interkristalline Korrosion, die durch die Entstehung molybdanverarmter Bereiche infolge der Ausscheidung von intermetallischen Phasen gegeben ist. Im Falle von Ni-Mo-Legierungen handelt es sich um die sprode intermetallische Phase Ni,Mo (zwischen 600 und 900°C) und in Ni-MoCr-Legierungen um Ni3M03Cr und Ni2M04Cr, die bei Temperaturen uber 1200 " C entstehen. Die interkristalline Korrosion der Nickel-Molybdan-Legierungen laljt sich durch Vanadiumzusatze sowie spezifischem Losungsgluhen verhindern.

7.7.3 Nickel-Chrom-Legierungen Die Nickel-Chrom-Legierungen zeichnen sich durch eine erhohte Zunder- und Warmfestigkeit sowie Bestandigkeit bei reduzierender und oxidierender Bean-

308

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

spruchung aus. Insbesondere die Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen kommen fur den Einsatz in korrosiven Gasen bei hohen Temperaturen unter oxidierenden Bedingungen in Betracht. In der Tabelle 7.6 sind zwei technisch interessante und eingefuhrte Vertreter naher beschrieben. Die weitgehende Bestandigkeit der NiCr-Legierungen gegen oxidierenden Angriff beruht auf der Ausbildung festhaftender, dichter Schutzschichten, die aus NiCr,04-Spinellen sowie vor allem Cr,O, bestehen. Tabelle 7.6 Angaben zurn Korrosionsverhalten und zur Verwendung von Ni-Cr-Legierungen Bezeichnung

Zusammensetzung

Kennzeichnende Eigenschaften

Einsatzbereiche

%

NiCr8020

> 76 Ni 19 . . .21 Cr

hoher elektrischer Widerstand mit klei- Heizleiter, Widernern Temperaturkoeffizienten, zunderbe- stande, Strahlrohre, standig an Luft bis 12SO"C, in schwefel- oxidierende Medien und halogenhaltiger Atmosphare bis 350°C

NiCrlSFe

> 72 Ni 14.. .17 Cr 6 . ..10 Fe

hohere Warmfestigkeit, Zeitdehngrenzen und Warmeschockbestandigkeit als NiCr8020; hohe Korrosionsbestandigkeit gegen nitrierende und aufkohlende Ofenatmosphare; hohe Bestandigkeit gegen SpannungsriRkorrosion und Versprodung; zunderbestandig an Luft bis 1100"C, in reduzierender S-haltiger Atmospare (H,S) his 550"C, in oxidierender S-haltiger Atmosphare (SO,) his 800°C

chemische Apparate, hitze- und zunderbestandige Bauteile, Auspuffanlagen. Einsatzkasten, Nitrierbehalter, Retorten, Gliihtopfe. petrochernische Anlagen

7.7.4 Nickel-Chrom-Molybdan-Legierungen Legierungen auf Nickelbasis mit den Hauptlegierungselementen Chrom und Molybdan werden als korrosionsbestandige Werkstoffe sowohl in oxidierenden als auch reduzierenden Korrosionsmedien dort verwendet, wo die Bestandigkeit von Chrom-Nickel-Stahlen nicht mehr ausreicht. Vergleichbar mit diesen Stahlen bilden sich in sauren Elektrolytlosungen stabile Passivschichten aus, die vorrangig aus Chromoxid und kleinen Anteilen von Molybdanoxid bestehen [7.30]. Eine Grundvoraussetzung fur die geforderte Bestandigkeit ist ein homogenes Gefuge. Ausscheidungen an den Korngrenzen in Form von intermetallischen Phasen (meist Carbide) konnen zu Chromverarmung fuhren und damit AnlaB zu interkristalliner Korrosion geben [7.29]. Die Drei- und Mehrstofflegierungen weisen Chromgehalte zwischen 15 und 24% und Molybdangehalte zwischen 3 und 18% auf. In einigen ausgewahlten Legierungen sind noch zusatzliche Elemente wie Eisen, Aluminium, Titan und Niob enthalten. Die Eisengehalte schwanken zwischen 1,5 und 30%, wobei einige Legierungen auch molybdanfrei sind. Die bekanntesten Legierungen dieser Gruppe sind NiMol6Cr16Ti (alloy C-4), NiCr23Mo16Al (alloy 59) und NiMo16CrlSW (alloy C-276). Die molybdanhaltigen Werkstoffe haben eine ausgezeichnete Bestandigkeit gegen Oxidation in

7.8

Edle Metalle

309

Verbindung mit Chloridangriff und Aufkohlung sowie eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit. Sie sind gegenuber Sauren, auch in FluBsaure und organischen Sauren, bestandig. Anwendung findet die Legierung alloy C-4 in Anlagen zur Herstellung anorganischer Chemikalien, Dungemitteln und Essigsaure. Typische Einsatzgebiete der beiden anderen Legierungen sind in der Meerestechnik, in Offshore-Anlagen, in der Rauchgasentschwefelung, bei der Abwasseraufbereitung, aber auch unter den aggressiven Bedingungen der Sauergasforderung gegeben. Weiterhin ist die Nb-stabilisierte Legierung NiCr22Mo7Cu (alloy G-3) zu nennen, die eine ausgezeichnete Bestandigkeit gegen Loch-, Spalt- und Spannungsril3korrosion aufweist. Sie ist bestandig gegenuber extrem korrosiven, chlorid- und fluoridverunreinigten Schwefel- und Phosphorsauren. Die Ausscheidung von M2&-Carbiden ist stark vermindert, so daB auch keine Korrosion in der WarmeeinfluBzone von SchweiBnahten beobachtet wird. Der Einsatz erfolgt in chemischen und petrochemischen Anlagen sowie zur Dungemittel- und Essigsaureherstellung.

7.8 Edle Metalle Von den Edelmetallen Gold, Silber und Platin finden wegen ihres hohen Preises nur das Silber in grol3erem und das Platin in geringerem Umfang vor allem im chemischen Apparatebau und in der chemischen Industrie Verwendung. Meist kommen sie nicht als kompakte Werkstoffe, sondern als dunne galvanisch abgeschiedene Schichten oder als Plattierungen in Betracht. Da das Tantal und das Zirconium ein ahnlich gutes Korrosionsverhalten wie Edelmetalle haben, sollen sie in diesem Kapitel mitbehandelt werden.

7.8.1 Silber Silber wird auf Grund seiner hohen Bestandigkeit gegen Luft, Wasser, organische Sauren und Alkalien vor allem in der Labortechnik, fur Apparate und Gerate der chemischen und pharmazeutischen Industrie, als Uberzugs- und Auskleidungsmaterial sowie als Hartlot (s. Abschn. 11.4.2) eingesetzt. Das Korrosionsverhalten des Silbers wird in starkem MaBe von der Ausbildung schutzender Deckschichten bestimmt. Bis zu hohen Temperaturen Schutz bietende Deckschichten entstehen in Phosphorsaure unterschiedlicher Konzentration und Temperatur. In Verbindung mit Salzsaure ist das Korrosionsverhalten von der Konzentration, der Temperatur und der Anwesenheit von Sauerstoff abhangig. Kalte, verdunnte HC1 vermag, ebenso wie verdunnte H2S04, das Silber nicht anzugreifen. Ahnlich bestandig ist Silber in Flul3saure unterschiedlicher Konzentration, obwohl Silberfluorid wasserloslich ist. Dagegen findet in Salpetersaure uber die Bildung von Stickoxiden und in konzentrierter Schwefelsaure, die vorhandene Deckschichten unter Silbersulfatbildung lost, ein starker Abtrag statt. Beliiftung verstarkt die Auflosung noch. Silber ist gegen Alkalihydroxidlosungen und Schmelzen bis 700 " C bestandig. Dagegen greifen es Ammoniumhydroxidlosungen an. An der Luft entsteht eine Deckschicht, die aus Oxid und Sulfid bzw. in stark S02-haltiger Atmosphare aus Sulfat besteht. Mit gasformigen Halogenen bildet das Silber Anlaufschichten, die

310

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

den weiteren Angriff hemmen. Wichtigstes Legierungselement des Silbers zur Erhohung von Harte und VerschleiBwiderstand ist das Kupfer (bis 20%). Bei galvanisch abgeschiedenen Silberschichten wird durch Zusatz von Blei, Wismut, Antimon, Arsen und Zinn das sogenannte Hartsilher erzeugt, das bei guter Korrosionsbestandigkeit Harten bis zu etwa 160 HV erreicht.

7.8.2 Platin Platin wird nicht nur wegen seiner hervorragenden Korrosionsbestandigkeit, sondern auch auf Grund seines hohen Schmelzpunktes (1773 "C) und niedrigen Dampfdruckes sowie der guten Verarbeitbarkeit zur Herstellung von Laborgeraten u. a. m. herangezogen. In der chemischen Industrie dient Platin als Anodenmetull, so fur die Gewinnung von Perchlorat und Natriumhydroxid. Spinndusen aus Platin kommen im Xanthogenat-Celluloseverfahren, wo in Sauren versponnen wird, zur Anwendung. Zur Verbesserung der Festigkeit wird das Platin vor allem mit Iridium bis 10% (Anoden fur die Chlorherstellung) sowie Rhodium oder Gold legiert. In der Glasindustrie werden zum Schmelzen hochwertiger Glaser Pt-Rh-Legierungen mit bis zu 10% Rh eingesetzt. Platin ist saurebestandig. Flul3-, Salpeter- und Schwefelsaure greifen es nicht, Salzsaure erst bei hoheren Temperaturen und in Anwesenheit von Sauerstoff an. Wie Gold wird es in Konigswasser gelost. An Luft ist Platin auch bei hoheren Temperaturen bestandig, so dal3 es fur starker beanspruchte Schaltkontakte einsetzbar ist. Auch Fluor vermag nicht einzuwirken. Dagegen greifen gasformiges Chlor und Brom schon bei Raumtemperatur an.

7.8.3 Zirconium Handelsubliches Zirconium enthalt meist 2 bis 2,5% Hafnium, das die hervorragende Korrosionsbestandigkeit nur unwesentlich beeinflufit. In Salzsaure jeder Konzentration und Temperatur wird es nicht, von Schwefelsaure (bei Konzentrationen bis zu 75%) und Phosphorsaure nur wenig angegriffen. Es ist widerstandsfahiger als Titan und wird fur spezielle Zwecke der chemischen Industrie sowie in Form von Legierungen als Hiillenwerkstoff in Kernreaktoren verwendet. Auch gegenuber 10 bis 70Y0iger Salpetersaure ist es bei Raumtemperatur bestandig. Mischungen von Salpeter- und Salzsaure wie auch FluBsaure fuhren dagegen zu einem betrachtlichen Abtrag. In alkalischen Losungen und zum Teil auch in Schmelzen wird bis zu hoheren Temperaturen kein nennenswerter Angriff beobachtet. Gegen Gase ist das Zirconium bei hoheren Temperaturen (400 bis 1100°C) nicht bestandig. So bilden sich bei Einwirkung von Wasserstoff Hydride, die zur Versprodung des Metalls fuhren, und in Gegenwart von Sauerstoff bzw. Stickstoff deren Verbindungen. Die groBe Affinitat des Zirconiums zu Sauerstoff und Stickstoff wird fur die Reinigung von Gasen sowie zur Aufrechterhaltung hoher Vakua genutzt (Getterwirkung). Gegen Chloride ist Zirconium im allgemeinen bestandig. Eine Ausnahme bilden FeCl, und CuCl,, die zu LochfraB fuhren. Zirconium bildet die Matrix der sogenannten Inoue-Legierungen. Es handelt sich dabei um Mehrstofflegierungen mit einem niedrig schmelzenden Eutektikum. Mit Zusammensetzungen von ZrssCr30Al,~NislaBt sich relativ einfach

7.9

Metallische Uberzugswerkstoffe

311

durch erhohte Abschreckgeschwindigkeit (1 bis 10 K/s) der amorphe Zustand erreichen. Im Vergleich zu anderen Verfahren liegt danach ein kompakter Werkstoff vor. Die Korrosionsbestandigkeit von derartigen Legierungen ist in einem weiten pH-Bereich (pH 2 bis 13) gegeben [7.31].

7.8.4 Tantal Wegen seiner hervorragenden Verformungsfahigkeit (bis 80% Verformung praktisch keine Kaltverfestigung), seiner guten Warmfestigkeit (Schmelztemperatur 2850 "C) und Warmeleitfahigkeit sowie der ausgezeichneten, der der Edelmetalle nahekommenden Korrosionsbestandigkeit in Sauren wird das Tuntul vorwiegend im chemischen Apparatebau, z. B. fur Vorwarmer, Kuhler und Kondensatoren, eingesetzt. Ein anderer bekannter Verwendungszweck fur Tantal sind Spinndusen in der Kunstseidenindustrie, wo es das Platin ersetzt. Ein umfangreicher Einsatz von monolithischem Tantal verbietet sich allerdings auf Grund seines Preises. In Form von Werkstoffverbunden erscheint es jedoch moglich, die mit Tantal verbundenen spezifischen Kosten zu reduzieren [7.32]. Tantal ist gegen Salz- und Salpetersaure jeder Konzentration und Temperatur bestandig. Auch Schwefelsaure niederer Konzentration greift es nicht an. In konzentrierter, warmer oder rauchender Schwefelsaure ist jedoch die Bestandigkeit nicht mehr gegeben. Ebenfalls wirkt Phosphorsaure bei hoheren Konzentrationen und Temperaturen, Flufisaure hingegen in jeder Konzentration korrodierend. Organische Sauren, gleich welcher Konzentration, greifen Tantal nicht an. In alkalischen Losungen nimmt der Abtrag mit der Konzentration und Temperatur zu. Im Kontakt mit weniger edlen Metallen kann Wasserstoffversprodung auftreten [7.32]. An Luft, auch in Industrieatmosphare ist Tantal bestandig. Chlorgase greifen das Tantal nicht an. In Wasserstoffatmosphare bilden sich Hydride, die zur Versprodung fuhren. Deshalb mulj beispielsweise die Tantalherstellung durch Sintern bzw. Lichtbogenschmelzen im Hochvakuum erfolgen.

7.9 Metallische Uberzugswerkstoffe Um nicht oder weniger bestandige und vielfach auch billigere Werkstoffe bestimmten korrosiven Beanspruchungen aussetzen zu konnen, werden sie mit geeigneten Uberzugsmetullen beschichtet [7.33]. Der Uberzug mu8 dicht sein, damit die Trennung von Grundwerkstoff und angreifendem Mittel auf langere Zeit gewahrleistet ist, fest haften und meist auch gegen mechanische Beanspruchung genugend widerstandsfahig sein. Fur die Beschichtung kommen sowohl Metalle in Betracht, die als ,,selbstandige" Konstruktionswerkstoffe eine Rolle spielen und bereits erortert wurden, z. B. Nickel oder Aluminium, wie auch solche, die wegen anderer mangelnder Eigenschaften ausschliefilich als ,,Hilfsmaterialien" Verwendung finden, beispielsweise Zinn [7.12]. Die wichtigsten Methoden der Beschichtung sind das elektrolytische Abscheiden, das Schmelztauchen, das Spritzen (s. a. Abschn. 8.2.4.2) und das Eindiffundieren (s. a. Abschn. 8.2.4.4).

7

312

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

7.9.1 Zinkuberzuge Zink (Standardpotential -0,76 V) gehort zu den unedlen Metallen. Dank der Bildung dichter Schichten aus basischen Zinkverbindungen, besonders Carbonaten, und der hohen Wasserstoffuberspannung ist es an der Atmosphare und in weniger aggressiven Wassern ausreichend bestandig; beste Bestandigkeit wird bei pH-Werten von 7 bis 12 (Bild 7.22) beobachtet. \

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Bild 7.22 Korrosion von Zink in waisrigen Losungen bei unterschiedlichem pH-Wert

Von den fur die Herstellung metallischer Uberzuge auf Blechen, Bandern, Rohren, Drahten, Hohlkorpern und Konstruktionsteilen aus Stahl bekannten Verfahren steht das Verzinken an erster Stelle. Die Bandbreite des praktischen Einsatzes von verzinktem Stahl ist kaurn vollstandig darstellbar. Im Baubereich sind es Stahlskelettkonstruktionen, Feuertreppen, Balkonanlagen, Zaune, Gelander, Blitzschutz- und Antennenanlagen, Vordacher sowie Pavillons. Im stadtischen Bereich sind es vor allem Verkehrseinrichtungen wie Schilderbrukken, Ampelanlagen, Lichtmasten, Sicherheitsketten, Freiraumiiberdachungen usw. SchlieBlich sei mit einem erheblichen Volumen die verzinkte Automobilkarosserie genannt. Eine vergleichbar positive Entwicklung vollzog sich auch beim gewalzten (legierten) Zink. Der Nachfolger des Walzzinks in Form des ,,Titanzinks", das sowohl als massives Blech als auch in walzplattierter Form eingesetzt wird, hat sich als metallische Wetterhaut und gleichzeitig gestaltendes Element im Baubereich durchgesetzt [7.34]. Im Gegensatz zu Zinn durfen Zinkuberzuge nicht auf Gegenstande aufgebracht werden, die mit Lebensmitteln in Beruhrung kommen, da bei der Zinkkorrosion gesundheitsschadliche Verbindungen entstehen. Bei Trinkwasserkonstruktionen sind an geschweiBten, verzinkten Stahlrohren gehauft Korrosionsschaden an SchweiBnahten aufgetreten. Ihrer Erscheinungsform nach werden sie als Grubenkorrosion bezeichnet. Sie wird durch schwefelhaltige Blockseigerungen (Schwefelgehalte > 0,008% ) im Bandstahl verursacht [7.35]. Derartige Schaden lieBen sich zwar durch metallurgische MaBnahmen verhindern, sind aber sehr teuer. Auf Stahl ubt das Zink auch dann noch eine gewisse Schutzwirkung (Fernwirkung) aus, wenn die Schicht beschadigt ist und das Eisen stellenweise freiliegt: Das gegenuber dem Eisen unedlere Zink geht, insbesondere in Wassern rnit erhohter Leitfahigkeit (Meerwasser) anodisch in Losung und lenkt so den Korrosionsangriff auf sich. Dieses Verhalten wird auch bei der Verwendung des

7.9

Metallische Uberzugswerkstoffe

313

Zinks fur den katodischen Korrosionsschutz, beispielsweise als ,,Opferanoden " in Stahlbehaltern genutzt. Das Aufbringen der Zinkschichten geschieht in der Mehrzahl der Falle durch Feuerverzinken, bei dem das zu verzinkende Teil in eine Zinkschmelze eingetaucht wird. Je nach Temperatur der Schmelze und Tauchdauer entsteht zwischen Grundwerkstoff und au13erer Zone aus Reinzink ein mehr oder weniger dicker Ubergangsbereich, der an intermetallische Phasen des Zinks mit Eisen angereichert, sehr sprode und deshalb unerwunscht ist. Den Qualitatsanspruchen genugende, aber wesentlich dunnere Zinkschichten (Materialeinsparung), die auch keine sprode Zwischenschicht aufweisen, werden auf galvanischem Wege gewonnen. In sauren Badern verlauft bei fast 100%iger Stromausbeute die Zinkabscheidung rascher. Die in alkalisch-cyanidischen Badern bei geringerer Stromausbeute erzeugten Zinkuberzuge sind dagegen glatter, feinkorniger und glanzend. Nachteilig ist, da13 der in cyanidischen Badern mit abgeschiedene Wasserstoff vom Stahl aufgenommen wird und zur Wasserstoffsprodigkeit fuhren kann [7.36]. Nach dem Diffusionsverfahren (Sherardisieren) hergestellte Oberflachenschichten bestehen aus einer Eisen-Zink-Legierung, deren Zinkgehalt von aul3en nach innen abnimmt. Sie haften gut auf dem Grundwerkstoff. Ihre rauhe Oberflache bietet einen ausgezeichneten Haftgrund fur Anstriche. Das Verfahren wird (uberwiegend) fur Kleinteile, die in grol3en Stuckzahlen anfallen, eingesetzt. Das Spritzverzinken mittels Spritzpistole (thermisches Spritzen) ist im wesentlichen der Beschichtung von gro13eren Fertigteilen (Behaltern) oder bereits montierten Konstruktionen bzw. deren Teilen (Schiffbauteilen) vorbehalten. Die aufgebrachten Schichten haften rein mechanisch und sind porig. Es ist deshalb zweckmaflig, sie durch Anstrich abzudichten.

7.9.2 Chromuberzuge Das Chrom, nach seiner Stellung in der Spannungsreihe gleichfalls unedler als Eisen, verdankt seine Verwendung als Uberzugsmetall der starken Neigung, passivierende Deckschichten zu bilden, die ihm hohe Bestandigkeit gegen eine Reihe von Gasen sowie gegenuber Wasser und Sauren verleihen. Ausnahmen bilden heil3e Schwefelsaure und Halogenwasserstoffsauren, Halogensalze und Alkalien. Die Verchromung findet (wenn man von der Hartverchromung zur Herstellung verschleiflfester Niederschlage, s. Abschn. 4.2.3 und 8.2.4.1, absieht) fur Korrosionsschutz und dekorative Zwecke als Glanzverchromung Anwendung. Korrosionsbestandige Uberzuge werden uberwiegend auf galvanischem Wege aus Chromsaurelosungen abgeschieden. Damit die Uberzuge porenfrei sind, waren Schichtdicken von 20 bis 30 pm und eine Abscheidungsdauer von einigen Stunden erforderlich. Aus wirtschaftlichen Grunden wird deshalb die zu uberziehende Stahloberflache zunachst mit Nickel oder Kupfer-Nickel beschichtet und abschliel3end nur mit einer sehr dunnen Chromschicht (0,3 bis l p m ) versehen. Mit Chrom angereicherte Stahloberflachenschichten lassen sich nach dem Diffusionsverfahren (Chromieren) herstellen (s. a. Abschn. 8.2.4.4). Es bilden sich uber den Austausch von Chromatomen eines Reaktionsgases mit Eisenatomen der Stahloberflache Fe-Cr-Mischkristalle, deren Chromgehalte bis etwa 30% reichen. Sofern der Stahl keine anderen starken Carbidbildner enthalt, mu13 sein

314

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

Kohlenstoffgehalt moglichst niedrig sein, da sich sonst Chromcarbide bilden, die einen Teil des eindiffundierenden Chroms binden und so das Korrosionsverhalten verschlechtern. Sind die Chromierschichten porenfrei, kann man die gleiche Korrosionsbestandigkeit wie von Chrom-Stahlen erwarten. Der bei der Anwendung der Chromierung erzielten Chromeinsparung stehen die hoheren Kosten des Verfahrens (hohe Temperaturen, lange Reaktionszeiten) sowie die Gefahr, daB sich groBere Teile verziehen, gegenuber. Als Beispiel fur eine technische Anwendung sei die Chromierung von Gasturbinenschaufeln genannt. Hochbeanspruchte Schaufeln stationarer Gasturbinen werden zum Schutz gegen Alkalisulfate, die von Schwefelverbindungen in Brennstoffen herruhren, haufig aus Nickelbasiswerkstoffen hergestellt (s. a. Abschn. 7.7.4). Die Lebensdauer sowohl aus mechanischer als auch korrosiver Sicht konnte durch Chromierschichten mit Anteilen bis zu 80% Chrom in oberflachennahen Bereichen deutlich erhoht werden.

7.9.3 Aluminiumuberziige Mit Aluminium beschichtete Werkstoffe sind auch uber langere Zeiten an der Atmosphare korrosionsbestandig, wenn die Schichten genugend dick und dicht sind. Befinden sich im Uberzug Poren, dann geht - wenn die Unterlage aus Stahl besteht - nicht oxidbedecktes Aluminium anodisch in Losung (Fernwirkung). Fur die Herstellung von Aluminiumuberzugen (Alitieren, Aluminieren) dominiert die Feueraluminierung, die bei etwa 675 " C durchgefuhrt wird und im Falle der Alitierung von Stahl mit der Bildung sproder intermetallischer Phasen (A15Fe2, Al,Fe, A1,Fe) verbunden ist. MaBgeblich fur die Haftfestigkeit der Uberzuge ist die unmittelbar auf der Stahloberflache gebildete Eisen-Aluminium-Mischkristallzone; die genannten intermetallischen Phasen befinden sich daruber, wobei die Al,Fe,-Phase auf Grund der grol3en Wachstumsgeschwindigkeit dominierender Bestandteil ist. Die aul3ere Zone der Schicht besteht aus Reinaluminium mit Restanteilen von A1,Fe bzw. A1,Fe. Man kann das Auftreten der sproden Phasen vermindern oder verhindern, wenn Legierungszusatze zum Al-Bad (z. B. bis zu 10% Si) gegeben werden oder vor dem Tauchen ein Hilfsuberzug aus Kupfer, Zinn, Zink bzw. Cadmium niedergeschlagen wird. Eine weitere Moglichkeit besteht darin, Aluminiumschichten durch thermisches Spritzen aufzutragen. Sowohl das Tauch- als auch das Spritzverfahren werden dazu genutzt, unlegierten Stahl vor Verzunderung zu schutzen. Beim Spritzen mussen die Teile zuvor auf hohere Temperatur erhitzt werden, damit sich die Legierungsschicht bilden kann. Auf Grund ihres hohen Al-Gehaltes und der auf der Oberflache bestehenden dichten Oxidhaut weist die Schicht eine gute Zunderbestandigkeit auf, die jedoch bei Temperaturen oberhalb 800"C, wo das Aluminium schnell in den Stahl diffundiert, verlorengeht. Die Erfahrung zeigt, daB Aluminiumbeschichtungen in Industrieatmosphare Zinkuberzugen uberlegen sind. Ihren groBten Schutzwert haben sie bei pH-Werten kleiner 3,9. Eine breitere Anwendung haben Alitierschichten bei Beanspruchungen im Hochtemperaturbereich (1000 "C) fur Turbinenschaufeln aus Nickelbasiswerkstoffen (s. a. Abschn. 7.7.4) gefunden. Sie schutzen vor allem vor einer Sulfidierung der Oberflache. Alitierschichten werden auch auf Chromstahlen aufgebracht, insbesondere auf Schaufeln in Verdichtern von Entschwefelungsanlagen.

7.9

Metallische Uberzugswerkstoffe

315

Neben Chromieren und Aluminieren findet auch das Chromaluminieren praktische Anwendung. Zur Erzeugung von Chromalitierschichten werden die Bauteile zunachst chromiert und anschlieflend alitiert. Es ist auch eine gleichzeitige Eindiffusion moglich. Entsprechend der Ausfuhrungen im vorangegangenen Abschnitt werden derartige Schichten hauptsachlich auf Nickelbasiswerkstoffen erzeugt.

7.9.4 Zinnuberzuge Zinn (Standardpotential -0,136 V) ist wegen seiner hohen Wasserstoffuberspannung (sie betragt in 0,2 n Schwefelsaure 0,55 V) und der Fahigkeit, unlosliche Deckschichten aus Zinn(I1)- und Zinn(1V)oxid zu bilden, an der Atmosphare und in waBrigen Losungen sehr bestandig. Auch verdunnte Sauren wirken nur langsam ein, konzentrierte Schwefelsaure und heil3e Laugen hingegen rasch. Zinn wird uberwiegend fur Uberzuge auf Eisen, insbesondere fur die Herstellung von We$blech (Konservendosen), zunehmend aber auch fur Bander aus Kupfer- und Kupferlegierungen fur Bauteile in der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt. Kommt das Zinn mit Lebensmitteln in Beruhrung, so darf der Bleigehalt 1 % nicht ubersteigen. Ansonsten konnen auch untereutektische Sn-Pb-Legierungen als Uberzugsmaterial verwendet werden. Wegen des betrachtlichen Potentialunterschiedes zwischen dem unedlen Eisen und dem edleren Zinn ist der Korrosionsschutz nur gegeben, wenn der Zinnuberzug porenfrei ist. In Fruchtsaften und verdunnten organischen Sauren wird jedoch eine Potentialumkehr beobachtet, so daB das Zinn bei schadhafter Schicht anodisch in Losung geht. Das alteste Verfahren zur Erzeugung von Zinndeckschichten ist die Feuerverzinnung, die z. B. am Stahlband im kontinuierlichen Betrieb durchgefuhrt wird, allerdings nur fur bestimmte Anwendungen Bedeutung erlangt hat. Bei Stahl bildet sich im Kontakt mit der Zinnschmelze (280 bis 325 "C) an der Grenzflache eine Legierungszwischenschicht aus FeSn,, die auch die Haftung zum Grundwerkstoff ubernimmt. Da der Kohlenstoff die Haftung verschlechtert, eignen sich fur die Verzinnung vor allem Stahle, deren C-Gehalt kleiner als 0,3% ist. Auch bei Kupfer und Messing wird die Haftung durch Legierungsbildung bewirkt. Durch galvanisches Verzinnen im Durchlaufverfahren werden heute uber 90% des WeiBbleches hergestellt, wobei sowohl saure (kalte) als auch alkalische (heiBe) Bader benutzt werden. Die Zinnschichtdicke betragt nur 0,3 bis 1,5 pm. Sind die Uberzuge matt, konnen sie durch Aufschmelzen in heiBem 01 glanzend gemacht werden. Es entsteht dann wieder die FeSn,-Zwischenschicht. GroBere Behalter werden nach dem Streuverfahren verzinnt, indem das gepulverte Zinn aufgestreut und auf den uber die Schmelztemperatur erhitzten Flachen verrieben wird. Das Ansieden (Sudverzinnen), bei dem das Zinn aus einer Salzlosung durch das unedlere eingetauchte Grundmetall ausgefallt wird, ist der Verzinnung von kleinen Massenteilen (Stecknadeln, Osen, Kettenglieder) vorbehalten. Die stromlos niedergeschlagenen Schichten haften genugend fest, sind aber sehr dunn.

7.9.5 Kupferuberzuge Kupferuberzuge allein werden fur den Oberflachenschutz nur sehr selten (Schmuckwaren) eingesetzt. Sie dienen hauptsachlich als Zwischenschichten fur

316

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

einen weiteren Uberzug (Chrom, Nickel). Kupfer lal3t sich ohne Schwierigkeiten auf fast alle Gebrauchsmetalle bei hoher katodischer Stromdichte aufbringen. Im allgemeinen ist die Oberflachenqualitat so gut, dal3 eine weitere Nachbearbeitung unnotig ist.

7.9.6 Nickeluberzuge Nickeluberzuge werden sowohl fur den Korrosionsschutz als auch fur dekorative Zwecke herangezogen. Hauptanwender ist wegen der guten Bestandigkeit des Nickels gegen atmospharische Beanspruchungen der Fahrzeugbau. Nickeliiberziige werden in der Praxis fast ausschliel3lich auf galvanischem Weg aus sauren Badern niedergeschlagen. Die Schichten sind matt und grau. Um zu hochglanzenden Uberzugen zu gelangen, mussen diese mechanisch poliert oder dem galvanischen Bad Glanzbildner zugegeben werden. Die Vernickelung wird vor allem an Eisen- und Kupferwerkstoffen, weniger bei Zink und Aluminium vorgenommen. Meistens werden Eisenteile vorher noch verkupfert. In vielen Fallen, wie im Fahrzeugbau, dient die Nickelschicht auch als Unterlage fur die verschleil3festere Chromauflage. Da das Nickel in der Spannungsreihe zwischen dem Wasserstoff und dem Eisen steht, ist ein ausreichender Oberflachenschutz in Verbindung mit Stahl nur dann gegeben, wenn die Schicht porenfrei bzw. genugend dick ist. Reine Nickeluberzuge sollen deshalb in Landluft 12,5pm, in Seeluft 25pm und in Industrieluft 50pm dick sein. Um aber Nickel einzusparen, wird dieses nicht direkt auf der Stahloberflache, sondern auf einer Kupferunterlage abgeschieden. Auf diese Weise konnen bei gleichzeitiger Verstarkung der Schutzwirkung die Nickelschichtdicken um 50% und mehr reduziert werden. Fur den Korrosionsschutz sind auch durch Plattieren hergestellte Nickeluberzuge von grol3erem Interesse. Da Nickel jedoch ein relativ teures Metal1 ist, bleibt sein Einsatz nur dann gerechtfertigt, wenn andere, billigere Plattierwerkstoffe nicht in Frage kommen. Auf Stahl walzplattiertes Nickel hat eine Haftfestigkeit von mehr als 240 MPa, wodurch eine mechanische Nachbearbeitung oder Weiterverarbeitung durch Warmpressen ohne weiteres moglich ist.

7.9.7 Cadmiumuberzuge Das Cadmium ahnelt in seinem Korrosionsverhalten weitgehend dem Zink, ist aber in der Spannungsreihe geringfugig edler als Eisen. Unter praktischen Einsatzbedingungen verhalt es sich jedoch anodisch und ergibt damit eine gute Schutzwirkung gegenuber Eisenwerkstoffen. Unter atmospharischen Bedingungen bildet Cadmium auf der Oberflache eine porenarme Schutzschicht aus Oxiden und basischen Salzen aus. Sauren losen diese Schicht jedoch an. Die loslichen Cadmiumverbindungen sind sehr giftig, so da13 Cadmium nicht mit Lebensmitteln in Beruhrung kommen darf. Gegenuber Zinkuberzugen auf Stahl weisen Cadmiumuberzuge im Falle von Schwitzwasserbeanspruchung fur den Einsatz in tropischer und vor allem Seewasseratmosphare hohere Bestandigkeit auf. Cadmium gilt jedoch als stark toxischer, die Umwelt belastender Stoff. Deshalb sollte Cadmium nur im Ausnahmefall angewendet, besser ganz vermieden werden. Alternativen sind in den meisten Anwendungsfallen Zink und Zinklegierungen.

7.10

Rost- und saurebestandige Stahle

317

7.9.8 Bleiuberzuge Auf Grund der mangelnden Festigkeit laBt sich das gute Korrosionsverhalten der Bleiwerkstoffe (s. Abschn. 7.6) in einer Reihe von Fallen (Behalter, Ruhrwerke, Reaktionskammern) nur dann nutzen, wenn sie, vom Grundwerkstoff Stahl gestutzt, als Uberzuge aufgebracht werden. Da sich das Blei nicht rnit Eisen legiert, bereitet das Feuerverbleien Schwierigkeiten. Man umgeht sie, indem nicht reines Blei, sondern Pb-Sn- oder Pb-SbLegierungen verwendet werden oder der zu verbleiende Eisenwerkstoff vorher verzinnt wird (Homogenverbleiung). Es sind Zinnauflagen von 10 bis 20pm ublich. AnschlieBend werden mit einem Brenner eine oder mehrere Lagen Blei aufgeschmolzen. Dabei bildet sich eine Legierungszwischenschicht. Es mu13 jedoch darauf geachtet werden, daB das Zinn im Zuge der Legierungsbildung nicht bis an die Oberflache gelangt, da sonst deren Korrosionsbestandigkeit verschlechtert wurde.

7.10 Rost- und saurebestandige Stahle Unlegierte und niedriglegierte Stahle rosten unter dem EinfluB der Atmosphare oder erleiden bei Einwirkung entsprechender Medien anderweitigen Angriff. Um Bauteile aus diesen Werkstoffen vor Zerstorung zu bewahren, sind zusatzliche MaBnahmen, wie z. B. Schutzanstriche, erforderlich. Es gibt jedoch auch technisch wichtige Bereiche, wo MaBnahmen des passiven Korrosionsschutzes nicht ausreichend bzw. rnit anderen Bedingungen des Werkstoffeinsatzes nicht vertraglich sind. In solchen Fallen lassen sich haufig rost- und saurebestandige Stahle mit Vorteil einsetzen. Ihre Bezeichnung sagt nicht, dal3 sie unter jedweden Bedingungen widerstandsfahig sind. Sie werden als korrosionsbestandig angesehen, wenn der durch Korrosion verursachte Masseverlust kleiner als 2,4 g m-2 je Tag ist. Die Hauptmenge der im Apparatebau, etwa 90%, genutzten korrosionsbestandigen Stahle entfallt auf die bekannten Standardtypen. Wie bei den hitze- und zunderbestandigen Stahlen (s. Abschn. 6.2) - der Stahl X6CrNiTil8-10 ist beispielsweise sowohl als hitze- und zunder- wie auch als rostund saurebestandiger Werkstoff weit verbreitet - treten als Hauptlegierungselemente Cr und Ni sowie rnit kleineren Gehalten Mo, Ti, Cu, Si und A1 auf. Hinsichtlich des im Anwendungszustand bestehenden Gefuges lassen sich die rostund saurebestandigen Stahle in ferritische, perlitisch-martensitische und austenitische Stahle einteilen. Ungeachtet dessen zeigen sie ein im Grunde einheitliches Korrosionsverhalten, das durch die auf der Stahloberflache befindliche Passivschicht (Oxidschicht) gepragt ist. Die Stabilitat dieser Schicht ist weitgehend vom Cr,O,-Gehalt und ihrer Kristallinitat abhangig. Anders als fruher angenommen, sind kristalline Schichten bestandiger als amorphe; eine Erkenntnis, die gut in Ubereinstimmung rnit der Thermodynamik steht. Daruber hinaus ist die Homogenitat des Grundwerkstoffes von EinfluB. Anhaufungen von Fremdatomen sowie eingelagerte intermetallische Phasen in der Stahloberflache beeinflussen das Korrosionsverhalten nachteilig. Deshalb wurden in den Edelstahlwerken umfangreiche MaBnahmen zur Verbesserung der Homogenitat getroffen. Es sind dies Umschmelzverfahren nach dem Prinzip des wachsenden Blokkes rnit gerichteter Erstarrung, die Elektro-Schlacke-Umschmelzung und das Argon-Sauerstoff-Frischen. Der groBtechnische Einsatz des erstgenannten Ver-

7

318

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

fahrens ermoglicht die Herstellung nahezu innenfehlerfreier Blocke mit weitgehend homogenem Gefugeaufbau und geringen Gehalten an nichtmetallischen Einschlussen. Zur Absenkung des Gehaltes des zur Carbidbildung neigenden Kohlenstoffes wird das Argon-Sauerstoff-Frischen und VOD-Verfahren angewendet. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich Gehalte bis zu einem hundertstel Prozent Kohlenstoff groBtechnisch einstellen. Die dem Absenken des C-Gehaltes einhergehende Verminderung der Festigkeit wird bei den austenitischen Stahlen durch Zulegieren von einigen Zehntel bis einem Prozent Stickstoff ausgeglichen und damit zugleich das austenitische Gefuge stabilisiert.

7.10.1 Chromstahle Die nichfrostenden Chrornstiihle enthalten im allgemeinen 13 his 17%, einige StahlguBsorten bis 30% Chrom. Die maximalen C- und Si-Gehalte liegen bei den GuBstahlen verstandlicherweise hoher als bei den Walzstahlen. Je nach dem Chrom- und Kohlenstoffgehalt unterscheidet man ferritische Stahle und Stahle mit Umwandlungsgefuge. Das Chrom gehort zu jenen Legierungselementen, die das y-Gebiet abschnuren; reine Fe-Cr-Legierungen sind oberhalb etwa 1 2 5 % Cr ferritisch und lassen sich nicht mehr umwandeln. Der Kohlenstoff wirkt dem entgegen (Bild 7.23), d. h. mit steigendem C-Anteil dehnt sich das Austenitfeld aus, so da13 unter den technischen Cr-Stahlen bei entsprechendem C- und Cr-Gehalt auch umwandlungsfahige (hart- und vergutbare) Legierungen anzutreffen sind. In Abhangigkeit von der vorangegangenen Warmebehandlung weisen diese Stahle ein Gefuge auf, in dem neben dem Ferrit oder allein Perlit (Sorbit, Troostit) bzw. nach dem Weichgluhen (Einformen des Zementits) Carbid oder nach schneller Abkuhlung auch Martensit auftreten. I

I

I

i

7400 7300 7200

.5 5 7100 ?t

R

7000

900

Bild 7.23 Schcmatischc Darstellung der Erweiterung dcs y-Gcbictes im Svstcm Fe-Cr durch Kohlenstolfinach E.G. Brriri)

1

8oo 700 0

5

70

75

20

25

30 % 35

Chromgehait

Die Chromstahle sind vielseitig verwendbar. Die Tabellen 7.7 und 7.8 geben einen Uberblick uber Zusammensetzung, Gefuge und Verwendung von Walzund GuBstahlen. Ihre Korrosionsbestandigkeit wird in erster Linie vom Chromgehalt bestimmt. Sie steigt gegenuber vielen Medien beim Uberschreiten von 1 2 5 % sprunghaft an: der Stahl wird passiv. Der Kohlenstoffgehalt sol1 moglichst gering sein, da Kohlenstoff durch Carbidbildung Chrom abbindet und der Grundmasse entzieht. Fur hochkorrosionsbestandige Stahle ist erwunscht, daB sie rein ferritisch sind und auch das bildungsfahige Chromcarbid gelost ist.

7.10

Rost- und saurebestandige Stahle

319

Tabelle 7.7 Angaben zu den rost- und saurebestandigen Chromstahlen Stahlmarke

Warme- Gefuge nach behand- Warmebelungszu- handlung stand')

Bestandigkeit gegen interkristalline Korrosion2)

Betriebs- Verwendungsgebiete temperaturen "C

X7Cr14

V

Ferrit, Perlit

-

-

EBbestecke, Haushaltsgerate, Medizintechnik

X IOCr13

G, V

Ferrit, Perlit

-

I 500

Konstruktionsteile fur Wasser und Dampf (Ventile, Rohre, Turbinenschaufeln)

X20Cr I3

G, V

Ferrit, Perlit

-

I500

hoherfeste Konstruktionsteile fur Wasser, Dampf und medizinische Gerate

X38Crl3

G, H

Perlit, Martensit

-

I 200

VerschleiBteile, Schneidwaren, medizinische Gerate, Walzlager, Kunstharzformen, Kolbenstangen, Federn

X6Cr 13

Z

Ferrit

I300

Haushaltsgerate, Architektur, Nahrungsmittel- und Salpetersaureindustrie, Fahrzeugbau

X6CrTil7

Z

Ferrit

+

I 300

Einsatz fur geschweiBte Teile wie X6Cr13

X2CrMoTi18-2 Z

Ferrit

+

5 300

fur geschweiRte und ungeschweiBte Teile in der Textilund Fettsaureindustrie bei Angriff von organischen Sauren

X12CrMoS17

G, V

Ferrit, Perlit

-

I

300

Automatenstahl, gut zerspanbar, fur Schrauben, Zahnrader, Wellen, Armaturen, Medizintechnik, mechanisch hochbeanspruchte Teile in Molkereien, Hefe-, Starkeund Papierindustrie, Pumpenteile, Ventile

X20CrNi17-2

V

Troostit, Sorbit

-

I 500

mechanisch hochbeanspruchte Teile in Molkereien, Hefe-, Starke- und Papierindustrie, Pumpenteile, Ventile

X35CrMo17

V

Troostit, Sorbit

-

I 300

Wellen, Ventile und Spindeln, warmfeste Teile bei Angriff von Salpetersaure und organischen Sauren

X90CrMoV18

G, H

Perlit, Martensit

-

I 200

Schneidwaren, Walzlager, Lochscheiben von Fleischmaschinen

I)

2,

G wcichgcgliiht; V vcrgiitct; Z zahgegluht: + bcstandig; - unbcstandig

H gehartet

7

320

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

Tabelle 7.8 Angaben zu rost- und saurebestandigem StahlguB Stahlmarke

Gefuge nach Verwendungsgebiete der Warmebehandlung

GXlOCrl3

Ferrit

bei Forderung hoher Bestandigkeit gegen atrnospharische Korrosion, Teile mit erhohter Plastizitat, die einer Schlagbeanspruchung ausgesetzt sind (Turbinenschaufeln, Ventile fur hydraulische Pressen, Cracking-Anlagen, Haushaltsgegenstande sowie Erzeugnisse, die relativ schwachen aggressiven Mitteln ausgesetzt sind (z. B. atmospharischen Niederschlagen, waBrigen Losungen von Salzen organischer Sauren bei Raumtemperatur)

GXlSCrMoS

Ferrit

fur Teile mit starker mechanischer Beanspruchung, wie Wellen, Spindeln, Ventile, Kolbenstangen usw.

~

~

~

GX20Crl4

Ferrit, Perlit. Carbid

vergutbare nichtrostende GuRstucke rnit guten Festigkeitseigenschaften, besonders fur Wasser- und Dampfturbinen, Armaturen fur Wasser und Dampf, Ventile und Pumpenteile, Formen fur die Glasindustrie

GX22CrNi17

Ferrit, Perlit, Carbid

vergutbare GuBstucke mit hoherer Korrosionsbestandigkeit, z. B. fur Teile in Beruhrung rnit sauren Grubenwassern und Seewasser. Molkereizubehor

GX40CrSi29

Ferrit, Carbid Ferrit, Carbid Ferrit, Carbid

gut vergieRbare StahlguRmarken rnit hoher Korrosionsbestandigkeit. VerhaltnismaRig niedrige Harte und gute Bearbeitbarkeit, fur Teile in der Molkerei-, Nahrungsmittel- und chemischen Industrie sowie im Bergbau; auch bei Angriffen von schwefliger Saure. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt wird die VerschleiBfestigkeit groBer, die Bearbeitbarkeit, Korrosionsbestandigkeit und SchweiRbarkeit geringer

GX70CrMo29-2

Ferrit, Carbid

hochkorrosionsbestandige GuBstucke fur chemische Industrie und den Kalibergbau sowie bei Angriff von schwefliger Saure und Chloriden. Fur Teile wie bei GX40CrSi29, aber hoherer Beanspruchung

GXl20CrMo29-2

Ferrit, Cabid hochkorrosionsbestandige GuBstucke fur chemische Industrie, Kalibergbau, Aufbereitungsanlagen und bei Angriff von schwefliger Saure und Chloriden. VerschleiRfester. iedoch schwieriger bearbeitbar als GX70CrMo29-2

GX70Cr29 GX130CrSi29

Ebenso ist das Korrosionsverhalten der umwandlungsfahigen Stahle besser, wenn der Kohlenstoff gelost vorliegt, d. h. der Stahl ein martensitisches Gefuge hat. Versprodungserscheinungen, wie sie bei den zunderbestandigen Chromstahlen zu beachten sind (s. Abschn. 6.2), haben fur das Korrosionsverhalten der rost- und saurebestandigen Cr-Stahle wenig Bedeutung, da die dafiir erforderlichen Temperaturen im Gebrauch dieser Stahle kaum auftreten. Es sei nur erwahnt, da13 die 475 " C-Versprodung eine Verstarkung des korrosiven Angriffs mit sich bringt. Die durch den erhohten Chromgehalt hervorgerufene Pussivitat der Chromstahle sichert deren Widerstandsfahigkeit gegen oxidierende Angriffsmittel, nicht aber gegenuber reduzierenden. Als oxidierende Medien kommen haupt-

7.10

HN03-Konzentrafion

Rost- und saurebestandige Stahle

321

Bild 7.24 Korrosion eines 13%igen Chrornstahles in Salpetersaure bei Siedetemperatur (nach J. Bunger)

sachlich Salpetersaure und salpetrige Saure, als reduzierende Salz- und Flu& saure in Betracht. Die recht gute Bestandigkeit in HNO, ist von deren Konzentration sowie vom Kohlenstoffgehalt des Stahles abhangig (Bild 7.24). In Schwefelsaure ist die Bestandigkeit nur wenig besser als fur unlegierte Stahle. Gegenuber Salzsaure und Chloridlosungen sind die Chromstahle ausgesprochen unbestandig, wenn nicht durch eine Erhohung des Chromgehaltes (24 bis 26%) und uber Hinzulegieren von 3 bis 5% Ni, 4% Mo und 0,3 bis O,6% Ti bei Stickstoffgehalten bis 0,025% der Korrosionswiderstand in diesen Medien wesentlich verbessert wurde. 1st dies der Fall, dann konnen diese Stahle fur Kondensatoren im Kraftwerksbau mit Meerwasserkuhlung im Austausch fur Chrom-Nickel-Stahle und Titan, ferner fur Gaswascher oder Niedertemperaturkessel bei moglicher SO,-Kondensation eingesetzt werden. Verdunnte alkalische Losungen greifen Stahle mit 17% Cr nur wenig an, jedoch nimmt der Abtrag mit steigender Laugenkonzentration und Temperatur zu. Fur die Verbesserung der spangebenden Bearbeitung (s. a. Abschn. 3.1.9) werden Schwefelgehalte von 0,15 bis 0,25% (z. B. X12CrMoS17) zugelassen, die aber das Korrosionsverhalten verschlechtern. Ferritische rost- und saurebestandige Chromstahle sind fur interkristaffineKorrosion anfallig (sensibilisiert). Diese wird auf selektiv korrodierende Chromcarbide zuruckgefuhrt, die sich entlang den Korngrenzen wahrend der Abkuhlung von Temperaturen oberhalb 750 "C ausscheiden. Bei ferritischen Stahlen (krz Gitter) ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs so hoch, da(3 auch durch Abschrecken von den genannten Temperaturen eine Carbidbildung nicht vermeidbar ist. Der Neigung zum interkristallinen Zerfall kann uber Zugaben von Stabilisatoren (Ti, Nb, Ta), die starkere Carbidbildner als Chrom sind, oder durch ein ,,stabilisierendes" Gluhen bei etwa 750 "C vorgebeugt werden [7.15]. Im Verlaufe der Gluhbehandlung formen sich die Carbide ein, so darj das vorher bestandene, zusammenhangende Carbidnetzwerk unterbrochen wird. Die nichtrostenden ferritischen Cr-Stahle unterscheiden sich in ihrer Empfindlichkeit gegenuber Spannungsri~korrosion deutlich von den austenitischen

7

322

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

Cr-Ni-Stahlen. Im Gegensatz zu diesen sind sie in wal3rigen Chloridlosungen und Alkalien bei Chromgehalten zwischen 13 und 17% wenig anfallig. Erst bei extrem hohen aul3eren oder inneren Zugspannungen und geringen Cu- oder NiGehalten ist eine Schadigung moglich. Chromstahle konnen in halogenidhaltigen Elektrolyten, vor allem bei hoheren Temperaturen, Lochfraflkorrosion erleiden. Im Falle einer Korrosionsbeanspruchung in hochchloridhaltigen, aggressiven Medien, wie z. B. in Brack- und Meerwasser, 1aBt sich die Bestandigkeit gegen LochfraB- und Spaltkorrosion mit Hilfe hoherer Gehalte an Cr (bis 30%) verbessern. Es ist insbesondere bei den Chromstahlen darauf hinzuweisen, daB deren Korrosionsverhalten nicht allein vom Legierungsgehalt bestimmt, sondern auch durch die Oberflachenbeschaffenheit merklich beeinfluBt wird. Je kleiner der Rauhigkeitsgrad ist, um so mehr wird die geschlossene Passivierung der Oberflache begunstigt. Die Stahle sollen deshalb feinstgeschliffen, besser noch poliert zum Einsatz kommen. Wesentlich ist auch die Entfernung von Zunderschichten und Anlauffarben. In diesen Fallen ist das Beizen das gceignetste Verfahren [7.37].

7.10.2 Chrom-Nickel-Stahle Neben meist 13 bis 21% Cr und 0,02 bis 0,16% C bewegt sich der Nickelgehalt der korrosionshestiincligm Cr-Ni-Stiihle zwischen 5 und 20%. Durch Zulegieren von Nickel, das in den Fe-Cr-Mischkristall eingeht, werden die Stahle leichter und stabiler passivierbar. Das Nickel vergroRert den Existenzbereich des kfzAustenits soweit, daB. wie Bild 7.25 in Verbindung mit Tab. 7.9 verdeutlicht. die rost- und saurebestandigen Cr-Ni-Stahle austenitisch sind. Sie werden im abgeschreckten Zustand, in dem sie weich, zah und gut kalturnformbar sind. benutzt. Festigkeit und Harte lassen sich nur uber eine Kaltumformung steigern. Die austenitischen Stahle sind kaltzah und bis zu etwa -200°C einsetzbar (s. a. Abschn. 5.3). Aktiv- und Durchbruchspotential der austenitischen Cr-Ni-Stahle liegen bei etwa den gleichen Werten wie fur die ferritischen Cr-Stahle. so daR sich die Bestandigkeit gegenuber HNOi fur beide Gruppen in ahnlichen Grenzen halt. Bis zu Konzentrationen von 65% betragt der Abtrag beim austenitischen Stahl etwa 0,s mm/Jahr. bei hoheren Salpetersaurekonzentrationen bis 5 mm/Jahr. Eine wesentlich hohere Bestandigkeit gegenuber Salpetersaure wurde durch die Entwicklung eines knetbaren, austenitischen Nickel-Chrom-Silicium-Stahles 24 %

20 16 3

b

p 12

,s

3z 8 4 0 0

2

4

6

8

70 72 74 Chromgehalt

76

78 20 %

24

Bild 7.25 (ietuge von Cr-Ni-Stiihlen mit etwa 0.2% C nach dem Ahschreckcn von 1000°C in Wasscr

7.10

Rost- und saurebestandige Stahle

323

Tabelle 7.9 Angaben zu rost- und saurebestandigen Cr-Ni-Stahlen und hochlegiertem StahlguR Stahlmarke

Bestandigkeit gegen interkristall. Korrosion

Verwendungsgebiete

X10CrNilX-8 XSCrNi 18-1 0 X6CrNiTilX-10

-

Milcherhitzer, medizinische Gerate, Teile in der Salpetersaure-, Sulfitzellstoff- und Fettsaureindustrie, Lebensmittelverarbeitungsmaschinen und -gerate im Kontakt mit organischen und Fruchtsauren XSCrNilX-10 fur geschweiRte Teile

XSCrNiMo 17-12-2 X6CrNiMoTil7-12-2

+ +

hohere Bestandigkeit als Cr-Ni-Stahle, insbesondere in CI-haltigen Medien, pharmazeutische Industrie, saurebestandige (auch geschweiflte) Teile der Sulfitzellstoff-, Textil-, Farben-, Fettsaure-, Gummi- und Treibstoffindustrie, bei Angriff von HNO3-H2SO,-Gemischen, Phosphorsaure, Medizintechnik

X2CrNiMoN17-13-5

+

organische Sauren hoher Temperatur und Konzentration, nichtoxidierende anorganische Sauren, chlorit- und hypochlorithaltige Medien (Bleichlauge)

XSCrNiMoCuTi20-18

+

nichtoxidierende anorganische Sauren, Spinnbadlosungen, schwefelsaure Beizbader

GXl2CrNil8-11

-

bestimmte saurebestandige Teile in der Salpeter- und Fettsaureindustrie, Gerate fur Lebensmittelverarbeitung bei Angriff organischer Sauren und Fruchtsauren; fur Teile von hoher Zahigkeit, besonders fur Pumpen und Ventile der chemischen Industrie. Nicht fur Teile mit SchweiBungen ohne nachfolgende Warmebehandlung, da nicht bestandig gegen interkristalline Korrosion

GXSCrNiMol9-11

+

wie bei GXl2CrNilX-11, jedoch fur Teile, an denen nach der SchweiBung keine Warmebehandlung notwendig ist

-

unbeqtandig

+ +

+ batandig

1.0

g/n?-h

0.8

0.2

0

" 5

7

9 Chmm

%

11

Bild 7.26 Korrosionsabtrag von NickelChrom-Silicium-Stahlen mit 22 Masse-% Nickel in 9X%iger Salpetersaure bei 100°Cals Funktion ihres Chrom- und Silicium-Gehaltes (nach [7.39])

324

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

erreicht [7.39]. E r enthalt etwa 25% Nickel, 9% Chrom, 7% Silicium sowie etwas Mangan (1,5%). Sowohl in hochkonzentrierter Schwefelsaure (> 90 Y O )als auch, wie Bild 7.26 verdeutlicht, in 98 %iger Salpetersaure ist dieser Stahl bei 100°C bestandig. Ferner ist er schweiBbar. Seine Korrosionsbestandigkeit verdankt der Nickel-Chrom-Silicium-Stahl einer aus Cr,03 und SiOz bestehenden Passivschicht. Die Bestandigkeit der austenitischen Stahle kann durch weitere Legierungselemente, vor allem durch Molybdan und Kupfer (XSCrNiMol8-10, X5CrNiMoCuTi20-18) noch bedeutend erhoht werden (Bild 7.27).

Bild 7.27 Angriff verschiedener Cr-Ni-Stahle in Schwefelsaure (nach W Kutz). Die schraffierten Flachen entsprechen Bereichen, in denen der Angriff unter 0,l mm pro Jahr bleibt

Austenitische Cr-Ni-Stahle sind gegenuber interkristulliner Korrosion (Kornzerfall) bestandig, wenn die Bildung Cr-reicher Carbide und damit einer Cr-verarmten Grundmasse ( 5 12% Cr) in unmittelbarer Nahe der Korngrenzen (Sensibilisierung) vereitelt wird. Dies ist durch niedrig gehaltene C-Anteile oder uber das Zulegieren von starken Carbidbildnern (Stubilisatoren; Ti, Ta, Nb) moglich [7.15]. Um der Gefahr interkristallinen Angriffs aus dem Wege zu gehen, werden heute ausschlieBlich C-arme oder stubilisierte Stiihle (meist mit Ti legiert) verwendet (Tab. 7.9). In halogenidhaltigen Losungen oder bei unterschiedlicher Beluftung kann an den rost- und saurebestandigen Stahlen Lochkorrosion (Bild 7.28) auftreten. Die Legierungselemente Chrom und Molybdan sowie Stickstoff in Verbindung mit Molybdan haben auf die Lochkorrosion einen vermindernden EinfluB. Stickstoff stabilisiert den Austenit und kompensiert damit die ferritbildende Wirkung des

7.1 0

Rost- und saurebestandige Stahle

325

Bild 7.28 Lochkorrosion an einem Rlohr aus X6CrNiTil8-10 (nach K. Mummerr)

Molybdans. Einen ungunstigen EinfluB auf die Bestandigkeit wird den Legierungselementen Schwefel, Kohlenstoff, Cer und Tantal zugeschrieben. Titan kann sowohl korrosionsfordernd (TiN) als auch mindernd wirken [7.40]. Es ist immer wieder versucht worden, iiber Wirksummen die Lochkorrosionsbestandigkeit zu beschreiben. Die empirisch erarbeitete Abhangigkeit stellt sich aber nicht eindeutig dar. Mehrere Formeln stehen gleichberechtigt nebeneinander. Besser laflt sich der EinfluB der lochkorrosionsrelevanten Legierungsbestandteile mit Hilfe der die kritische Lochkorrosionstemperatur CPT kennzeichnenden Gleichung [7.40] CPT( "C) = -41,O + 2,5 x Yo Cr

+ 7,6 x % Mo + 31,9 x Yo N

(7.1)

beschreiben. In Anwesenheit innerer und auBerer Zugspannungen sind austenitische Stahle gegenuber SpannungsriJ3korrosion anfallig (Bild 7.29). Transkristalline Spannungsrifikorrosion wird beobachtet, wenn sowohl die Wasserstoffionen- als auch die Chloridionenkonzentration der Elektrolytlosungen etwa 1mol/l uberschreiten oder wenn sehr hohe Chloridkonzentrationen vorliegen [7.41]. Weiterhin kann durch eine mechanisch bedingte Gefugeanderung durch Ausbildung von Martensit die Bestandigkeit deutlich vermindert werden. Kritische Chloridkonzentrationen konnen sich auch im Zuge einer vorangegangenen Lochkorrosion entwickeln, weshalb Lochkorrosion und Spannungsriflkorrosion haufig gemeinSam auftreten (Bild 7.30). Fur extreme Angriffsbedingungen, wie sie bei der Herstellung von Phosphorsaure im NaBverfahren, der Meerwasserentsalzung oder der Gewinnung von Schwefel- und Ameisensaure vorliegen, sind Stahle mit hoheren Nickel- und Chromgehalten erforderlich, deren Widerstandsfahigkeit noch durch Kupfer verbessert wird, z. B. XlNiCrMoCu31-27-4 [7.44]. Die Standardlegierungen sind in Laugen niedrigerer Konzentration bestandig; NaOH beispielsweise vermag erst ab Konzentrationen > 10 Yo anzugreifen. In stark alkalischen Losungen wird, wenn gleichzeitig hohere Temperaturen und Spannungen vorliegen, Spannungsriflkorrosion beobachtet. Ausreichende Widerstandsfahigkeit beweisen austenitische Cr-Ni-Stahle im Kontakt mit der Atmosphare, Dampf und Wasser, Phosphor-, Essig-, Blau-,

7

326

Werkstoffe f u r korrosive Beanspruchung

Bild 7.29 Transkristalline SpannungsriRkorrosion an einem austenitischen Stahl X6CrNil'i 18-10 in chloridhaltiger Elektrolytliisung von 2SO"C, Querschliff eines Rohrabschnittes (nach [7.42])

I-

t '9

f

200 p m

c

* Bild 7.30 Loch- und SpannungsriRkorrosion an einem Stahl X6( IrNiTil8-10 in chloridhaltiger Elektrolytlosung, Querschliff eines Rohrabschnittes (nach [7.43])

7.1 1

GuR- und SonderguReisen

327

Milch- und Fruchtsaure sowie chloridhaltigen Losungen. Tab. 7.9 gibt einen Uberblick der vielfaltigen Anwendungsmoglichkeiten.

7.10.3 Chrom-Mangan-Stahle Austenitische Chrom-Mangan-Stahle konnen in einer Reihe von Fallen die Chrom-Nickel-Stahle ersetzen. Durch das Zulegieren von Stickstoff wurden die mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert. Mit Gehalten bis zu 1 % N sind beispielsweise mit dem Stahl XSCrMnN18-18 erhebliche Steigerungen sowohl der Streckgrenze als auch der Bruchzahigkeit erreicht worden [7.38]. Fur Anwendungen in der chemischen Industrie im Kontakt rnit organischen Sauren, fur Haushaltsgerate und im Fahrzeugbau sind die Legierungen X12CrMnNiN17-7-5, X12CrMnNiN 18-9-5 sowie eine kohlenstoffarmere Variante der Zusammensetzung X2CrMnNiN 17-7-5 geeignet. Letztere ist im Vergleich zu fruheren Zusammensetzungen, die hohere Kohlenstoffgehalte aufwiesen, ausreichend bestandig gegenuber interkristalliner Korrosion. Allgemein gilt jedoch, daB die ChromMangan-Stahle nicht im gleichen Ma13 korrosionsbestandig sind, wie ChromNickel-Stahle.

7.10.4 Mehrphasige Stahle Stahle rnit mehrphasigem Gefuge sind in vielen Fallen den einphasigen hinsichtlich ihres Widerstandes gegen interkristalline, LochfraB-, SpannungsriB- und Spaltkorrosion uberlegen [7.45], [7.46]. Stahle mit austenitisch-ferritischem Gefuge (XI CrNiMoN25-22-2) gelten als loch- und spaltkorrosionsbestandig. Interkristalline Korrosion wird an ihnen auch nach dem SchweiBen nicht beobachtet [7.47], so daB sie fur Innen- und AuBenmantel von Entsalzungsanlagen und Rohre fur saure Case und Ole sowie im Kontakt rnit heiBen Solen und oxidierenden Medien verwendet werden. Stahle rnit martensitisch-austenitischem Gefuge (X4CrNiMo16-5-1) haben gute Festigkeiten (600 MPa) und sind auBerordentlich korrosionsbestandig. Einsatzgebiete sind Druckkessel, Wasserturbinen sowie GefaBe zur Polymerisation von Monomeren. Geschmiedete Stahle rnit martensitisch-ferritisch-austenitischem Gefuge sind auf Grund ihrer Festigkeit fur Druckbehalter bei Temperaturen zwischen -200°C und 350°C und, da sie in Schwefelwasserstoff nicht spannungsriBkorrosionsanfallig sind, auch fur Leitungen und Behalter rnit Sauergas geeignet. Sie werden dariiber hinaus als Teile von Kernreaktoren, in der Erdgas- und Erdolindustrie sowie fur Pumpen und Turbinen eingesetzt.

7.1 1 GuB- und SonderguBeisen Gruues Gufleisen (s. a. Abschn. 3.1.12) wird seit langem rnit Erfolg fur Bauteile verwendet, die Korrosionseinflussen ausgesetzt sind, z. B. Wasserleitungsrohre. Der Graphit ubt keinen nachteiligen EinfluB auf das Korrosionsverhalten aus, vielmehr rostet das GuBeisen gleichmaBiger als Stahl und neigt nicht zu ortlichen Anfressungen. Eine spezielle Korrosionsform des GuBeisens ist das Graphitieren (Spongiose), bei dem sich infolge der Oxidation von Eisen ein poriges, wei-

328

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

ches Korrosionsprodukt bildet, das aus Oxidhydraten und eingelagerten Graphitteilchen besteht. Das Graphitieren tritt haufig bei Lagerung im feuchten Erdboden - oder wenn Graues GuBeisen rnit anderen Stoffen unter Anwesenheit von Feuchtigkeit in Beruhrung steht - auf. Fur starkere korrosive Beanspruchungen mu13 das GuBeisen insbesondere rnit Si, Al, Cr und Ni legiert werden (SondergiiJJeisen) . Austenitisches GuBeisen sowohl rnit Lamellen- als auch Kugelgraphit hat vor allem hohere Gehalte an Nickel, Silicium und Chrom (z. B. GGL-NiSiCr 20 5 3 bzw. GGG-NiSiCr 30 5 5 ) . Diese Gunsorten zeigen sehr gute Bestandigkeit in schwefelsauren Losungen. Werden GuBteile erosiv und korrosiv beansprucht, z. B. in Form von Lagern, als Laufbuchsen in Ruhrwerken, Mischern und Tauchpumpen. dann bieten sich hoherkohlenstoffhaltige verschleiBfeste legierte CUBeisen (z. B. G-X300 CrNiSi 9 5 2) an. StahlguB rnit dem Legierungselement Silicium wird als hitzebestandiger Werkstoff (GX40CrSi13, GX160CrSi29) im Fahrzeugbau, fur Sinter- und Gluhtopfe, als Glasformen, Rekuperatorrohre u. a. genutzt. Auch aluminiumlegierter Sondergii/3 ist gegen Verzunderung sehr bestandig und deshalb in einer Reihe von Fallen im Austausch gegen ChromstahlguB oder hochlegiertes GuBeisen einsetzbar. Bei ungefahr 2% C und 5% Si betragt der Aluminiumanteil etwa 7%. Im Korrosionsverhalten dem mit Ni und Cr legierten StahlguB ahnlich (Tab. 7.8 und 7.9) sind hochlegierte Gufieisensorten, die bei 2 bis 3,5% C und 1 bis 5% Si einen hoheren Ni-Anteil (13 bis 20%) und teilweise 3 bis 7% Cu und um 1 % Cr aufweisen. Sie sind vor allem gegen oxidierende, anorganische Sauren sowie Verzunderung bestandig und werden in der chemischen und Erdolindustrie, im Fahrzeug- und Schiffsbau sowie - wenn sie kupferfrei sind - in der Nahrungsmittelindustrie oder auch als hitze- und zunderbestandiger Werkstoff fur Auspuffsammelleitungen, Turboladergehause, Dampfleitungen oder Gasturbinengehause verwendet. Als Beispiele seien die Marken GGL-NiCuCr 15 6 3, GGG-NiCr 30 3 , GGG-NiSiCr 20 5 2 genannt.

7.12 Steinzeug Steinzeug ist ein keramischer Werkstoff mit dichtem oder nahezu dichtem. farbigem Scherben, der meist mit einer Glasur uberzogen ist. (Ein keramischer Werkstoff ist dicht, wenn seine Wasseraufnahme < 0,l YObetragt.) Zu seiner Herstellung werden fruhsinternde Tone, die zwischen 1200°Cund 1300°Cdichtbrennen und besonders feinkornig sind, benutzt. Um die Sinterung zu verbessern, werden auch FluBmittel, Feldspat oder Basaltmehl zugegeben. Die Schwindung wirddurch Zusatzvon Magerungsmitteln (Sand. Schamotte oder Steinzeugscherben) verringert. Man unterscheidet zwischen Grob- und Feinsteinzeug. Gegenuber dem Grobsteinzeug, wie Klinkern oder Kanalisationssteinzeugrohren, weist das Feinsteinzeug infolge der intensiveren NaBaufbereitung einen homogeneren Scherben und eine geringere Porositat auf. Der Steinzeugscherben enthalt nach dem Brand bis zu 40% Mullit, 20 bis 50% Quarz, geringe Mengen Cristobalit und 30 bis 50% Glasphase, deren Anteil vom Versatz und dem Brennregime abhangen. Die Eigenschaften des Steinzeuges lassen sich durch spezielle Zusatze in gewissen Grenzen variieren (Tab. 7.10). Die Schlagbiegezahigkeit ist wie bei allen keramischen Werkstoffen gering (s. a. Abschn. 6.6.1).

7.13

Porzellan

329

Tabelle 7.10 Eigenschaften von Feinsteinzeug Wasseraufnahme Zugfestigkeit, glasiert Druckfestigkeit, glasiert Biegebruchfestigkeit, unglasiert Schlagbiegezahigkeit Ausdehungskoeffizient zwischen 20 und 200°C Warmeleitfahigkeit Temperaturwechselbestandigkeit

Yo MPa MPa MPa J cm -2 10-7 K-1

0.8.. .4,0 10.. .30 280.. .SO0 37.. .90 0,12.. .0,22 40.. .60

W (mK)-' K

1,l . . .4,1 130..,250

Die Korrosionsbestandigkeit des Steinzeuges wird stark von der Porositat und vom Mineralaufbau beeinflufit. Gutes chemisches Steinzeug ist gegen alle Sauren widerstandsfahig aufler gegen FluBsaure und bis 30 " C auch gegenuber konzentrierter Natron- und Kalilauge bestandig. Von heiBer konzentrierter Schwefelsaure wird es starker angegriffen. Zum Beispiel liegt die Losungsgeschwindigkeit in siedender 70% iger H2S04fur unglasierte Platten bei 0,6 bis 1,2 mgcm-2 je Tag. In 10%iger heiBer (90°C) Natronlauge, die standig geruhrt wird, betragt der Abtrag etwa 180mgcm-2je Tag. Die Saureloslichkeit wird an definierten Kornungen durch Kochen in Schwefelsaure oder an stuckigem Material mit Salzsaure bestimmt. Verwendungsfalle von Steinzeug sind StandgefaBe bis 3200 1 fur die chemische Industrie und im Abwasserbereich, SauretransportgefaBe fur die Eisenbahn, Muffen- und Flanschrohre, Absperrorgane, Kreiselpumpen fur aggressive Flussigkeiten mit Forderleistungen bis 120 m3 h-1, Axiallufter, Ruhrwerke, Kuhlschlangen, Kondensations-, Absorptions- und Kuhlturme sowie Raschigringe.

7.13 Porzellan Porzellan zahlt zu den feinkeramischen Erzeugnissen. Sein Scherben ist dicht, weilj und in dunnen Querschnitten transparent. Als Rohstoffe dienen weiflbrennende Kaoline, Feldspat, Feldspatsande und Quarz. Die Formgebung geschieht durch NaBpressen, Strangpressen, Drehen oder GieBen. Der Brand wird ab 1000" C bis zur Scharfbrandtemperatur von 1400" C reduzierend gefuhrt, um das als Verunreinigung vorliegende Fe203zu FeO zu reduzieren. Fe,03 wurde das Porzellan gelb verfarben und auBerdem durch Reaktion mit Kieselsaure bei hohen Temperaturen Sauerstoff abspalten, der den Porzellanscherben aufblaht, Pocken verursacht und die mechanische Festigkeit entscheidend verringert. Die Zusammensetzung der Masse schwankt je nach den verlangten Eigenschaften des Werkstoffes innerhalb weiter Bereiche um die Normalzusammensetzung von 50% Tonsubstanz (entspricht dem Mineral Kaolinit), 25% Quarz und 25% Kalifeldspat. Beim Brand entsteht aus dem Kaolinit feinkristalliner Muffit (Schuppenmullit); der Feldspat bildet Glasphase, aus der sich infolge der Diffusion von Alkali in die Kaolinitrelikte Nadelmullit abscheidet (Bild 7.31). Der Quarz reagiert mit der Feldspatschmelze und geht teilweise in Losung. Die Restquarzmenge hangt von der KorngroBe des Quarzes, dem Alkaligehalt und dem Temperatur-Zeit-Verlauf des Brandes ab.

330

7

Werkstoffe f u r korrosive Beanspruchung

Bild 7.31 Gefiigc von Porzellan, HF-Atzung Tabellc 7.1 1 Eigcnschaften von Porzellan Normalporzellan

Quarzporzellan

Toncrdcporzellan

Zugfcstigkcit.

glasiert unglasiert

MPa

30 25

55 45

85 7s

Druckfestigkeit,

glasiert unglasiert

MPa

450 450

550 550

1000 1000

MPa

60

100

190

40

80

180

Biegebruchfestigkeit, glasiert unglasiert Schlagbiegezahigkeit, unglasiert

J cm

0.18

0.22

0.30

Elastizitatsmodul

G Pa

5 5 . . .80

55 . . .loo

80.. ,120

Ausdehnungskoeffizient zwischen 20 und 100°C 20 und 600°C

10-7 K-'

3s...ss

40.. .85

20.. .45

40.. .60

40.. .85

40.. .60

Warmeleitfahigkeit zwischen 20 und 100°C

W (mK)-' I,1 . . .2,9

l , l . . .2.6

2.0.. .4,6

Temperaturwechselbest~lndigkeit

K

1so

160

160

Die mechanischen Eigenschaften werden weitgehend vom Gefugeaufbau bestimmt. Porzellan der Normalzusammensetzung weist eine Biegebruchfestigkeit bis 60 MPa (Tab. 7.1 1) auf. Infolge Erhohung des Quarzanteils und einer Feinmahlung auf etwa 30pm steigt sie auf etwa 100MPa (Quarzporzellan) an. Eine abermalige Festigkeitssteigerung ist mit erhohtem Mullitanteil und feinem Nadelmullit gegeben; durch Tonerdezusatz sind Biegebruchfestigkeiten bis zu 200 MPa erreichbar (Tonerdeporzellan). Wie Tab. 7.1 1 weiterhin ausweist, erhoht auch die Glasurschicht die mechanische Festigkeit des Porzellans, vorausgesetzt, da13 sie uber entsprechende Wahl der Zusammensetzung mit Druckspan-

7.14

Technisches Glas

331

nung auf dem Scherben sitzt und damit die schadliche Wirkung der Oberflachenfehler verringert. Die Bestandigkeit des Porzellans in aggressiven Medien wird vorwiegend von der chemischen Zusammensetzung der Glasphase bestimmt. Eine Si0,-reiche oder Al,O,-haltige Glasphase, die durch sehr fein gemahlene Hartstoffe, insbesondere Quarz, und hohere Brenntemperatur erzielt wird, verbessert die Resistenz im Kontakt mit Sauren, vor allem jedoch gegenuber Laugen. So betragt die Korrosionsgeschwindigkeit des unglasierten Scherbens in 70%iger Schwefelsaure bei Siedetemperatur fur Quarzporzellan etwa 0,04 und fur Tonerdeporzellan 0,06mgcm-'je Tag; in lO%iger heiBer (90°C) Natronlauge (Ruhrtest) im Mittel 80 bzw. 5 mg cm-2 je Tag. Porzellan ist gegen alle Sauren auBer FluBsaure ausreichend bestandig. Chemisch-technisches Porzellan wird wie das Steinzeug fur Rohre und Armaturen, Pumpen, Reaktionskessel und Vakuumapparaturen sowie fur Mahlkorper, zur Auskleidung von Kugelmuhlen und als Laborporzellan verwendet. Es hat jedoch bei besseren Gebrauchseigenschaften auch einen hoheren Preis.

7.14 Technisches Glas Die Korrosionsbestandigkeit ist neben der Durchsichtigkeit die hervorstechendste Eigenschaft der meisten technischen Glaser (s. a. Abschn. 6.3). Von Wasser, organischen Losungsmitteln und Sauren (aul3er Flufi- und heiBer, konzentrierter Phosphorsaure) wird das Glas kaum angegriffen. Gegenuber alkalischen Losungen ist die Bestandigkeit weniger gut. Bei Einwirkung von Wasser und sauren wafirigen Losungen auf Gerateglas laufen Hydrolysereaktionen ab, im Zuge derer Alkali- und Erdalkaliionen des Netzwerkes gegen H+-Ionen der Losung ausgetauscht werden. An der Oberflache bildet sich eine Gelschicht, die uberwiegend aus SiOzbesteht und das Glas vor weiterem Angriff schutzt. Der Korrosionswiderstand ist urn so grofier, je weniger die ,,ausgelaugten" Komponenten im korrosiven Medium loslich sind. So ist der Saureangriff nicht starker als der Wasserangriff, wenn die Loslichkeit von Alkali- und Erdalkalihydroxid in den Sauren gering ist. Die Bestandigkeit der Glaser wird in starkem MaBe von der chemischen Zusammensetzung beeinflufit. Gegenuber Wasser und Sauren nimmt sie mit steigendem Alkaligehalt ab, wohingegen SiOz den Korrosionswiderstand erhoht; reines Quarzglas zeigt das beste Korrosionsverhalten (Tab. 7.12). Aber auch die ubrigen Bestandteile, wie CaO, A1,03, B,03 und ZnO, sind von Bedeutung und konnen die Bestandigkeit z. T. noch starker als aquivalente Mengen SiOzverbessern. Besonders gilt dies fur Borsaure und Alz03,die das Alkalioxid fest in das Netzwerk einbinden. Dieses positive Verhalten ist jedoch an ein bestimmtes Verhaltnis von Alkalioxid und B 2 0 3bzw. A1203gebunden. Wird der Al,O,-Gehalt daruber hinaus erhoht, z. B. im Alumoborosilicatglas, wird die Saurebestandigkeit wieder schlechter. Die Unbestandigkeit gegenuber FluBsaure ist durch die Tatsache gegeben, daB diese das SO2,den Hauptbestandteil der Glaser, zu Iosen vermag. Auch bei alkalischem Angriff reagiert das SiO, und bildet mit den Alkalien losliche Silicate. Eine Schutzschicht bildet sich nicht. Der Laugenangriff ist etwa um den Faktor 100 groner als der Saureangriff (nicht in FluBsaure!). Am starksten werden Anlagen korrodiert, wenn saurer und alkalischer Angriff standig abwech-

332

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

Tabelle 7.12 Angaben zur Bestandigkeit technischer Glaser Glasart

Borosilicat 3.3 Alumoborosilicat Borosilicat G 20 Alkalikalkglas Fensterglas Quarzglas

Wasserbestandigkeit

Saurebestandigkeit

Hydrol. Klasse

Ausgelaugte Menge Na,O mg . g-1

SaureKlasse

Masseverlust mg (100 cm*)-1

Laugen- MasseKlasse verlust mg (100 c d - 1

1 2 3 4 5 1 1 1 3 4...5

bis 0,03 0,03 . . . 0.06 0,06 . . . 0,26 0.26 . . . 0,62 0,62 . . . 1,OS 0,012 0,0 13 0,010 0.19

1 2 3

bis 0,7 0,7 . . . 1,5 I ,5

1 2 3

bis 75 75 . . . 100 150

1 3 1 1 3

03 1,75 0.2 0,4

2 3 2 2 2

120 196

-

- 0,02

Laugenbestandigkeit

YO

95 40

seln. Das Verhalten gegenuber Laugen kann durch die Einfuhrung von Zirconiumdioxid und solchen Oxiden, die das Netzwerk des Glases verfestigen (wie MgO, CaO, ZnO,Al2O3),verbessert werden. Die Laugenbestandigkeit nimmt vom Gerateglas uber Quarzgut bis zum Quarzglas zu (s. Tab. 7.12). Die gute Laugenfestigkeit des Quarzglases ist auf seine feste Struktur (Vernetzung der SO2-Tetraeder) zuruckzufuhren. Quarzgut verhalt sich ungunstiger als Quarzglas, da es verunreinigt ist und ein geringeres Raumgewicht hat. Die Korrosionsbestandigkeit der Glaser wird, wie Tab. 7.12 wiedergibt, durch die Angabe der einer bestimmten Klassifizierung entsprechenden Wasser-, Saureund Laugenbestandigkeit charakterisiert. Zur Bestimmung der Wasserbestandigkeit wird eine bestimmte Menge GlasgrieB bei 98°C mit Wasser ausgelaugt und die herausgeloste Alkalioxidmenge durch Titration rnit Salzsaure ermittelt. Saurebestandigkeit und Laugenbestandigkeit werden mit Hilfe des Masseverlustes, der nach dreistundigem Kochen in 20%iger Salzsaure bzw. in einem 1n Laugengemisch (0,5 n NaOH + 0,5 n Na2C03) eintritt, gekennzeichnet. Der Masseverlust der Proben wird auf die Oberflache bezogen. Um einen meBbaren Angriff zu erhalten, mu6 die Oberflache beim Sauretest etwa 40cm2 und beim Laugentest 10 bis 20 cm2 betragen. Aus den Prufbedingungen geht hervor, daB Gerateglaser und vor allem Quarzglas auch bei hoheren Temperaturen gegenuber Sauren, Wasser und Wasserdampf sehr bestandig sind. Daraus resultiert ihre vielseitige Anwendung in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie sowohl fur GroBapparaturen als auch Kleingerate.

7.15 Betone In der chemischen Industrie, aber auch in Brauereien, Leder- und Textilfabriken oder Milchverarbeitungsbetrieben kommen Behalter aus Beton mit Medien in Beruhrung, die an die Widerstandsfahigkeit des Betons erhohte Anforderungen

7.15

Betone

333

stellen. Auf Betone fur den Einsatz bei hohen Temperaturen war bereits im Abschn. 6.6.2.5 eingegangen worden. Betone auf der Basis von Portlandzement (s. Abschn. 11.6.2) sind gegenuber Mineralsauren und organischen Sauren nicht bestandig. Das sich beim Abbindevorgang bildende Ca( OH), wird durch die Sauren angegriffen und herausgelost. Kohlensaurehaltige Wasser fuhren zur Carbonatisierung und Kalkauslaugung, die den Beton zermurben. Das Korrosionsverhalten wird jedoch gunstiger, wenn der Gesamtgehalt an CaO zuruckgeht: Portlandzement 60 bis 65%, Eisenportlandzement 54 bis 6O%, Hochofenzement 43 bis 55%, Sulfathuttenzement 36 bis 46% und Tonerdezement 37 bis 42% Gesamtkalkgehalt. Fur den Behalter- und Bunkerbau in der chemischen Industrie wird deshalb Tonerdezement verwendet. E r ist gegenuber Magnesiumsulfat und aggressiver Kohlensaure widerstandsfahiger; bedingt bestandig gegen Alkalisulfate und -carbonate, jedoch auf die Dauer nicht gegenuber Salz-, Essig- und Milchsaure. Zemente, die Tricalciumaluminat enthalten, neigen infolge der Bildung von Calciumaluminatsulfathydrat zum Sulfattreiben. Betone auf der Basis der oben genannten Zemente sind nicht bestandig gegenuber Schwefelsaure, schwefliger Saure und Sulfiten, Salpeterund Ameisensaure, tierischen Fetten und Olen sowie zahlreichen Salzen. Schwach basische Stoffe greifen Beton auf der Basis von Portlandzement nicht, auf der Basis von Tonerdezement leicht an, bei starken Basen ist immer Vorsicht geboten. Bei Verwendung einer hoheren Zementdosis und eines Zuschlagstoffes mit optimalem Kornaufbau werden die Betone dichter, und ihre chemische Resistenz wird besser. Auch Zusatze von Aluminium- oder Calciumstearat erhohen die Dichtigkeit. Weiterhin kann durch Zugabe von Fluorsilicaten oder ein Nachbehandeln der Betonoberflache (Fluatieren) das Ca(OH)* in bestandiges Calciumfluorid uberfuhrt werden. In allen Fallen wird das Korrosionsverhalten gunstiger, die Betone werden aber nicht saureresistent. Fur Behalter, die mit schwachen Sauren in Beruhrung kommen, wie z. B. in der Brauerei oder bei der Futtermittelherstellung, kann Beton mit einem 5 bis 20% igen Zusatz (bezogen auf den Zementanteil) von polymeren Stoffen Verwendung finden. Als solche kommen Polyvinylacetatdispersionen oder Latex mit Vulkanisationsmitteln in Betracht. Dieser auch als Gummizement bezeichnete Beton hat eine gute Haftfestigkeit und wird zur Auskleidung von Behaltern benutzt. Die abdichtende Wirkung bituminoser Anstrichschichten sowie Schichten aus Polyester-, Epoxid- oder Polyurethanharz werden ebenfalls zur Verhinderung der Betonkorrosion genutzt. Ausgesprochen saurebestandige Betone konnen jedoch allein auf der Basis der normalerweise zur Anwendung kommenden Komponenten nicht hergestellt werden. Fur sie benutzt man Portlandzement, dem Wasserglas und Natriumsilicofluorid als Abbindebeschleuniger sowie Quarz, Asbest und Graphit als Zuschlagstoffe zugegeben wurden. Oder man ersetzt den Zementleim ganz durch Polymere, z. B. Epoxid- oder Polyesterharze einschliefilich der Harter und benutzt Sand oder Elektrokorund als Zuschlagstoffe (Plustbetone).Sie sind relativ teuer, gewahrleisten jedoch einen guten Saureschutz. Wegen der Bestandigkeit von Beton gegen Seewasser und der hinreichenden Festigkeit (bei B 55 immerhin 55 MPa Druckfestigkeit) stellt man seit einiger Zeit kleinere Kusten- und FluBschiffe aus Stahlbeton her.

334

7

Werkstoffe fur korrosive Beanspruchung

7.16 Glasige und keramische Uberzugsstoffe Analog der Verwendung metallischer Uberzuge (s. Abschn.7.9) geschieht die Beschichtung metallischer Werkstoffe mit silicuttechnischen Stuffen, um weniger bestandige, aber billigere Materialien fur bestimmte korrosive Beanspruchungen einsetzen und damit teurere oder schwerer beschaffbare Werkstoffe einsparen zu konnen; z. B. Behalter der chemischen Industrie aus emailliertem Stahlblech an Stelle von solchen aus Blech des legierungsaufwendigen rost- und saurebestandigen Stahles X2CrNi18-9.

7.16.1 Email Unter Emuil [7.48] versteht man eine durch Schmelzen entstandene, glasig erstarrte Masse, die zerkleinert auf Metalle aufgetragen und zu einer dichten und fest haftenden Schicht eingebrannt wird. Nach seiner Zusammensetzung, die in relativ weiten Grenzen schwanken kann, ist das Email ein im wesentlichen aus Kieselsaure, Alkalioxiden, Tonerde, FluOspat und Borsaure aufgebautes Glas. Es enthalt haufig kristalline Bestandteile, beispielsweise TiOz zur Trubung, oder Quarzrelikte und Gasblasen. Wie bei allen Glasern besteht seine Struktur aus einem unregelmarjigen Netzwerk von SO,-Tetraedern, das aber durch eine groOere Menge basischer Oxide teilweise gesprengt ist, so dal3 die Erweichungstemperatur niedrig liegt und die Emails bei 800 bis 900°C eingebrannt werden konnen. Wegen der guten Korrosionsbestandigkeit emaillierter Erzeugnisse werden sie aul3er im Haushalt in der chemischen Industrie (Ruhrkessel, Autoklaven, Ruhrer), im Bauwesen (Fassadenelemente und Tunnelauskleidungen), im Verkehrswesen (Guterwagen, Tankstelleneinrichtungen, Auspuffsysteme) und in der Triebwerks- und Raketentechnik (s. Abschn. 6.5.2) eingesetzt. Speziellere Emails zeichnen sich durch hohe Saurebestandigkeit gegenuber Salz-, Salpeter- und Schwefelsaure aus. Sie lehnen sich in ihrer Zusammensetzung an das Gerateglas an, enthalten also 3 bis 6% A120,, 10 bis 20% N a 2 0 + K 2 0 , 1 bis 5% Borsaure sowie CaO, Ti02und ZrO, und 56 bis 67% SiO,. Gegenuber Laugen sind Emails nicht bestandig, wenn man von waschlaugenresistenten Emails mit Zirconiumdioxidzusatz absieht. Die zu einem Schlicker aufbereiteten Rohstoffe werden durch Tauchen, Spritzen oder elektrophoretische Beschichtung auf die zu emaillierende gereinigte -3berflache aufgetragen. Bei ApparateguB wird das Deckemail als Pulver auf den gluhenden Gegenstand aufgepudert. Das nachfolgende Einbrennen geschieht in oxidierender Atmosphare im Kammer- oder Durchlaufofen. Als Triigerwerkstoffe fiir Emuils dienen uberwiegend Stahlblech, GrauguB und Aluminiumwerkstoffe. Im ersten Fall verwendet man vorzugsweise kaltgewalzte Stahlbleche der Tiefzieh- und Sondertiefziehgute (s. a. Abschn. 3.1S ) . Der Kohlenstoffgehalt soll unter 0,08% liegen, um Fehler, die infolge der Oxidation des Kohlenstoffs beim Einbrennen durch Blasenbildung entstehen, zu vermeiden. Die Wasserstoffaufnahme des Stahlbleches soll grol3 sein, damit der beim Emaillieren in das Blech diffundierte Wasserstoff dort verbleibt und nicht wahrend des Einbrennens (Schaumbildung) oder nach der Abkuhlung der Ware austritt. Im letzteren Falle springt die Emailschicht durch hohen Gasdruck in kleinen Teilchen ab (Fischschuppen).

7.16

Glasige und keramische Uberzugsstoffe

335

Fur Einschichtemaillieriingen werden kohlenstoffarme Bleche rnit einem Kohlenstoffgehalt 700

> 600

3501450

1.0558 210

>440

> -3xo

22012Y0

1801250 2501350

15

I8

112

-2

0.810.3

0.810.3

Festigkeit Dehnunc MPa 'Y"

1.0552

0.6

StahlguR

Ni

HB

Hiirte

GS-60

0.4

0.6

M0

Kugelgraphit

0.611.0

1 .xi12

0.4

unlegiert

Cr

Lamellcngraphit

0.610.9

Mn

I .Y11.3

SI

Zusammensctzung in M a s s - %

cis-52

0.45

3.8

0.7060

GGG-60

~

2.901 3.10

0.6035

GG-35

~

3. I51 3.40

0.6025

GCi-25

c

Werkstoff Nr.

Werkstoff

Tabelle 8.2 Auswahl von GuRwerkstoffen mit hohem VerschleiBwiderstand

(Fortsctzung niichste Seite)

Mahlkugeln f. Zement- und Er/aulbcreitung

Zahn-, Kcttengetriebc- u. Kranriidcr. Gleithahnen. Ritzel

Exl-enter. Kranlaufrader. Kurbclwcllen. Hydraulikzylinder

Brcmstrommeln. x h e i b e n Zylinderlaulhuchsen, Kompressoren- u. Hochdruckzylinder

Anwendung

0.42

0.7

1.4085

0.9650

0.9610

0.9620

0.9630

GX70Cr2Y

GX260Cr27

GX300NiM 3 Mg

GX260NiCr4 2

G-X.iOOCrNiSi9 5 2

2.513.5

3.013.6

2,813.5

2.312.9

1.2

GXI 20MnCr 12-2

1,2

1.3401

1.7225

G42CrMo4

0,60

GXI 20Mn 12

1.3433

G60CrSi5

0.30

0.87

1.1165

G30Mn.5

C

GYOCrMn6-4

Werkstoff Nr.

Werkstoff

< 1.0

12

27130

rostbestandig

1.8

austenitisch

0.3

MO

1.512.2

0.210.8

2.012.6

0.511.5

1,412.4

0.310.7 8110

0.310.7

0.210.5

0.511.5 24128

his 0.5

4.5163

1.514.5 3.313.5

his 0.5

his 1.2

Ni

0.510.3

his 1.0

ledehuritisch. hochverschlcififest

< 2.0

0.5

12

0.5

hochleeierl

1.4

1.0

0.7 1.0

1.2

niedriglegierl

Cr

0.4

0.3

0.3

0.9

1,4

Mn

Zusarnrnensetzung in Maase-%,

0.60

Si

690

690

610

690

220

220

556

270

230

Harte HB

Tabelle 8.2 Auswahl von GuBwerkstoffen mit hohem VerschleiRwiderstand (Fortsetzung)

> 500

> 320

> 700

> 560

690

6YO

> 750

640

Festigkeit MPa

1-8

13

23

12

14

%

Dehnung

sehr hoher VerschleiRwiderstand. VerschleilSteile fur Zernent- u. Gesteinsrniihlen. Schlagplatten. Schaufelrader. G-X260Cr27 ist noch hearheitbar. G-X3(K)NiMo 3Mg hesitzt hohe Schlagzahigkeit. G-X3OOCrNiSi 9 5 2 hochste VerschleiRheanspruchung

Nahrungsrnittel- u. chem. Industrie. Kaliherghau. Purnpenteile. Ruhrcr. Wellen

VerschleilSvorgange rnit sehr hoher StolS- u. Druckhelastung, Brecherhacken. Baggcrzahne, Panzerketten. .. Kratzer, Schlagleisten

VerschleiRtcile f. Fordertechnik. Tagehau UIW. Schaken. Lauf- u. Kett e n d e r . Zahnkranze. Kettenglicder. Baggeru. ReiRzahne. Waken .. rnintcl, Mahlplatten fur Mincralvcrschleiflheanspruchung ohne Druck

Anwendung

356

8

Werkstoffe fur VerschleiRbeanspruchung und Reibwerkstoffe

einem Laborbackenbrecher gegeniibergestellt. Dabei wird der relative VerschleiB der Werkstoffe bezogen auf vergutetes Walzblech verglichen. Die hochlegierten Cr-haltigen GuBwerkstoffe weisen erwartungsgemal3 die hochste Verschleiljfestigkeit auf. Der VerschleiBwiderstand der verschleiljfesten Stahle wird von GuBlegierungen ubertroffen, die nur noch wenig oder kein Eisen und dafur Co als Hauptbestandteil enthalten. Sie werden als Stellite bezeichnet und wurden friiher vorwiegend zur spanabhebenden Bearbeitung verwendet. Heute sind sie auf diesem Gebiet weitgehend durch Sinterhartmetalle und Diamantwerkzeuge abgelost. Wegen ihrer hohen VerschleiB- und Warmfestigkeit sowie Bestandigkeit gegen Korrosion, Erosion und Verzunderung haben sie fur hochbeanspruchte Verschleifipanzerungen ihre Bedeutung behalten. Stellite werden im GuBzustand oder im geschmiedeten Zustand sowie als Auftragschweil3ung (s. Abschn. 8.2.4.2) verwendet. Ihre Zusammensetzung ist in Tabelle 8.4 aufgefuhrt. Fur AuftragschweiBungen liegen die C-Gehalte niedriger. Bei Ver1,5% bzw. I 10% sind sie schmiedbar. ringerung der C- und W-Gehalte auf I Die Stellite haben in der Mehrzahl ein austenitisches Gefiige mit einem hohen Anteil an Carbidphasen. Co ist dabei der Trager der Zahigkeit, wahrend das Wolframcarbid den VerschleiBwiderstand und die gute Warmharte bedingt. Cr verbessert die Zahigkeit und uber die Carbidphasen die Harte. Durch Zusatze von Mo, Ta, Nb, B u.a. lassen sich die Eigenschaften in bestimmter Richtung modifizieren. Neben den Stelliten haben auch gegossene Hartrnetalle eine gewisse Bedeutung erlangt. Der weitaus groBte Teil der Hartmetalle wird jedoch durch Sintern hergestellt (s. Abschn.4.3 und 8.2.5). Gegossene Hartmetalle enthalten um 4% C und 5 9 2 % W mit Zusatzen von Mo, Ta, Ti u.a. Das Wolfram liegt hauptsachlich in Form von WC vor. Infolge des hohen Schmelzpunktes der Carbide sowie einer Teilzersetzung des WC in W,C beim SchmelzprozeB sind die GuBlegierungen sprode und porig. Ihre Anwendung beschrankt sich daher auf Gebiete, bei denen insbesondere groBe Harte und VerschleiBfestigkeit, dagegen weniger Festigkeit und Zahigkeit eine Rolle spielen. Beispiele sind Fuhrungsbuchsen, Sandstrahldiisen, TiefbohrmeiBel und Drahtziehwerkzeuge. Ein anderer Nichteisenmetall-Hartgufi-Legierungstypmit dem Handelsnamen Tribaloy (USA) enthalt 50 bis 60% Co, 20 bis 35% Mo, 3 bis 10% Si und bis 17% Cr oder 50% Ni anstelle von Co (Tab. 8.3). E r zeichnet sich bei Gleitbeanspruchung durch einen sehr hohen Verschleiljwiderstand aus, auch wenn eine zusatzliche korrosive Einwirkung vorliegt. Im Gefiige befinden sich je nach Zusammensetzung zwischen 30 bis 70% einer sehr verschleififesten intermetallischen Phase (Laves Phase), beispielsweise CoMoSi oder Co,Mo,Si, die Harten zwischen 1000 bis 1300 HV aufweist. Die Werkstoffe sind bis zu Temperaturen von etwa 1000°C einsatzfahig [8.7]. Durch Einmischen von pulverformigen TribaloyLegierungen bei der Herstellung von Sinterwerkstoffen 1aBt sich deren VerschleiBwiderstand deutlich erhohen.

8.2.4 Oberflachenschichten zur Verbesserung des VerschleiBwiderstandes Bei der Verbesserung des VerschleiBwiderstandes von Werkstoffen durch eine Oberflachenbehandlung konnen gleichzeitig noch andere Gesichtspunkte wie

0.08

2.5

2S

1 ,I

28

Stellit 1

Stellit 3

Stellit 6

Stellit F

1

1

1

3

3

0.08

Tribaloy 700

Tribalov 800

1,8/2,2

2

1,1/1,4

G 125CoCrW226

0,2/0,6

0,08

2,012.4

G220CoCrW220

0.210.6

Tribaloy 400

2.612.9

G275CoCrW215

1,0/1,5

10

2,312.7

G250CoCrW190

2,0/2,9

Si

Tribaloy 100

1,6/1,8

C

G170CoCrW135

Legierung-

1

0,210.4

0,2/0,4

0.210.4

0,2/0,4

0,4/0,6

Mn

1

3

Fe

26

28

30

30

17

15

8

26/28

26/28

24/26

32/34

24/26

Cr

23

3

3

50

Ni

Zusarnrnensetzung in %

35

67

50

47.5

52

62

55

63/67

53/57

52/55

46/50

32/35

co

1

28

32

28

35

Mo

Tabelle 8.3 Zusamrnensetzung und Harte von gegossenen Hartlegierungen (Stellite; Tribaloylegierungen)

12

4

12

12

41.5

13/15

18/20

14/15

5,5/6,5

W

55

60

50

65

%

Laves Phase

40

53

62

48

53

42/54

51/54

56/60

58

45/52

Harte HRC bei RT

- 45 - 32

- 51

Warmharte HRC bei 600°C

358

8

Wcrkstoffe fur VcrschlciRbeanspruchung und Reibwel-kstoffc

die Erhiihung der Korrosionsbestandigkeit oder ein dekoratives Aussehen eine Rolle spielen. Wichtig ist jedoch, daB andere geforderte Werkstoffeigenschaften, insbesondere Zahigkeit und Dauerschwingfestigkeit, durch die verschleifimindernde Oberfliichenbehandlung nicht negativ beeinfluBt werden, bzw. die auftretenden Veranderungen mussen berucksichtigt und nach Moglichkeit durch zusatzliche Mafinahmen kompensiert werden. Als Beispiel sei das Kugelstrahlen genannt, bei dem Druckeigenspannungen im Oberflachenbereich erzeugt werden, die zu einer Erhohung der Dauerfestigkeit fuhren. Durch das Aufbringe n ve rs ch 1e i R f e st e r Be sch i ch t u n ge n k 6n n e n a u ch v e rsch 1i sse n e Te i 1e re ge n er i er t werden. Im folgendcn wird auf technisch bedeutsame Verschleifischutzschichten und deren Eigenschaften eingegangen (s.a. Abschn. 3.1.4). Die fur den VerschleiBschutz unter abrasiven Bedingungen im Vordergrund stehende Harte ist in Bild 8.8 fur wichtige Schichten zusammengestellt.

vc TIC-

Fe2B, FeB

-

TIN Ni-P-Darn

c;9

(2)

(3. 4) (1)

(I)

(1) Galvanische Verfahren

-

Mo

Ni-SIC-

(I)

(2)

(3)

-f5)

Ni-P-

wc-co

-

f 5)

(2) Thermochem Verfahren (3) CVD (4) PVD

(5)

(5) Plasmaspntzen

I

I

I

1

I

I

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

H&te HV Bild 8.8 Hiirte v o n VerschleiBschutz~cliichten(nach J . ( ; r o . ~ c ~ / ~ )

8.2.4.1 Galvanische Schichten

Eines der bekanntesten galvanischen Verfahren fur den Verschleifischutz ist das Hartverchromen (s. a. Abschn. 4.2.3). Die durch elektrochemische Abscheidung erzeugten Schichten vereinen hohe Harte (1 200 HV) mit niedrigen Reibungszahlen (0,25 bis 0,3 bei trockener Reibung gegen Gufieisen), geringer Frefinei-

8.2

Werkstoffe fur VerschleiRbeanspruchung

359

gung und guter Korrosionsbestandigkeit. Die hohe VerschleiBfestigkeit wird neben der Harte mal3geblich durch eine dichte und sehr festhaftende Oxidschicht bestimmt, die einen metallischen Kontakt auch bei starken Beanspruchungen verhindert. Beim Reibungsvorgang regeneriert sich die Oxidschicht standig, so dal3 der VerschleiB niedrig bleibt. Charakteristisch fur Hartchromschichten sind die durch Zugeigenspannungen verursachten Risse. Das Verschleinverhalten wird vielfach durch die Harte des Substratwerkstoffes mitbestimmt. Fur schlagende und druckende Beanspruchung ist daher der Einsatz von Grundwerkstoffen mit hoher Harte notwendig, um ein Durchdrucken der Hartchromschicht zu vermeiden. Meist sind fur Hartchromschichten auf Stahl keine Zwischenschichten erforderlich. Bei Forderungen nach zusatzlicher Korrosionsschutzwirkung sind jedoch zunachst Nickel- und Kupferschichten aufzubringen. Anwendungsfalle fur Hartchromschichten sind Werkzeuge fur Pressen und Tiefziehformen, Bohrer, Raumnadeln, Sageblatter, Reibahlen, Schneidwerkzeuge, Muhlenteile, MeBzeuge u. a. Dickere Schichten werden vorwiegend zur Regenerierung verschlissener Bauteile, wie Kurbelwellen, Motorenteile, Zylinder oder Walzen, aufgebracht. Als Grundwerkstoffe kommen unlegierte und legierte Stahle, StahlguB sowie GuBeisen in Betracht. Hartchromschichten sind schlecht benetzbar. Zur Verbesserung der Gleiteigenschaften geschmierter Paarungen werden die Abscheidungsbedingungen so gesteuert, dal3 die Mikrorisse feine Netzwerke bilden oder Poren entstehen, in denen Schmiermittel aufgenommen und so die Ausbildung des Schrnierfilms gefordert wird. Die Poren- oder RiBverchromung wird vorzugsweise fur Zylinder und Kolbenringe von Verbrennungsmotoren, Verdichter und Pumpen, StolJdampferteile und ahnliches angewendet. Technische Bedeutung hat auch das Hartverchromen von Leichtmerallen. Um eine gute Bindung zum Grundmetall zu erreichen, ist die Entfernung der Oxidhaut durch eine mechanische und chemische Vorbehandlung notwendig. Hartchromschichten auf Leichtmetallen werden erfolgreich bei PreBformen fur Polymere und Gurnmi, Zylinder und Kolben fur Flugzeug- und Kraftwagenmotoren, Lager oder Bremstromrneln eingesetzt. Als Grundwerkstoffe haben sich AI-Si-, Al-Cu-Ni-, Al-Si-Cu- und Al-Mg-Legierungen bewahrt. Eine geringere Verbreitung als Chromschichten haben galvanisch abgeschiedene Hartnickelschichten gefunden. Sie sind zaher, haben aber eine niedrigere Harte (bis 650 HV) und werden beispielsweise zur Regenerierung verschlissener Maschinenteile aufgebracht. Gegenuber Hartchrom sind ihre gute Bearbeitbarkeit, die festere Bindung zum Grundwerkstoff und die bessere Deckung hervorzuheben. Auch stromlos (chemisch) abgeschiedene Nickelschichten, die je nach dem verwendeten Reduktionsmittel immer Phosphor oder Bor enthalten, sind als VerschleiBschutz geeignet. Sie sind nach dem Abscheiden amorph und weisen Harten von 500 bis 700HV auf. Bei einer Warmebehandlung (Gluhen bei 400 "C) werden sie kristallin, wobei sich auBerdem Nickelphosphid oder Nickelboride ausscheiden. Dadurch steigt die Harte auf uber 1000 H V an. Neben weiteren binaren Legierungen (Fe-P, Co-P) konnen auch ternare Schichten, z. B. Ni-Co-P, Ni-W-P, sowie Vierkomponentenschichten wie Ni-Co-W-P erzeugt werden. Vielfaltige technische Nutzung finden galvanisch oder chemisch hergestellte Dispersionsschichren [8.11],[8.12], die in der Regel aus einem weicheren Grundmetal1 und einer eingelagerten Hartstoffphase bestehen. Die einzulagernde

360

8

Werkstoffe fur VerschleiRbeanspruchung und Reibwerkstoffe

Komponente wird in Pulverform im Elektrolyten stabil suspendiert. Die feindispersen Teilchen scheiden sich dann zusammen rnit dem Schichtmetall ab und werden in das entstehende Gefuge eingebaut. Als Matrixmetall kommen Ni, Fe, Cu, Cr, Zn, Pb oder Messing in Betracht, als disperse Zusatze Oxide (A1203, SiO,, ZrO,, TiO,), Carbide (WC, SIC, Tic, B4C, TaC), Nitride (a- und P-BN, Si3N4)und Diamant. Die zugesetzten dispersen Phasen weisen je nach Herstellungsverfahren TeilchengroBen zwischen 10 bis 0,001pm auf. In der Praxis wurde bisher den Dispersionsschichten auf Nickelbasis bei weitem der Vorzug gegeben. Ni-SiC-Dispersionsschichten sind sehr fest rnit dem Substrat verbunden und zeigen eine hohe Warmfestigkeit, Temperaturwechselfestigkeit und Harte (63HRC). Eine Schicht von 25pm Dicke verformt sich bei Schlagbeanspruchung mittels Kugel ohne zu brechen und weist auch nach mehrfachen Abschreckversuchen von 650°C in Wasser keine RiBbildung auf. So werden vor allem Ni-SiC-Schichten als Laufflachen fur den Kreiskolbenmotor (Paarungspartner Dichtleisten aus einem gesinterten Verbundwerkstoff rnit Stahlmatrix und eingelagertem Tic), fur den VerschleiBschutz von Zylinderbuchsen aus Al-Legierungen, fur Kolbenringe, Schneckenelemente, Dusen, Formwerkzeuge, Messerleisten u. a. mehr eingesetzt. Daneben haben auch NiAl,O,-Dispersionsschichten technisch Eingang gefunden. Ihre Temperaturwechselbestandigkeit soll die der Ni-SiC-Schichten noch iibertreffen. HochverschleiBfest sind Verbundschichten mit Diamant. Hierfiir eignet sich besonders synthetisches, durch Einwirkung von Schockwellen (Explosionsverfahren) aus Graphit hergestelltes Diamantpulver (s.a. Abschn. 4.4.2). Die Dispersionsschichten enthalten 20 bis 30 Vo1.-% Diamantfeinstpulver in einer Matrix aus Ni oder Ni-Legierungen. Ihre Schichtdicken betragen 2 bis 5 pm. Die VerschleiBfestigkeit soll weitaus hoher als die von Schichten aus Hartmetall oder Ni-SiC sein (Faktor 30 bis 200). Als Anwendungsgebiete werden Dichtungsflachen von Wellen fur hochbelastete Pumpen, Verschleiljteile von Papier- und Textilmaschinen, Schneidwerkzeuge aller Art, Werkzeuge der Kaltumformung, StrangpreBdiisen, Extruderschnecken und dgl. genannt. Eine weitere Variante verschleifimindernder Schichten sind solche auf Cu-Basis. Als Dispersionsschichten rnit A1,0,- oder SiC-Einlagerungen werden sie vor allem in der Elektrotechnik bei kombinierten Beanspruchungen durch elektrischen Strom und VerschleiB eingesetzt. Bei der Metallabscheidung konnen aber auch gleitfordernde Zusatze von MoS2, Graphit, PTFE u.a. verwendet werden, so dalj sich selbstschmierende Lager, Dichtringe oder Gleitflachen herstellen lassen.

8.2.4.2 AuftragschweiBungenund thermische Spritzschichten

Auftrugschweiflungen (s.a. Abschn. 1l S ) , die der VerschleiBminderung dienen, konnen rnit fast allen gebrauchlichen Schweiljverfahren vorgenommen werden. Oft kommen aber Spezialverfahren, wie das UnterpulverschweiBen, PlasmaschweiBen, Elektroschlacke-Auftragschweiljen oder Hochfrequenz-AuftragschweiBen, hierfur zum Einsatz. Besondere Bedeutung haben Verfahren rnit groBer Abschmelzleistung und hoher Einschaltdauer, die ein programmierbares teil- oder vollautomatisches Arbeiten ermoglichen. Die Auftragwerkstoffe werden in Form von speziellen SchweiBstaben und -elektroden, Pulvern und Pulvergemischen, Pasten, Fiilldrahten sowie durch Pulverwalzen hergestellten Sin-

8.2

Werkstoffe fur VerschleiRbeanspruchung

361

terbandern verwendet. Fur das AuftragschweiBen sind unlegierte und niedriglegierte Bau- und Vergutungsstahle sowie auch hoher legierte Stahle, die entsprechend ihrer Schweirjbarkeit vorgewarmt werden miissen, als Grundwerkstoffe geeignet (s. Abschn. 3.1). Die Schichtdicken betragen in der Regel zwischen 0,5 und 5 mm. Fur AuftragschweiBungen haben sich neben den in Abschnitt 11.5 genannten Schweipzusatz werkstoffen die in Tabelle 8.4 angegebenen Werkstoffgruppen der laufenden Nr.1 bis 11 fur hohe Verschleiflbeanspruchungen eingefuhrt. Es handelt sich dabei neben den bekannten VerschleiBbestandigen Stahlen (Nr. 1 bis 7) auch um speziell fur AuftragschweiBungen und Spritzschichten entwickelte Legierungstypen (Nr. 8, 9 und 11). In Fallen besonders hoher Verschleifibeanspruchung, z. B. in Verbindung mit gleitenden Mineralstoffen, werden Schichten aus Cr-C-B-Fe-Legierungen oder aus Hartmetallen auf WC-Co-Basis aufgetragen. Ni-Cr-B-Si-Legierungen sind niedrigschmelzend und selbstflierjend, so darj die Stahloberflache nur wenig angeschmolzen wird. Meist ist jedoch ein Aufschmelzen des Grundwerkstoffes im Oberflachenbereich erforderlich. Dabei ist eine Aufmischung des Auftragwerkstoffes mit dem Grundwerkstoff moglich, wodurch sich Anderungen in der Zusammensetzung und den Eigenschaften der Schicht ergeben konnen. Beim AuftragschweiBen ist zu beachten, daB ein groBer Temperaturgradient zwischen Werkstuck und Auftragschicht entsteht und es somit nach dem Auftragen zu einer raschen Abkuhlung kommt. Die dabei auftretenden Spannungen konnen dann so groB sein, darj in der Schicht Risse entstehen bzw. ein Verzug des Bauteils eintritt. Durch Vorwarmen des Werkstuckes laBt sich dies einschranken bzw. vermeiden. Anwendungsbeispiele fur das AuftragschweiBen sind: VerschleiBteile in Bodenbearbeitungs-, Bau- und Bergbaumaschinen wie Baggerzahne, Laufrader, Kettenglieder, Forderschnecken, Bohrkronen, weiterhin Walzen in der Hutten- und Stahlindustrie, Gichtglocken fur Hochofen, Hammermuhlenschlager, Warmschermesser, Schmiedesattel usw. AuBer dem AuftragschweiBen ist auch das Aufspritzen VerschleiBmindernder Schichten (thermisches Spritzen) nach verschiedenen Verfahren in der technischen Praxis anzutreffen. Das Verfahrensprinzip beruht darauf, daB das Schichtmaterial inner- oder aurjerhalb von Spritzgeraten an- oder aufgeschmolzen und auf die vorbereitete Oberflache von Werkstucken geschleudert wird. Das Aufschmelzen erfolgt je nach Verfahren durch eine Gasflamme (2500 "C), einen Lichtbogen (4000°C) oder einen Plasmastrahl (bis 12000°C bei Vakuumplasmaspritzen). Die Spritzteilchen werden durch Druckluft oder Gasstrahl (Plasmastrahl) zerstaubt und beschleunigt. Erfolgt das Spritzen an der Atmosphare, werden die Spritzteilchen teilweise oxidiert. Thermische Spritzschichten sind mikroporos, rnikrorissig, weisen Oxideinschlusse und eine rauhe Oberflache auf. Die Haftfestigkeit auf dem Substrat ist vergleichsweise gering. Als Schichtwerkstoffe kommen in Abhangigkeit von den geforderten Schichteigenschaften ahnliche Werkstoffe wie beim Auftragschweirjen fur den VerschleiBschutz zum Einsatz. So werden z. B. hochlegierte Stahle, Cr-C-Fe- und Ni-Cr-BSi-Legierungen oder Co-Basislegierungen sowie Hartstoffe (Tab. 8.4, Nr. 8,9 und 12) verwendet. Die Hartstoffe (Carbide, Nitride, Boride, Oxide: A120,, Z r 0 2 , ZrSi04, Cr,03 u.a.) konnen auch gemeinsam mit einem Metal1 oder einer Legierung verspritzt werden. Der aufzutragende Werkstoff wird vorzugsweise als Pulver oder Draht, aber auch in Form von Sinter- und Verbundstaben zugefiihrt. Im letztgenannten Fall

Wnrmarbcitsstahl mit

2

‘1

27 his 35

his 20

0

x

0 his

s

5 his

his 3

0

5 his 9

his 3

0

0

his .s

HRC 55 his 70

250

HB 200 his

HB’I 400 his 500

his 2

IS

HB 500 his 600

0

5 his

HB 500 his 600

65

2

IS

his 5

HRC 5 X bis

2

0 his 3

HRC 4X-52 58-62’J

30

5 0.25

0

18

0 10

I0

5 1.5 his

his

0 his

his

0 his 4

0 his

his 3

1.5 his 5

his 2 Si

Sonst.

400

0.15 his 1.5

V

I 1

W HB 200 his

Ni

his

0

Mo

0 his

11 his IS

0. 5 bis 3

Mn

(Fortsetzung nachste Seite)

hervorragend hei Mineral-Gleitbeanspruchung z. B. Forderschnecken. Brikettformen. Planierschilde

Schienenkreuzungen u. Weichen. Weichenzungen.Wasserturbinenteile

Teile fur hahere Schlag-. StoB- u. Druckbelastung. Brecherbacken. Baggerrahne. Prallplatten

Schermesser. Schnittplatten. Prelj-. Zieh- und Kaltdruckwerkzeuge, Plunger. Armaturensitze

Dichtflachen. Armaturen. Walzen. Schaufelrader

Drehmeilkl. Fraser. Rollscheren. Reihahlen. Warmlochwerkzeuge

Warmarheitswcrk7euge,Walzen. Gesenke, Scheren. Stempel. Matriren. Abgratwerkzeuge

geringere VerschleiRbeanspruchung; Schienen. Fuhrungen. Trommeln. Buchsen

Harte Anwendungsbeispiele (Richtwerte)

5 his

4 his 6

his 5

1

his 5

0

Cr

Richtzusammcnsct7ung in Masse-YO

0.5 bis 1 .2

0.2 his 2

0 his I5

Co

niich K;ilt\crlc\tipmg

10

Ledehuritische Cr-CFe-Legierungen (Co. Mo.W)

X

yharlc1

X

Cr-Ni-Mn-Austenitc

7

:I

7

Hartmnnganstnhl

6

nach DIIY

6

Chromstahl mit hoherem C-Gehalt

5

11

5

Chromstahl mit niedrigeni C-Gehalt

3

s 0.2

0.6 his 1.5

0.2 his 0.5

3

Schnellarheitsstahl mit 4 W. Cr. V (Co. M o )

z 0.4

2

Leg. CirupC pc”

3

W, Cr. (Mo. Ni. V. Co)

unlcg. od. nicdrig-leg. Stahl 50.4 C; max. 5 % Lcg.-Best.

I

Ifd , Werkstoffgruppc N r.

Tabelle 8.4 Auswahl v o n Werkstoffen zur Herstellung hochverschleil~festerAuftragschweiRungen und Spritzschichten (nach [S.40] bis [8.42])

ausgewahlte Metalle

Metalloxide

Metallcarbide

andere Metallverbindungen

gemischte Pulver

13

14

15

16

17

21

Ni-Cr-B-SiPulver

12

nach DIN 8555

Ni-Cr-BLegierungen

11

I)

Hartmetalle gesintert ; gegossen

10

pehartet

22

21

Stellite aufCo- 20 Basis

~~

Mn 0 bis 3

Mo 0 bis 3

Ni

25

3 bis

W

V

nach Kaltverfcstigung

Ni-Cr-B-Si + Mo; Ni-Cr-B-Si + W2C; AlzO, + NilAI: A1 + A1203: Ni + CrB,: Ni + Cr,O, + Cr,C,

Motoren-, Triebwerks-, Raketen-. Turbinenteile, Brennerdusen

Raketenteile, Strahltriebwerke, Ofenteile. Brennerdusen

HV 1500 bis 1650

TiN; ZrBz: CrB,; TiB2

WC (W,C); Cr,C,; Tic; WC-TIC; SIC

Ofenbau, Motoren- u. Getriebeteile, Synchronringe, Turbinenschaufeln

Glasformen, Plunger, Wellen, Kolbenstangen, BohrmeiBel, Forderschnecken

Pumpen. Gasturbinenteile, Walzen

HRC 35 bis 65

HV 1300 bis 2400

3.2 - 4,3 Si 1,8 3,s B 2 4.5 Fe

+ MgO; Cr203;Cr203+ TiO,;

Rest

Fadenfiihrer, Umlenkrollen, Diisen, Forderschnecken, Gleitringe

bis 2.3

Ventile, Glasformen, Nocken, Exzenter, PreBwerkzeuge bis 500°C. Turbinenschaufeln

HRC 40 bis 60

HV 850 bis 1300

2 0,3

bis 5B

pulverformige Spritzwerkstoffe

65 bis 85

PreRschnecken, Mahlringe, Bohrkronen, Gleitringdichtungen, Fadenfiihrungen, Teile f. MineralverschleiB

Ventilsitze, Warmschermesser, Pumpenwellen, Dampf- u. Saurearmaturen; bis 600°C einsetzbar

HV 1800 bis 2000

HRC 38 bis 58

A1,0,99,5; ALO, + T i 0 2 ;A1,0, ZrO, + MgO; ZrOz + Y 2 0 3

9 bis 17

8 bis 18

~

Rest Fe

Sonst.

Matrix Co, Ni, Mo. Fe bis 80 ?Lo Carbide auf Basis WC (W2C) Tic, Cr,C2

25 bis 33

Cr

Harte Anwendungsbeispiele (Richtwerte)

HV bis 350

bis 0,3

1 bis 1,s

30 bis 70

Co

Richtzusammensetzung in Masse-%

W 99; Mo 99; Ti 99; Cr 98,s

0.04 bis 0.8

bis 1

0,7 bis 3

Leg. GrupC pel)

9

~

Ifd . WerkstoffNr. gruppe

Tabelle 8.4 Auswahl von Werkstoffen zur Herstellung hochverschleiBfester AuftragschweiBungen und Spritzschichten (nach [8.40] bis [8.42]) (Fortsetzung)

364

8

Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchung und Reibwerkstoffe

kann beispielsweise so verfahren werden, dalj die verschleiljfeste Komponente in einer Polymermasse, die wahrend des Spritzens verdampft und eine Schutzgasatmosphare bildet (s.a. Abschn. 7.16.2), eingebettet ist. Da sich beim Spritzen der Grundwerkstoff nur wenig erwarmt, konnen auch relativ niedrigschmelzende Werkstoffe mit verschleiljbestandigen und hochschmelzenden Auftragspritzschichten, z. B. Stahl mit Molybdan (s. Tab. 8.4), das bei Gleitbeanspruchungen ein sehr gunstiges VerschleiBverhalten aufweist, versehen werden. Um eine gute Haftung zwischen Grund- und Schichtwerkstoff zu gewahrleisten, ist neben der Untergrundvorbehandlung, z. B. durch Strahlen, Einbringen von Nuten, Kerben oder Spritzen spezieller Haftgrundschichten, oft noch eine sich an den Spritzvorgang anschlieBende Warmebehandlung erforderlich. Bei Zugabe von schmelzpunkterniedrigenden und diffusionsaktiven Elementen, z. B. Bor und Silicium zu Nickel- und Cobaltlegierungen (selbstflieljende Legierungen) wird durch Gluhen bei 1000 bis 1150°C eine Schmelzverbindung hergestellt und damit die Porositat der Spritzschicht vermindert. Dabei kommt es gleichzeitig zu Diffusionsvorgangen zwischen Grundwerkstoff und Schicht, so daB die Schichthaftung verbessert wird. Bei den Verfahren des Hochgeschwindigkeitsspritzens sowie dem Vakuumplasmaspritzen und dem DetonationsspritZen werden durch die hohere Auftreffgeschwindigkeit der Spritzteilchen dichtere und haftfestere Spritzschichten erzielt. Das Vakuum bietet zudem den Vorteil, dalj das Spritzgut nicht oxidiert wird und somit keine Oxideinschlusse in den Schichten enthalten sind. Dichte und haftfeste Hartstoffschichten, z. B. auch WC-Co-Hartmetalle, werden mittels Vakuumplasma- oder Detonationsspritzen fur hochverschleiflbeanspruchte Bauteile, wie Schubdusen von Strahltriebwerken, Klauen und Spannvorrichtungen, Raumwerkzeuge, Bohrstangen oder Spindeln aufgebracht. Typische Anwendungen des thermischen Spritzens sind bei Trocken- und Kuhlzylindern, Leimauftragwalzen in der Papierindustrie, bei Verschleinteilen von Textilmaschinen (Fadenfuhrern), Schaltgabeln, Synchronringen, Extruderschnecken sowie zur Regenerierung von verschlissenen Lagerstellen gegeben.

8.2.4.3 Oberflachen-Harteschichten

Das Oherflaichenhartenwird zur Erzeugung verschleififester Schichten dann herangezogen, wenn der Werkstoff im Kern zah bleiben oder nur die beanspruchte Stelle des Werkstuckes einen erhohten Verschleiljschutz erhalten soll. Auch groBere und kompliziertere Teile konnen ohne Schwierigkeiten derart behandelt werden. Alle hartbaren Stahle, vorzugsweise Vergutungsstahle (s. Abschn. 3.1.8) sowie StahlguB und GuBeisen, sind hierfur geeignet. Die Oberflache wird durch Gasbrenner, Induktionserwarmung oder Tauchen in Salzbader erhitzt und abgeschreckt. Fur eine Flammen- oder Induktionshartung kommen sowohl unlegierte Stahle der Qualitat Cf35 bis Cf60 als auch bei stark beanspruchten Oberflachen und gleichzeitig geforderter hoher Kernfestigkeit Mn-, Mn-Si-, Cr-, CrMo- und Cr-V-legierte Stahle (z. B. 37MnSi5, 45Cr2, 41CrMo4, SOCrV4) in Betracht. Die erreichbaren Harten liegen zwischen 50 bis 60 HRC. Bei den Verfahren der Randschichthartung mit hoher Erwarmungsgeschwindigkeit werden dunne Oberflachenbereiche partiell auf sehr hohe Austenitisiertemperaturen erhitzt und durch Selbstabschreckung gehartet. Dabei werden kurz-

8.2

Werkstoffe fur VerschleiRbeanspruchung

365

zeitig (I100 ms) auf kleine Flachen Leistungsdichten bis zu einigen 100 W/mm* konzentriert. Es entstehen sehr feinkornige und strukturlos scheinende Martensitschichten mit einer Tiefe von 0,05 bis 0,5 mm. Die Impulshartung arbeitet mit HF-Impulsen, die wahrend 1 bis 100 ms auf das Werkstuck einwirken. Von den Strahlharteverfahren hat sich das Laserstrahlharten weitgehend durchgesetzt. Eine spezielle Optik formt den Laserstrahl zu einem Arbeitsfleck mit gleichmal3iger Intensitatsverteilung, unter dem das Werkstuck in Vorschubrichtung bewegt wird. Bei Verwendung eines Scanners wird der Laserstrahl rasterformig uber die zu behandelnde Oberflache gefuhrt. Zur Erhohung des Energieeintrages mu13 die Oberflache mit einer lichtabsorbierenden Schicht uberzogen werden [8.16]. In Bild 8.9 ist das aul3erst feinkornige und daher strukturlos scheinende Gefuge einer lasergeharteten Oberflache des Stahles C105W1 zu erkennen.

Bild 8.9 Gefiige einer lasergeharteten Oberflache des Stahles C105W1

Ahnliche Moglichkeiten bietet auch das Elektronenstrahlharten, wobei ein energiereicher Elektronenstrahl mittels eines magnetischen Wechselfeldes uber die zu hartende Oberflache gefuhrt wird; jedoch ist das Verfahren an das Vorhandensein eines Vakuums geknupft und dadurch in der Anwendung eingeschrankt. Fur alle Verfahren gilt, dal3 sie nahezu verzugsfrei arbeiten, sich die Werkstucke insgesamt nur wenig erwarmen und eine partielle Behandlung der durch Verschleil3 beanspruchten Oberflachenbereiche erfolgen kann. Von der Moglichkeit der Oberflachenhartung wird im Maschinenbau oft Gebrauch gemacht. Anwendungsbeispiele sind Kettenbolzen, Kurbelwellen, Zahnrader, Zylinderbuchsen, Nockenwellen, Zieh- und PreBgesenke, Gleitbahnen, Lagerringe und Kettenrader. 8.2.4.4 Diffusionsschichten

Verschleil3schutzschichten, die uber das Eindiffundieren von Atomen eines oder mehrerer Elemente in die Oberflachenzone von Werkstucken entstehen, sind in

366

8

Wcrkstoffc fur VerschleiRbeanspruchung und Reibwerkstoffc

der Praxis sehr haufig anzutreffen [8.14], [8.15]. Bekannt und technisch oft genutzt sind das Aufkohlen rnit anschlieaendem Harten (Einsatzharten), das Nitrieren, Nitrocarburieren, Carbonitrieren, Borieren, Chromieren, Aluminieren, Silicieren und Vanadieren. Dabei wird das zu behandelnde Werkstuck bei hoheren Temperaturen uber Gasphasen oder in direktem Kontakt mit den zur Diffusion vorgesehenen Stoffen in Verbindung gebracht. Es entstehen Oberflachenschichten, die eine aul3erst feste Haftung zum Grundwerkstoff haben. Da die meisten dieser Verfahren bereits im Zusammenhang mit den fur eine thermochemische Oberflachenbehandlung in Frage kommenden Stahlen im Abschnitt 3.1.4.4 behandelt wurden, sollen im folgenden lediglich Erganzungen, die die Nutzung fur den VerschleiBschutz betreffen, gegeben werden. Beim Einsarzhiirten ist die der Aufkohlung folgende Warmebehandlung so zu fuhren. daB der Werkstuckkern eine hohe Festigkeit und gute Zahigkeit aufweist. Hierfur (s.a. Abschn. 3.1.7) kommen unlegierte sowie legierte Stahle zur Anwendung, z. B. Mn-Cr-, Mo-Cr-, Cr-Ni- oder Ni-Cr-Mo-Stahle mit einem niedrigen C-Gehalt (0,l bis 0,2% C) in Frage. Durch die Martensit- und bei lcgierten Stahlen auch Carbidbildung wird die VerschleiBfestigkeit der kohlenstoffangereicherten Oberflachenzone wesentlich erhoht. Das Einsatzharten ist im Maschinenbau fur Bolzen, Wellen, Zahnrader, Fuhrungen, PreBstempel u. a. weit vcrbreitet. Durch Chroriiieren erhalt man Diffusionsschichten. die zugleich korrosionsbestandig und verschleiBfest sind. Fur weniger beanspruchte Teile ist ein Stahl mit 0,l YO C und 0.6% Ti vorgesehen. Das Ti bindet den Kohlenstoff und verhindert beim Chromieren die Chromcarbidbildung, so daB Fe-Cr-Mischkristallschichten entstehen. Fur hochbeanspruchte VerschleiBteile werden hoher gekohlte Stahle eingesetzt. bei denen sich eine Chromcarbidschicht ausbildet. Dann sind Oberflachenmikroharten von 1600 bis 1800 HV erreichbar. Da die Cr-Diffusion durch C behindert wird, sind die bei diesen Stahlen erzielbaren Schichten dunner. Hauptanwendung findet das Chromieren fur Klein- und Massenteile von Textilmaschinen. Verpackungsautomaten und SchweiBmaschinen sowie fur Fuhrungsteile, Forderketten. Rollen, Bolzen und Stifte. Das Nitrieren wird an Stahlen (s.a. Abschn. 3.1.8) durchgefuhrt. die Al, Cr. Mo und V enthalten (Nitrierstahle), da diese Elemente sehr h a r k und verschleiBfeste Nitride bilden. sowie an einer Reihe von GuReisensorten, die bis 1.5% Aluminium bzw. 1.7% Chrom aufweisen. AuBerdem werden Sintereisen- und Stahlteile (s. Abschn. 3.1.1 1 ) rnit Erfolg gasnitriert. Auf Grund ihrer Porositat sind deren Nitrierschichten jedoch erheblich groBer. Die Oberflachenharten der gasnitrierten Stahle liegen zwischen 750 (30CrMoV9) und 900 HV (34CrA16). Fur das Badnitrieren (Nitrocarburieren bei Temperaturen von etwa 570 "C) werden bevorzugt unlegierte Stahle und GuBeisen herangezogen. Bei ihnen bildet sich an der Oberflache des Werkstoffes eine sehr dunne Verbindungsschicht, die aus einer Eisencarbonitrid- und sich anschliefiender Fe,N-Schicht besteht. Die Nitrierschichten haben einen sehr groBen VerschleiBwiderstand gegen gleitende Reibung und sind bis 500°C anlaflbestandig. Sie sind korrosionstriige, wegen ihrer geringen Dicke aber fur druckende und schlagende VerschleiBbeanspruchungen wenig geeignet. Die Anwendung des Nitrierens ist vielseitig und erstreckt sich auf Gleitbahnen, Fuhrungsteile, Exzenter, Kolben- und Pleuelstangen sowie Bolzen, Wellen, Dusen, Ventile. Spindeln, Walzen. MeBzeuge, Kleinteile in Automaten und PreBformen. Auch fur den VerschleiBschutz bei hoheren Temperaturen, wie bei

8.2

Werkstoffe fur VerschleiRbeanspruchung

361

Dampfleitungsschiebern und Zylindern, haben sich Nitrierschichten gut bewahrt. Das Carbonitrierharten findet wie das Einsatzharten fur die Verbesserung des VerschleiBverhaltens kohlenstoffarmer Stahle Anwendung. Dabei werden Stickstoff und Kohlenstoff gleichzeitig von der Oberflache aufgenommen und die Werkstucke nachfolgend gehartet. Besonders verschleififeste Schichten entstehen auf legierten Stahlen, wenn damit die Bildung von Sondernitriden verbunden ist. Nach dem Harten werden HRC-Werte von 49 bis 6.5 beobachtet. Da Stickstoff den Austenit stabilisiert, ist die Gefahr des Auftretens von Restaustenit, wodurch die VerschleiBfestigkeit vermindert wird, groB. Vorteilhaft ist die hohere AnlaBbestandigkeit carbonitrierter Schichten. Als eine Modifikation des Einsatzhartens wird das Carbonitrieren sowohl fur die dort genannten als auch fur speziellere Anwendungsfalle (Automobilteile, Zylinderbuchsen, Kupplungsscheiben) eingesetzt. Beim Borieren entstehen harte und sehr verschleiflfeste Boridschichten (s. Abschn. 3.1.4.4). Auf unlegierten Stahlen werden Mikrohartewerte zwischen 1600 und 1800 HV, auf legierten bis 2400 H V und auf Titanwerkstoffen von uber 4000 HV erhalten. Das Borieren wird fur solche Teile angewandt, die hohen adhasiven oder abrasiven VerschleiBbeanspruchungen unterliegen. Das sind z. B. Umformwerkzeuge, Lochstempel, Dusen, Gleitfuhrungen, Schnecken in Kunststoffverarbeitungsmaschinen, Olpumpenteile und Schraubentriebe. Dank ihrer hohen Warmebestandigkeit von 500 bis 600°C sind sie auch fur reibende Beanspruchungen bei hoheren Temperaturen gut geeignet. Durch Silicieren entstehen auf Eisen und Stahl Oberflachenschichten mit hoher Korrosions- und Zunderbestandigkeit, die auljerdem einen guten VerschleiBwiderstand aufweisen. Das bei der Warmebehandlung aus festen oder gasformigen Siliciumtragern eindiffundierende Silicium verdrangt den Kohlenstoff in das Werkstoffinnere, so daB die hochsiliciumhaltige Oberflachenschicht eine porige Struktur erhalt, die fur geschmierte Systeme infolge ihrer Olaufnahmefahigkeit vorteilhaft ist. Ihre Harte betragt 180 bis 240HB. Auf Grund der guten Korrosionsbestandigkeit der silicierten Oberflachen ist das Verfahren fur den Schutz von Reib- und Gleitpaarungen in der chemischen Industrie, fur Papierherstellungs- und -verarbeitungsmaschinen sowie in der Erdolindustrie pradestiniert. Sehr hohen VerschleiBwiderstand weisen durch Vanadieren erzeugte Oberflachenschichten auf, die sich mittels einer Warmebehandlung im Pulver oder Salzbad erzeugen lassen. Sie zeigen bei einer Dicke bis 20pm Harten von 1800 bis 2000 HV. Z u den neueren Methoden der Diffusionsbeschichtung gehoren die Verfahren der thermochernischen Behandlung im Plasma einer Glimmentladung. Als Anode dient die evakuierte Reaktionskammer, das zu behandelnde Werkstuck ist als Katode geschaltet. In die Reaktionskammer wird ein geeignetes Gas bzw. Gasgemisch, z. B. N2 oder Ammoniak beim Nitrieren, z. T. mit einem H,-Zusatz, bei einem Druck von 1 bis 10mPa geleitet. Durch Anlegen eines elektrischen Spannungsfeldes wird das Gas teilweise ionisiert und auf die Werkstuckoberflache hin beschleunigt. Die auftreffenden Gasteilchen reinigen, depassivieren und aktivieren die Oberflache, indem sie die Fehlstellendichte in der Randschicht erhohen. Gleichzeitig erwarmen die auftreffenden Ionen und mitgerissenen neutralen Partikel das Werkstuck auf Reaktionstemperatur. Die genannten Effekte und die hohe Konzentration des gewunschten Diffusionselementes an der Oberflache haben eine Senkung der Reaktionstemperaturen sowie eine Verkurzung

368

8

Werkstoffe fur Verschleiljbeanspruchung und Reibwerkstoffe

der Diffusionsbehandlung gegenuber herkommlichen Verfahren zur Folge. Industriell bereits verbreitet ist das Plasmanitrieren (Ionitrieren) [8.191, [8.20]. Zu den Diffusionsverfahren im weitesten Sinne ist auch das Ionenimplantieren zu rechnen, bei dem hochbeschleunigte Ionen mit etwa 100 keV direkt in die Oberflache des Werkstuckes eingeschossen werden. Die erforderlichen Implantationsdosen liegen im Bereich von 2 1016 Ionedcm’, was beispielsweise im Falle von Stickstoffatomen einer maximalen Stickstoffkonzentration von 11 bis 12 Atom-% entspricht. Die primare Eindringtiefe bewegt sich allerdings nur zwischen 100 bis 300 nm. Bei einer tribologischen Beanspruchung wandern die teilweise noch metastabil gebundenen N-Atome, unterstutzt durch die erzeugte hohe Fehlstellendichte, weiter ins Werkstoffinnere, so daB ihre Wirkung auch nach VerschleiB der ursprunglichen Schicht weiter anhalt. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens ist, daB die Behandlungstemperatur unter 200°C liegt und damit keinerlei Veranderungen der Geometrie und Oberflachenmorphologie eintritt. Das Ionenimplantieren mit Stickstoff geschieht bereits in Industrieanlagen [8.21]. AbschlieBend sei noch auf ein Sonderverfahren hingewiesen, bei dem durch einen konzentriert gefuhrten Laserstrahl eine dunne Oberflachenzone des zu veredelnden Werkstoffs aufgeschmolzen wird. In die Schmelzzone werden Zusatzstoffe wie fein pulverisierte Legierungselemente oder Hartstoffe. z. B. TIC oder WC eingeblasen, die die VerschleiBfestigkeit wesentlich verbessern konnen [8.171.

8.2.4.5 CVD- und PVD-Schichten

CVD- und PVD-Verfahren (s. Abschn. 3.1.4.5) werden in der Praxis zur Erzeugung sehr harter und verschleiBfester Schichten eingesetzt. Neben den klassischen TiN-, TiC- und Ti(C,N)-Hartstoffen werden auch Carbide und Nitride wie CrC, W,C, WC, Sic, TiAIN, TaN, Boride wie W,B und TiB, sowie Oxide, z. B. A1,0, und Z r 0 2 , oder harte Kohlenstoffschichten bzw. diamantahnliche Uberzuge einzeln oder in Kombination abgeschieden [8.23]. Die Harte dieser Schichten liegt bei 1000 bis 3500 HV. Carbid- oder Nitridschichten konnen sowohl nach dem CVD- als auch dem PVD-Verfahren hergestellt werden. Die verfahrenstypischen Unterschiede (z. B. niedrigere Beschichtungstemperaturen bei PVD, bessere Beschichtung kompliziert gestalteter Oberflachen durch CVD) fuhrten dazu, daB sich fur jedes Verfahren bestimmte Anwendungsgruppen erschlossen haben. D a die Schichtdicken wenige ,urn betragen - bei dickeren Schichten wachst die Gefahr des Abplatzens - ist eine ausreichende Harte des Substratwerkstoffes nach der Beschichtungsbehandlung von groBer Bedeutung, um ein Durchdrucken der Schicht zu verhindern. Hauptanwendungsgebiete sind Werkzeuge fur die spanende und spanlose Formgebung. Die Schichten dienen im allgemeinen dem VerschleiBschutz, insbesondere bei Mischreibung zur Verhinderung des KaltverschweiBens und der Verbesserung der Notlaufeigenschaften. Teilweise verringert sich auch die Reibungszahl deutlich. Beispiele sind Motoren-, Pumpen- und Getriebeteile, Plunger, Ventilkegel, Kolbenstangen, StoBdampfer u. a. Die uber PVD-Verfahren erzeugten goldfarbenen und sehr abriebfesten TiN-Schichten werden in groRem Umfang auch fur dekorative Zwecke, z. B. fur Gebrauchsartikel wie Uhrengehause, Brillengestelle, Feuerzeuge und Federhalter eingesetzt. Hier kommt es darauf an, durch die Einstellung geeigne-

8.2

Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchung

369

ter Verfahrensparameter den gewunschten Farbton auf der Goldfarbskala zu erreichen. Neuerdings werden auch andere Farbtone, z. B. schwarz oder grau durch entsprechende Hartstoffabscheidungen erzeugt.

8.2.5 Hartmetalle und Hartstoffe Gesinterte Hartmetalle haben fur die spanabhebende Bearbeitung eine herausragende Bedeutung (s. Abschn. 4.3), aber auch in anderen VerschleiBfallen werden sie nicht selten eingesetzt. Hartmetalle enthalten einen hohen Anteil carbidischer Hartstoffe, vor allem WC, TIC und TaC, sowie Bindemetalle der Eisengruppe, meist Cobalt. Von vielen VerschleiBbeanspruchten Teilen wird nicht nur eine hohe Harte, sondern auch eine ausreichende Festigkeit, Zahigkeit und Warmebestandigkeit verlangt. So ist, wenn schlagende und schwingende Belastungen auftreten, Hartmetall auf Grund seiner Festigkeit wesentlich harteren Stoffen, wie Borcarbid und Diamant, uberlegen. Die Hartmetallsorten mit geringem Co-Gehalt sowie die TiC- und TaC-haltigen Typen werden hauptsachlich als Schneidwerkzeuge genutzt, wahrend die mit hoherem Co-Gehalt (mehr als 8%) vorwiegend fur Verschleiflteile eingesetzt werden. Wie bei spanabhebenden Werkzeugen werden auch bei VerschleiBteilen die Hartmetalle meist auf Tragerkorper aufgelotet oder mechanisch befestigt (Hartmetallpanzerung). Eine Reihe von verschleiBbeanspruchten Formteilen - bei groBeren Abmessungen mit Hilfe isostatischen HeiBpressens - werden kompakt aus Hartmetall hergestellt. Der Einsatz von Hartmetallen, die im Vergleich zu entsprechenden Stahlteilen eine 40- bis 100-fach langere Standzeit haben, ist sehr vielseitig. Anwendungsbeispiele sind Dusen, Ventilsitze, Lager, Fuhrungen, Turbinenteile, Mahlkugeln und -behalter sowie verschiedene VerschleiBteile im Bergbau und bei der Erdbearbeitung. Die Bemuhungen, W und Co einzusparen, haben in Form der TiC-Basis-Hartmetulle mit Bindern aus Ni oder Ni-Legierungen sowie Stahl zu praktisch genutzten Ergebnissen gefuhrt (s.a. Abschn. 6.1.6.2). Werkstoffe mit Stahlbindern enthalten bis 50 Vol-YO Titancarbid und als Matrix unterschiedlich legierte Werkzeugstahle oder hochlegierte Stahle, beispielsweise Maraginglegierungen [8.38]. Im weichgegluhten Zustand (Harte zwischen 40 und 50 HRC) sind diese Werkstoffe noch spanabhebend bearbeitbar. Uber eine Abschreckhartung und AnlaBbehandlung lassen sie sich verzugsfrei auf Harten zwischen 68 und 71H R C bringen. Die Standzeit der TiC-Stahl-Verbundwerkstoffe (Handelsname: Ferrotic; FerroTitanit) belauft sich je nach Beanspruchungsbedingungen auf 60 bis 80% der von Hartmetallen. Der Einsatz erfolgt vorzugsweise als Umform- und PreBwerkzeuge, fur Ziehdusen, als Auskleidungen von Muhlen, als Mischerflugel und Mahlkorper, fur VerschleiB- und Gleitteile in Maschinen und Pumpen sowie als MeBzeuge. Bei einer zusatzlichen Einlagerung von feinstverteiltem Graphit lassen sich die TiC-Stahl-Verbunde auch fur Gleitfuhrungen, Lagerbuchsen und Druckscheiben, die eine niedrige Reibungszahl und gute Notlaufeigenschaften aufweisen mussen, verwenden. Von den Hartstoffen haben in dem hier zu erorternden Zusammenhang das Siliciumcarbid S i c und das Siliciumnitrid Si3N4Bedeutung, wozu nicht zuletzt die verbesserten technologischen Verfahren des HeiBverdichtens beigetragen haben. Durch isostatisches HeiBpressen lassen sich dichte, praktisch vollig

370

8

Werkstoffe fur Verschleil~beanspruchungund Reibwerkstoffe

porenfreie Werkstoffe herstellen, die sich durch eine hohe Korrosions-, Verschleifi- und Temperaturbestandigkeit auszeichnen. S i c wird ohne und mit verschiedenen Bindemitteln in Ventilen, Schiebcrn, als Pumpenteile und Muhlenauskleidungen im Kontakt mit korrosiven Medien verwendet. Das heifigepreBte Si3NJerreicht Biegebruchfestigkeiten von maximal 1000 MPa, wobei bis 1800°C nur ein geringer Festigkeitsabfall zu verzeichnen ist. Auch die Schlagfestigkeit ubertrifft die fast aller anderen keramischen Werkstoffe. Neben der Erprobung als Schaufeln von Gasturbinen sowie in Vcrbrennungskraftmaschinen, wird das Siliciumnitrid in geschmierten und trockenlaufenden Gleitlagern, fur Kugellager, Pumpenteile und andere verschleifibeanspruchte Teile eingesetzt. Im Vordergrund stehen seine hohe Harte, die g r o k Temperaturbestandigkeit sowie die gute Verschleififestigkeit bei relativ nicdriger Reibungszahl. Ein im Maschinen- und Apparatebau haufig anzutreffendcs hochverschleififestes Material ist die Sintertonerde, die sich auBerdem durch eine gute Temperaturund Korrosionsbestandigkeit auszeichnet (s.a. Abschn. 4.4.1 und 6.6.3.1). Mit Hilfe des isostatischen HeiBpressens feinkorniger Ausgangspulver und spezieller Zusatze (z. B. MgO. SiO,, Cr,03, ZrO,, TIC) konnten Festigkeit und Schlagzahigkeit wesentlich verbessert werden. Neuerdings ist die ZrOl-Keramik. die cine wesentlich bessere Biegebruchfestigkeit als A1,0, aufweist, in den Vordergrund geruckt. Anwendungsgebiete fur beide sind Kugeln fur Ventile, Pumpen- und Kugellager, Gleitringe. Kolben und Plunger fur Hochdruckpumpen. Dichtscheiben, Ventilkegel und -sitze, Dusen zum Sandstrahlen und Verspruhen. Llmforniwerkzeuge oder Ziehkonen [8.28], [8.29]. [8.39].

8.3 Reibwerkstoffe Die der technischen Entwicklung immanente Leistungssteigerung stcllt auch wachsende Anforderungen an die Werkstoffe fur Reibungskupplungen und Bremsen. Das Bestreben. einerseits Kupplungen und Bremsen miiglichst klein und leicht zu gestalten. andererseits aber die Gleitgeschwindigkeit und den Anprefidruck zu erhohen. bedingen eine vergronerte Werkstoffbeanspruchung. in einigen Fallen his zum Zehnfachen. Damit verbunden nimmt die Temperaturbeaufschlagung von Reibungspaarungen zu, bei Kraftfahrzeugschcibenbremsen bis 600°C und bei Flugzeugbremsen bis uber 1000°C. Die wichtigsten Anfordrriingen (in RrihwerkstofftJ sind eine genugend hohe und konstant bleibende Reibungszahl, niedriger VerschleiB. ausreichende Festigkeit sowie gegebenenfalls Korrosionsbestandigkeit. Bei trockenlaufenden Paarungen bewegen sich die Reibungszahlen zwischen 0.2 und 0.7; fur Ollauf zwischen 0.05 und 0.12. Insgesamt sol1 die Reibungszahl rniiglichst wenig von Gleitgeschwindigkeit, AnpreBdruck und Temperatur beeinflufit werden. Mit Zunahme der Gleitgeschwindigkeit nimmt jedoch die Reibungszahl der meisten Stoffe ab. Mit der Erhiihung der umgesetzten Leistung steigt die Temperatur an den Reibflachen. so daB infolge der Temperaturabhangigkeit der mechanischen und physikalischen Eigenschaften sowie der in verstarktem MaBe auftretenden tribochemischen Reaktionen das Reibungs- und Verschleifiverhalten betrachtlich verandert wird. Deshalb ist die Forderung nach einem sich wenig verandern-

8.3

Reibwerkstoffe

37 I

den Reibungsverlauf mit Einkomponenten-Reibwerkstoffen nicht zu verwirklichen. Erst durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen, bei denen das unterschiedliche Verhalten der Komponenten additiv genutzt wird, kann die Abhangigkeit des Reibungsverlaufes von den Betriebsbedingungen in akzeptablen Grenzen gehalten werden. Der VerschleiB sol1 moglichst niedrig sein und sich hauptsachlich auf den Reibwerkstoff beschranken. Der zulassige Abrieb ist von der Konstruktion und Funktion des Reibelementes abhangig. 1st die Unterbringung eines hohen Verschleiljvolumens oder ein einfacher Belagwechsel moglich, dann konnen hohere Verschleiljwerte in Kauf genommen werden. In kupplungsgeschalteten Automaten hingegen kann der Arbeitsablauf durch einen hohen VerschleiB betrachtlich gestort werden, da haufige Stillstandszeiten durch Nachstellarbeiten erforderlich sind. Fur trockenlaufende Paarungen lassen sich folgende VerschleiB-Richtwerte angeben: 0 0 0

leichte Beanspruchung mittlere Beanspruchung schwere Beanspruchung

I 0,05 cmVkWh

I 0 , 4 cmVkWh I 1,2 cm-l/kWh

Bei Ollauf ist der VerschleiB nach dem Einlaufen auaerst gering und erst nach langer Betriebsdauer meljbar. Reihiingspaarungen sollen schnell einlaufen, um die volle Leistungsfahigkeit von Bremsen und Kupplungen nach kurzer Zeit zu gewahrleisten. Da Werkstoffe mit hohem VerschleiBwiderstand langsamer einlaufen, ist bei ihnen eine sorgfaltigere Oberflachenbearbeitung notwendig. Die Festigkeit des Reibwerkstoffes mu13 ausreichen, um die auftretenden Krafte, Schwingungen und Drucke aufnehmen zu konnen. Eine Verstarkung durch Stahltrager, Metallnapfchen, Einlagen von Drahtgeweben und dgl. macht jedoch den Einsatz auch weniger fester Werkstoffe moglich. SchlieBlich durfen bei Nasse keine Anrostungen auftreten, es mu13 eine geringe Abhangigkeit des Reibungsverhaltens von Luftfeuchtigkeit und Nasse, ein gunstiges Komfortverhalten, d. h. keine Gerausche, Geruche und Schwingungen, gewahrleistet und fur Kraftfahrzeugbremsen zum Schutz der warmeanfalligen Hydraulik eine geringe Warmeleitfahigkeit gegeben sein.

8.3.1 Werkstoffe mit Polymerbindung Polymergebundene Reibwerkstoffe bestehen oft aus einer groljen Zahl von Komponenten mit unterschiedlichen Funktionen. Man unterscheidet dabei zwischen Fasern (Festigkeitstragern), Reibungswandlerstoffen, Schmierstoffen, Fullstoffen und Bindemitteln. Im einzelnen konnen Reibwerkstoffe bis zu 15 verschiedene Komponenten enthalten, die folgenden Stoffgruppen angehoren: 20 bis 80 Yo 20 bis 40 %

10 bis 40 YO 10 bis 20%

20 bis 40 YO

mineralische Reibstoffe: Kreide, Schiefermehl, Schwerspat, Korund, Magnesiumoxid, Kaolin, Talkum Bindemittel: Spezialpolymere, z. B. Phenol- und Kresolformaldehyd, Natur- und Synthesekautschuk organische Reib- und Fullstoffe sowie Fertigungshilfen: z. B. Cellulose, Baumwolle, Kork, Ole, Textilien anorganische Reib- und Fullstoffe: Graphit, RUB, Schwefel, Zink-, Aluminium-, Magnesium-, Chrom- und Eisenoxid, Metallpulver und -fasern, Sulfide anorganische und/oder organische Fasern

372

8

Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchung und Reibwerkstoffe

Tabelle 8.5 Beispiel einer Rezeptur fur einen Scheibenbremsbelag (nach [8.30]) Rohstoffe

Stahlwolle Cu-Pulver

Art

MetallZusatz

A1203 Glimmermehl Schwerspat

Fullstoff

Eisenoxid Antimontrisulfid Graphit

Gleitmittel

Kokswlver

Aramidfaser Harzpulver Bindeharz

organischer Anteil

Anteil Masse-%

Val-%

20

8,2

16

5.8

1.2

1

6.5

8

9.5

I

10

6.8

6

4.2

4

5.6

16

25

1.4

3.2

4

11,6

5,4

13,6

Val-% (gesamt)

14.0

22.8

34.8

28.4

Organisch gebundene Verbundwerkstoffe, oft auch als Komposite bezeichnet, sind die grol3te Gruppe im Spektrum der Reibmaterialien. In Tabelle 8.5 ist das Beispiel einer Rezeptur fur einen Scheibenbremsbelag aufgefuhrt [8.30]. Um eine ausreichende Festigkeit zu erzielen, enthalten die Reibbelage in der Regel bis zu 30% Fasern; his vor wenigen Jahren vorzugsweise Asbest, der als temperaturbestandiger Festigkeitstrager und Reibungsmodifikator auch hinsichtlich seines Verarbeitungsverhaltens ein universeller Grundbestandteil war. Wegen seiner gesundheitsgefahrdenden Eigenschaften durch lungengangige Faseranteile teilweise weit unter 3 pm Durchmesser ist die Verwendung von Asbest verboten. Er wird heute durch verschiedene andere faserformige Stoffe ersetzt. So werden metallische Fasern (z. B. Stahlwolle, Messingspane), anorganische Fasern (Wollastonit, Glasfasern, Schlacken- und Gesteinswolle, Aluminiumsilicatfasern u.a.), naturliche und kunstliche organische Fasern wie Baumwolle-, Hanf-, Cellulosefasern, Polymerfasern wie PAN (Polyacrylnitril) und Aramide herangezogen. Letztere weisen bei einer Dichte von nur 1,4 g/cm' eine Festigkeit von 2000 - 2900 MPa und einen E-Modul von 60 - 120 GPa bei einer Temperaturbestandigkeit bis 400 " C auf. Ihr Preis liegt allerdings bedeutend hoher als der von Asbest [ 8.311 bis [8.35]. Fur extrem belastete Hochleistungsreibwerkstoffe (z. B. bei Formel-1-Rennwagen und in der Luftfahrt) werden auch Kohlenstoffasern, meist in einer Kohlenstoffmatrix angewendet [8.34]. Aus der Entwicklung asbestfreier Reibwerkstoffe gingen zwei Richtungen hervor, wobei einerseits Metallfasern und Metallpulver his zu 50% der Polymermasse zugesetzt wurden (sie werden Semimetallics genannt) und andererseits der Asbest durch eine Mischung verschiedener anorganischer und organischer Fasern ersetzt wurde, die als Faseraustausch- oder NAO-Belage (non asbestos organic) bezeichnet werden [8.33]. Semimetallics stehen in ihren Eigenschaften zwischen den NAO- und gesinterten Metallbelagen. Sie weisen einen geringen VerschleiB und einen harteren Ein-

8.3

Reibwerkstoffe

373

800

"C 700

600 500 400

300 200 100 0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24 min

Abfahneit

Bild 8.10 Temperaturentwicklungan Bremsen und Hydraulikflussigkeitbei Talfahrt eines PKW (Ope1 Ascona) im Praxistest (Fa. Allied-Signal-Bremsbelag, Glinde)

griff auf und haben wegen ihres hohen Metallanteils bereits eine hohe Warmeleitfahigkeit, die sich auf die hydraulischen Betatigungselemente der PKW-Fahrzeugbremsen nachteilig auswirken kann, wenn nicht zusatzliche Maljnahmen zur Warmeisolierung getroffen werden. Bild 8.10 laljt erkennen, wie hoch die Temperaturentwicklung an den Bremseinrichtungen eines PKWs der Mittelklasse bei einer Talfahrt von ca. 20 Minuten und der Verwendung von herkommlichen Bremsbelagen liegt. Deshalb werden Semimetallic-Belage vorzugsweise fur hohere Beanspruchungen wie bei Bremsen in LKWs, Erdbewegungsmaschinen, Fordergeraten u.a. eingesetzt. Dagegen sind die komplex zusammengesetzten Reibwerkstoffe mit Austauschfasern, die oft auch geringere metallische Anteile enthalten, fur die herkommlichen Anwendungsfalle wie PKW-Scheiben- und Trommelbremsen sowie diverse Industriebremsen in Gebrauch. Die hoheren Kosten dieser Belage werden z. T. durch langere Lebensdauer (bei PKW-Scheibenbremsen bis 30%) ausgeglichen (s.a. Bild 8.12). An Reibbelage werden entsprechend den Einsatzgebieten recht unterschiedliche Anforderungen gestellt, die sich nach folgenden Gesichtspunkten einteilen lassen: Scheibenbremsbelage f u r PKW Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Motorruder. Die schon hohen Anforderungen an diese Reibwerkstoffe sind weiter im Steigen begriffen. Das trifft insbesondere fur Schienenfahrzeuge zu, wo Geschwindigkeiten von 200 km/h und daruber keine Seltenheit mehr sind. Beim Bremsen treten AnpreBdrucke bis uber 10 MPa und Gleitgeschwindigkeiten uber 30 m/s auf, wodurch Temperaturen bis 800 "C entstehen. Demzufolge ist der Volumenverschleilj eines Scheibenbremsbelages erheblich hoher als der von Trommelbremsen. Im Kraftfahrzeugbereich rechnet man mit

374

8

Werkstoffe fur VerschlciBbcanspruchung und Reibwerkstoffe

durchschnittlichen Lebensdauern von 30 000 bis 40 000 km, die Lebensdauer der Gegenscheibe ist 2 bis 3mal so hoch. Trommrlhremsheliige,fiir PKW, Nutzfahrzeuge und Motorriider. Der Trommelbremsbelag wird wegen seiner groBeren Flache und der damit verbundenen geringeren AnpreBkraft deutlich weniger belastet als der Scheibenbremsbelag. Die AnpreBdrucke liegen meist unter 2MPa, so daB durch die entstehende Warme allenfalls Temperaturen von 3 0 0 ° C kurzzeitig hochstens 450°C erreicht werden. Die Laufleistung betragt in PKWs etwa 100 000 km, in LKWs bei Fernfahrt maximal 200 000 km. Brenisklotzsohlen ,Fir Schienenfahrzeuge. Sie werden bis zu einer Geschwindigkeit von 120 km/h eingesetzt. Hierfur kommen noch in gronerem Umfang GuReisenbremsklotze in Frage. Zunehmend werden aber gesinterte Werkstoffe auf Eisenbasis und polymergebundene Bremsklotze, sogenannte KSohlen eingesetzt. Damit lassen sich nicht nur groBere Laufleistungen erzielen, sondern auch die Gerauschbildung beim Bremsen wird deutlich vermindert. Die K-Sohlen erreichen Laufleistungen bis 100 000 km. Fur Hochgeschwindigkeitszuge finden ausschlieBlich Scheibenbremsen mit gesinterten Hochleistungsbremsbelagen Verwendung Brenisheliige fiir den Incliistrieeinsatz. Sie sind in Form von Konen, Bandern, Ringen, Segmenten, Klotzchen usw. fur unterschiedliche Einsatzfiille im Maschinenbau, fur Bau- und Landmaschinen, fur Sonderfahrzeuge, in der Fordertechnik, fur Produktions- und Arbeitsmaschinen, fur Haushaltsgerate sowie in der Feinwerk- und Datentechnik in Anwendung. Die Anforderungen an die Reibwerkstoffe dieses heterogenen Bereichs sind sehr unterschiedlich, so daB keine durchgangige Anforderungscharakteristik formuliert werden kann. Oftmals sind fur spezielle Einsatzfalle gesonderte Entwicklungen notwendig. Kiipplungsheliige ,fur Fahrzeuge unrl den Industrieeinsatz. Hydraulisch oder mechanisch betatigte Einscheibentrockenkupplungen werden vorzugsweise im Kraftfahrzeugbereich verwendet. Sie haben im allgemeinen eine sehr hohe Lebensdauer (bis 100 000 km). Trockenlaufende Kupplungen kommen auch als Elektromagnetkupplungen, Konuskupplungen, Fliehkraftkupplungen und Uberlast-( Rutsch-)Kupplungen im Maschinen- und Anlagenbau, der Fordertechnik, im Landmaschinen- und Spezialgeratebau aber auch in der Feinwerkund Datenverarbeitungstechnik zum Einsatz. Fur automatisch geschaltete Getriebe im Fahrzeugbau und bei motorisierten Zweiradern befinden sich Lamellen- oder Mehrscheibenkupplungen im Olbad (s. Abschn. 8.3.4). In 01 laufende Kupplungen werden aber auch in groBerem Umfang im Maschinenund Anlagenbau, z. B. bei Werkzeug- und Arbeitsmaschinen eingesetzt. Aus der Vielfalt der moglichen Zusammensetzungen und der Breite der Einsatzgebiete resultieren unterschiedliche Herstellungsverfahren. Im Fall der aufwendigen textilen Verarbeitung werden Langfasern einzeln oder in Gemischen zu Garnen versponnen, verwebt oder gewickelt und mit Polymeren impragniert. Haufiger werden jedoch Kurzfaserschnitte mit den ubrigen Bestandteilen vermischt und anschlieBend durch Pressen zunachst kalt und danach warm verdichtet. Mitunter wird die Ausgangsmischung auch zu Bandern gewalzt, aus denen dann in weiteren Arbeitsschritten Belage hergestellt werden. Gewohnlich steht am Ende der Fertigung ein Aushartevorgang bei Temperaturen zwischen 150 bis 250°C (fur besondere Qualitaten bis 24 h), der infolge der Nachvernetzung und Stabilisierung der Polymeren das Reibungsverhalten verbessert.

8.3

375

Reibwerkstoffe

Die Warmeleitfahigkeit polymergebundener Belage ist gering und liegt zwischen 0,15 bis 1,0W/m.K. Deshalb wird nur ein geringer Betrag der Warme uber den Belag abgefuhrt. Die beim Reibungsvorgang entstehenden Temperaturen (bis etwa 800°C bei Scheibenbremsbelagen) bleiben daher auf einen relativ dunnen Bereich an der Eingriffsflache des Bremsbelages begrenzt und konnen die hydraulischen Druckubertragungssysteme der Bremsanlage nicht schadigen. 0.4 I

1

0 100

0

200

100

300 4OO0C500 Temperatur

200 300 400'C500 Temperatur

t 10

Bild 8.1 1 Reibungszahl und VerschleiRverhalten eines asbestfreien polymergebundenen Trommelbremsbelages fur LKW (nach K. Melcher) Ciegenmaterial: GG-25. AnpreBdruck: 2.27 MPa. Glcitgcschwindigkeit: 10.4 mis

0,o

200

300

400

500

"C

600

Trommeltemperafur Bild 8.12 VerschleiRverhalten in Abhangigkeit von der Temperatur der Bremstrommel fur verschiedene Bremsbelage (nach H . Uetz und J . Wiedemeyer)

376

8

Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchungund Reibwerkstoffe

Der uberwiegende Teil der Reibungswarme wird uber den metallischen Gegenwerkstoff abtransportiert. Die Temperaturabhangigkeit des Reibungs- und Verschleiljverhaltens eines asbestfreien polymergebunden Belages zeigt Bild 8.11. Es handelt sich um einen Belag, der als Festigkeitstrager ein Gemisch von Stahl-, Glas- und Cellulosefasern enthalt. Das VerschleiBverhalten einiger anderer gebrauchlicher Bremsbelagwerkstoffe ist in Bild 8.12 gegenubergestellt. Als Gegenwerkstoffe fur polymergebundene Bremsbelage kommen meist unlegiertes graues GuBeisen mit lameliarem oder globularem Graphit, seltener CrMo-legierte GuBwerkstoffe in Betracht. Bei Motorradern wird mitunter auch StahlguB GX30CrSi6 verwendet. Fur Bremsscheiben in Flugzeugen und Hochgeschwindigkeitszugen scheidet GrauguB wegen der auftretenden hohen Fliehkrafte aus Festigkeitsgrunden aus. Hier ist vorzugsweise legierter StahlguB im Einsatz.

8.3.2 GuOeisen Ein Teil der Bremsklotze fur Schienenfahrzeuge rnit Fahrgeschwindigkeiten bis 120 km/h wird aus GuBeisen hergestellt. Ihr Gefuge ist perlitisch oder perlitischsorbitisch und sol1 keinen Ferrit aufweisen. Die hierfur verwendeten GuBeisenwerkstoffe enthalten 3 bis 3,.5% C, bis 1,4 YOMn, 1 bis 2% Si und relativ hohe PAnteile (bis 1,2%). Phosphor verbessert das VerschleiBverhalten deutlich. Die Wirkung wird auf die netz- und wabenformige Ausbildung des Steadits zuruckgefuhrt (s.a. Abschn. 8.2.3). Die Harte von GuBeisenbremsklotzen liegt meist zwischen 200 bis 300 HB.

8.3.3 Gesinterte Friktionswerkstoffe Metallbasis-Sinterwerkstoffe sind hoher temperaturbestandig und deshalb fur hochleistungsfahige Kupplungen und Bremsen geeignet. Als Basismetalle werden Kupfer und Kupferlegierungen, vorzugsweise mit Sn und Zn, sowie unlegiertes und legiertes Eisen rnit Zusatzen von Cu, Ni, Co, W, Mo, Cr u.a. verwendet. Zur Verbesserung des Verschleifiverhaltens sowie zur Stabilisierung und Modifizierung des Reibungsverlaufes enthalten sie weitere Komponenten (Tab. 8.6). Als gleitfordernde Zusatze dienen Graphit, Sulfide (Molybdandisulfid, Eisensulfid, Bleisulfid, Zinksulfid), Sulfate (z. B. Bariumsulfat) und niedrigschmelzende Metalle (Blei, Wismut, Cadmium, Antimon). Die grol3te Bedeutung hat Graphit, der bis 30% (mehr als SOVol-Yo) enthalten sein kann. Zu den stabilisierenden Anteilen gehoren Silicate, Oxide, Carbide und Nitride. Friktionswerkstoffe mit metallischer Bindung werden nach pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt. Da die Bestandteile oft sehr unterschiedliche Dichten aufweisen, kommt der Art des Pulvermischverfahrens wie auch der Reihenfolge der Zugabe der Komponenten eine erhohte Bedeutung zu. Die Pulvermischungen werden meist mit Drucken von 200 bis 600 MPa kaltgepreBt und die PreBteile in Durchlauf- oder Haubenofen unter Schutzgas gesintert. Die Sintertemperatur betragt fur Werkstoffe auf Eisenbasis 9.50 bis 1200 " C und auf Bronzebasis 600 bis 900 "C; die Sinterdauer 1 bis 3 Stunden. Wahrend des Sintervorganges entsteht ein metallisches Skelett, in das die ubrigen darin nicht loslichen Bestandteile eingelagert sind. Bronze-Graphit-Lamellen werden aul3erdem

d

60

2

0

W

d

*

W 0

m

3

?

.

I

3

I d

r-

%

m

z

I

h

m

3

3.7

W

16

I

8

O W

7

P

I

d

m

W

W

21.4

0.5

m

19.1

s

0

0.83

7

54.4

bis 3

3 A1201

2,s

4,s 1,5

9

62

6

5.5

- 68 5

bis 4

3,3

1,s

68

3 A1201

6 4

3

6 6,s N. W

8

bis 4

m.

52

1,s-5

1- 10

15 Bi

m.

685

m

.-Dv1

67,8

I d

14

2

15

h

z

4,s

I

0,8

I

7,9

m

3 - 10

2

13

m I

Rest

I

12

0 P

5

m

5-10

I N

7s

2

3 - 12

a

11

I

2-7

0,8 P

3 A1201

3 - 10 Bi

5 Si; 7,s Bi; 20 Mullit

11 Bi; 14 Mullit

0

52.5

P

m

3-10

I

4-10

2-4

~~

W.

10

3

W

5-10 cf I

60 - 7.5

I

m

3-8 N

5-10

m

7-9

N

9

3

65 - 80

m

4-7

v1

bis 5

m

8

d O N

5

15 - 20

0.6

2

~~

BaSO,; Mineralfasern

Sonstiges

7

Bronze fur Trockenund Ollauf

ttI

m

70 - 90

N 0

0

7

I

8

N

13.4

2

3

bis 13

MoSz

I F,

4

SiOz

Pb

2

62

4

20 - 30

15

9

Graphit

m

6

5

Sn

Zusammensetzung in Masse-%

.-

80

60 - 77

16

bis 15

60 - 72

1

67.5

cu

Fe

Beispiel Nr.

Eisen 3 fur Trocken- 4 lauf 5

Basis

Tabelle 8.6 Zusammensetzung gesinterter Friktionswerkstoffe

8.3 Reibwerkstoffe

377

m

N

378

8

Werkstoffe fur Versehleil.lbt'ansprucliuii~und Rcihwcrkstol'l'c

durch Sintern von in Formen geschutteten oder auf Blcche aufgestreuten Mi sch u n ge n , die an sch 1ieBe n d d urc h Pre ssen ode r D ruc ksi n t e r n n ac h ve rd i ch t e t werden, hergestellt (Streusinterverfahren). Auch das Walzcn von Pulvermischungen zu Band sowie schrittweises Pressen grol3er Belage wird praktiziert. Kirppliin~.~lrrnzellenwerden meist auf Stahltrager aufgesintert, wahrend Segmente und Belage durch Nieten, Schrauben oder Klemmen befestigt werden. Bild 8.13 zeigt eine Auswahl von Eisen-Graphit-Belagen und cine geteilte Lamelle mit aufgenieteten Segmenten fur eine Baggerkupplung.

b) Bild 8.13 Reibbeligc aus Eiscn-Grnpliit-Friktionswerkstofl a ) Lamellen. Ringe u n d Segniente fur Kupplungcn und 13rcmsen b ) geteilte Kupplungslamclle mit aufgenieteten Beliigen f u i - Baggci a)

8.3.3.1 Friktionswerkstoffe auf Kupferbasis

Kirpftrhrrsis-F r i k t i o n s ~ ~ e r k s t c we ) , ~rde f ~ ~n in groBem U in fa ng fur t rocke n u nd in 01 laufende Reibelemente eingesetzt. Neben Zinnbronzc werden auch anderc Legierungen, z. B. Cu-Ti, Cu-Ni, Cu-Zn usw. verwendet. Friktionswerkstoffe auf Kupferbasis zeichnen sich durch weichen Eingriff und hohe Warmeleitfahigkeit aus. Der unmagnctische Belag ist auch fur Magnetschaltkupplungen geeignet. Die Eigenschaften hangen von dcr ZusammensetTehelle 8.7 Eigenschaften und Eiilsatj.grenj.cn v o n gesintertcn Friktionsuerkstoffen aul B r o w c basis

Anwcndungsbereich

5 MPa ( IOMPn) Anprel3druck p I (ileitgcschwindigkeit v 5 40 mis p . \' 5 1.5 kWicm'

_____

Reibungs7ahl p

0.15 bis 0.50

VerschleiR

0.5 cni'ikWh bei mittlei-en Bclastungen p . v = 0.8 his 1 .O kWicrn2

Temper a t u r be st ii n d i k e i t

I1a uc rt c ni pe r ii t u r I 4%1 C' Spitientempcratur 5 650°C

Dichte

5 bis 7 gicm'

War me I t ' it fa h i g k e it

6 his 35 Wirn . K

Hiirte H B

10 bis SO

"

8.3

Reibwerkstoffe

379

zung, dem Gefuge und der Dichte ah. In Tabelle 8.7 sind die AnwendungsgrenZen und Eigenschaften von Friktionswerkstoffen auf Bronzebasis und in Bild 8.14 das Reibungs- und Verschleiljverhalten eines Werkstoffes mit 17% Graphit, 5% Blei, 5% Mullit, 5% Zinn und Rest Kupfer wiedergegeben. Der Verlauf von Reibungszahl und VerschleiB ist eine Funktion der Gleitgeschwindigkeit und Temperatur. Die Kurven konnen nur bedingt Anhaltspunkte fur den praktischen Einsatz geben. Geeignete Gegenwerkstoffe sind Graugulj, unlegierte und niedriglegierte Vergutungsstahle.

500 -

05 -

48 -

0-

0-

0

0

I

I

2

4

I

I

I

1

1

I

I

12 74 ms-' 7 8 Gieitgeschwindbkeit

6

8

70

Bild 8.14 Reibungs- und VerschleiBverhalten eines gesinterten Bronze-Graphit-Friktionsw~rkstoffes ( 1 7 % C. 5 % Ph. 5 % Mullit. 5"% Sn. Re\[ Cu: Teilhclag-l.eislung~pru~ung: AnpreOdruck: 600 kPa. Pruldiiucr: I 11)

Der Einsatz von Bronze-Graphit-Friktionswerkstoffen erfolgt vorzugsweise in Traktoren, Erdbewegungs- und Straljenbaumaschinen, Lokomotiven, Kranen, Flugzeugen. Spezialfahrzeugen, Pressen, Kettenfahrzeugen, Hubstaplern, Hebezeugen, Werkzeugmaschinen und Bremsmotoren oder in Maschinen fur die spanlose Fertigung. 8.3.3.2 Friktionswerkstoffe auf Eisenbasis

Friktionswerksroffe auf Eisenbasis sind fur hohe Beanspruchungen geeignet und haben sich insbesondere fur trockenlaufende Kupplungen bewahrt. Gegenuber Materialien auf Bronzebasis sind sie billiger und zeigen einen hoheren Verschleiljwiderstand sowie eine grof3ere Temperaturbestandigkeit. Sie werden mit unterschiedlichen Zusammensetzungen (s. Tab. 8.6) fur bestimmte Anwendungsbereiche hergestellt. Das Reibungs- und Verschleiflverhalten wird durch die Gefugeausbildung der Eisenmatrix (Kohlenstoffgehalt) wesentlich beeinfluljt. Auljerdem konnen die Werkstoffeigenschaften durch Zusatze von Cu, Ni, Cr, Co, Mo u. a. sowie durch die Abkuhlgeschwindigkeit nach dem Sintern variiert werden. Das gunstigste Verschleiljverhalten wird mit einem feinstreifigcn perlitischen Gefuge erreicht. Sekundarer Zementit hat einen zu harten Eingriff

380

8

Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchung und Reibwerkstoffe

a) b) Bild 8.15 Gefiige von gesintertern Friktionswerkstoff auf Eisenbasis a) Eisen-Graphit-Friktionswerkstoff b) Cermet-Reibbelag rnit Eisenbindung

und groBeren VerschleiB des Gegenwerkstoffes, ferritisches Gefuge hingegen zwar einen weicheren Bremsvorgang aber hoheren BelagverschleiB zur Folge. Bild 8.15 zeigt die Gefuge von gesinterten Reibbelagen auf Eisenbasis, wobei Teilbild 8.15a einen Werkstoff rnit 17,5% Graphit ohne und Teilbild 8.15b mit hohem Anteil oxidkeramischer Zusatze wiedergibt. Im Verlauf des Reibungsvorganges entstehen durch Verformungen sowie Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen untereinander und rnit der Atmosphare an den Oberflachen der Paarungspartner komplex aufgebaute Schichten, die aus Metallbestandteilen, Oxiden, Carbiden, Graphit u. a. bestehen und den VerschleiBwiderstand beachtlich erhohen konnen. Die Werkstoffzusammensetzung wird deshalb so gewahlt, daB derartige Komplexschichten in einem weiten Beanspruchungsbereich bestandig sind bzw. sich stets nachbilden konnen. Allgemeine Angaben uber Eigenschaften und Einsatzgrenzen von Friktionswerkstoffen auf Eisenbasis sind in Tabelle 8.8 zusammengestellt. Mit der Verwendung leistungsfahigerer Eisenbasis-Friktionswerkstoffe werden jedoch auch an den Gegenwerkstoff hohere Anforderungen gestellt. Graues GuBeisen mit lamellarem oder globularem Graphit und perlitischem Matrixgefiige, legierter Gul3 und unlegierte Stahle rnit mindestens 500MPa ZugTabelle 8.8 Eigenschaften und Einsatzgrenzen von gesinterten Friktionswerkstoffen auf Eisenbasis Anwendungsbereich

AnpreRdruck p I 6 MPa (1OMPa) Gleitgeschwindigkeit v I 6 0 rn/s p . v I 3 kW/crn2

Reibungszahl ,u

0.25 bis 0,65

Verschleifi

0,s cmVkWh bei rnittleren Belastungen u . v = 1.5 bis 2 kWicm2

Ternperaturbestandigkeit

Dauerternperatur 600°C Spitzenternperatur 800 "C

Dichte

5 bis 7 g/cm3

Warmeleitfahigkeit

1 , 2 bis 35 W/m . K

Harte H B

15 bis 40

8.3

Reibwerkstoffe

381

festigkeit werden diesen im allgemeinen gerecht. Fur hohere Leistungen kommen legierte Vergutungsstahle und hartverchromte Werkstoffe in Betracht. Der Einsatz von Eisen-Graphit-Friktionswerkstoffen erstreckt sich auf Kupplungen und Bremsen von Erdbewegungsmaschinen, Baggern, Kranen, schweren Pressen, Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen, Walzwerken und Landmaschinen, Wendegetriebekupplungen fur Schiffe, Fliehkraftreibungskupplungen fur Separatoren, Schalt- und Steuerkupplungen von Papier- und Verpackungsmaschinen, Sicherheitsrutsch- und Uberlastkupplungen fur Landmaschinen, Sonderfahrzeuge, Seilwinden und anderes mehr. 8.3.3.3 Friktionswerkstoffe mit hohem keramischen Anteil (CermetFriktionswerkstoffe)

Fur noch hohere Leistungen werden metallisch gebundene Friktionswerkstoffe mit grol3erem nichtmetallischen Anteil verwendet. Die metallischen Komponenten sind Kupferlegierungen oder Eisen und Eisenlegierungen, die nichtmetallischen vorzugsweise Oxide (SO2,A1,0,, MgO oder Mullit) bzw. Silicate. Als weitere Zusatze kommen neben niedrigschmelzenden Metallen, Sulfide, Sulfate, Carbide, Graphit sowie intermetallische Phasen in Betracht. Der nichtmetallische Anteil betragt 50 Vol-% und mehr. Metall-Keramik-Friktionswerkstoffe weisen Reibungszahlen zwischen 0,3 bis 0,7 auf. Sie konnen bis zu Arbeitstemperaturen von 1000" C eingesetzt werden. Wegen des hohen Gehalts an nichtmetallischen Komponenten sind sie sprode und von geringer Festigkeit, so dalj sie vielfach in flache Metallnapfchen eingeprel3t und auf den Belagtrager aufgenietet bzw. durch PunktschweiBen befestigt werden mussen. Die Herstellung dieser Werkstoffe kann ebenfalls durch Kaltpressen der Pulvermischung und Sintern erfolgen. Um eine ausreichende Verdichtung zu erzielen, ist es in Anbetracht des erhohten Nichtmetallanteils jedoch gunstiger, die Mischung heil3zupressen oder druckzusintern. Fur das Reibungs- und VerschleiBverhalten von Cermet-Friktionswerkstoffen ist die Bildung einer komplexen Schicht auf der Eingriffsflache von besonderer Bedeutung. Sie erhoht nicht nur den Verschleil3widerstand, sondern verhindert vor allem einen starkeren Angriff des Gegenwerkstoffes. Bild 8.16 zeigt als Bei-

Bild 8.16 Komplexschichtaufbau auf der Reibflache eines Cermet-Friktionsbelages mit hohern Mullitanteil und Eisenbindung

382

8

Wcrkstoffe fur VerschleiRbcanspruchung und Reibwerkstoffc

spiel das Gefuge und die wahrend des Reibvorganges an der Oberflache entstandene Konzplexschichf eines Eisenbasis-Werkstoffes mit hohem Mullitanteil. Die als Paarungspartner verwendeten Werkstoffe miissen verstandlicherweise hochtemperatur- und anlaBbestandig sein. Als solche werden legierte Stahle und GuBwerkstoffe eingesetzt. Auch mit hitzebestandigen Oberflachenschichten versehene Werkstoffe kommen in Betracht. Um den Gegenwerkstoff nicht zu uberlasten, sol1 das Uberdeckungsverhaltnis (Belagflache: Gegenwerkstoffflache) 51.2 sein. Metall-Keramik-Friktionswerkstoffe werden fur sehr hoch belastete Kupplungen und Bremsen herangezogen, insbesondere dann, wenn eine raum- und massesparende Bauweise gefordert wird. Beispiele fur die Anwendung sind Landebremsen von Flugzeugen, Kupplungen fur schwere Fahrzeuge, wie Erdbewegungsmaschinen und Kettenfahrzeuge.

8.3.4 Werkstoffe fur Ollauf Unter 01 laufende Reibungskupplungen finden zunehmende Verwendung. Ihr Reibungsverhalten wird aul3er von der Zusammensetzung des Werkstoffes maBgeblich auch von seiner Porigkeit, der Nutung bzw. Geometrie der Reibflache sowie der Olqualitat beeinfluat. Beim Schaltvorgang muR der Olfilm rasch durchbrochen werden, um das Gebiet der Mischreibung zu erreichen. Moglichkeiten hierzu bieten ein geeigneter Gefugeaufbau des Belagwerkstoffes sowie das Anbringen von Nuten und Rillen bzw. eine sinusformige Wellung der Lamelle. Rillen und Nuten fuhren aul3erdem zu einem standigen OlfluB durch das Lamellenpaket, der fur Kiihlung sorgt und 50 bis 70% der anfallenden Warme abfuhrt. Da beim Reibungsvorgang im Mikrobereich auftretende hohe Energiespitzen zu Zersetzungsprozessen im 01 fiihren konnen, ist es zur Steigerung der Leistungsfahigkeit von Ollauf-Kupplungen notwendig, die Temperaturbestandigkeit und Stabilitat des Oles durch geeignete Zusatze zu erhohen. 8.3.4.1 Stahllamellen

Stuhllumellen sind fur niedrige bis mittlere Leistungen einsetzbar. Die Leistungsgrenze liegt zwischen 0,23 bis 0,35 W/cm2. Bei hoherer Belastung tritt adhasiver VerschleiB bis hin zum Fressen auf. Die Reibungszahlen bewegen sich zwischen 0,02 bis 0,08. Stahllamellen werden aus Kohlenstoffstahlen, meist aus niedriglegierten verschleiBfesten Vergutungsstahlen (z. B. 0,6% C, ca. 0,7% Mn und ca. 0,4% Si) gefertigt. Durch Verguten werden Hartewerte von 42 bis 48 H R C eingestellt. Durch Verzug der Lamellen (groBe Flache bei geringer Dicke) konnen beim Reibungsvorgang leicht ortliche Uberlastungen und Temperaturspitzen auftreten, die zum Versagen der Kupplung fuhren. Stahllamellenkupplungen arbeiten deshalb nur bei ausreichender Olzufuhr befriedigend, sie haben keine Notlaufeigenschaften. 8.3.4.2 Papierwerkstoffe

Ausgangsprodukte von Papierreibwerkstoffen fur Ollauf sind Spezialpapiere, die aus naturlichen und kiinstlichen organischen Fasern (z. B. Baumwolle, Hanf,

8.3

Reibwerkstoffe

383

Cellulosefasern, Aramidfasern u. dgl.) sowie anorganischen Fasern (beispielsweise Glaswolle, Gesteins- und Schlackenwolle, Keramikfasern) hergestellt werden. Nach Einbringen von Fullstoffen und einer Kunstharztrankung werden sie mit Hilfe von Spezialklebern auf Stahltragerlamellen aufgeprel3t. Die notwendigen Nuten, Rillen oder Waffelmuster werden meist nachtraglich eingearbeitet. Papierreibwerkstoffe sind sehr poros und haben ein hohes Olaufnahmevermogen. Dadurch wird beim Schaltvorgang der hydrodynamische Olfilm rasch durchbrochen und eine relativ hohe Reibungszahl (0,12 bis 0,15) erreicht. Bei hoherem Anteil wirkt das 0 1 auBerdem als ,,Kuhlmittel", so daB kurzzeitige Temperaturspitzen bis 4.50 " C vom Werkstoff vertragen werden. Papierlamellen sind allerdings nicht fur hohe Leistungen geeignet. Die moglichen Flachenpressungen liegen zwischen 0,s bis 1,5MPa, und die Gleitgeschwindigkeiten konnen bis 1.5m/s betragen. Bei ausreichendem OlfluB und entsprechenden Leistungen vom 5 4 bis 6 W/cm* ist der VerschleiB, abgesehen vom Einlaufvorgang, auBerst gering. Er steigt betrachtlich an, wenn Dauertemperaturen uber 120 " C auftreten. Auf Grund der Faserstruktur werden Fremdkorper, besonders Stahlteilchen, die die Gegenlamelle angreifen wurden, in die Belagflache eingebettet. Papierwerkstoffe werden hauptsachlich in automatischen Getrieben fur Personenkraftwagen eingesetzt. 8.3.4.3 Faserwerkstoffe mit Polymerbindung

Diese Materialgruppe wurde bereits in Abschn. 8.3.1 behandelt. Polymergebundene Faserwerkstoffe sind auch fur hohere Leistungen einsetzbar und haben gute Notlaufeigenschaften. Wie von den trockenlaufenden Materialien werden auch von den unter 01 laufenden Spitzentemperaturen von 400°C vertragen. Der gunstigste Temperaturbereich ist jedoch 5 200 "C. Die Reibungszahlen bewegen sich zwischen 0,08 und 0,10. Faserwerkstoffe mit Polymerbindung werden meist als gewebte und gepreBte harzgebundene Erzeugnisse genutzt. 8.3.4.4 Graphit-Reibmaterial

Graphit-Reibmaterial besteht aus Graphit undloder speziellen Koksen, zusatzlichen Fullstoffen und synthetischen Harzen, vorzugsweise Phenolharzen als Bindemittel [8.32].Sie sind poros, aber nicht so elastisch wie Papierreibwerkstoffe. Die Fullstoffe entsprechen denen, die bei trockenlaufenden Kompositen angewendet werden. Ihre Herstellung erfolgt durch Mischen der Komponenten und Pressen zu Rohlingen. Diese werden bei Temperaturen bis 220°C auf Stahltrager gepreBt, wobei gleichzeitig das Harz aushartet. 8.3.4.5 Gesinterte Werkstoffe auf Kupferbasis

Fur hochbelastete Kupplungen haben sich Sinterbronzewerkstoffe, die ausschlieBlich auf Stahltrager aufgesintert werden, bewahrt. Sie weisen gute Notlaufeigenschaften und eine hohe Temperaturbestandigkeit auf. Die Leistungsgrenze wird vielfach nicht vom Werkstoff, sondern durch die Bestandigkeit des Oles bestimmt. Die Herstellung wurde in Abschnitt 8.3.3 beschrieben, wobei fur Ollaufreibwerkstoffe zur Erzielung einer hohen Porigkeit vorzugsweise das Streusinterverfahren angewendet wird. Gegenuber trockenlaufenden Paarungen

384

8

Werkstoffe fur VerschleiBbeanspruchung und Reibwerkstoffe

sind jedoch die Anteile an Feststoffschmiermitteln geringer. Durch Variation der Porigkeit konnen Olaufnahme, Kuhlung und Reibungsverhalten in weiten GrenZen verandert werden. Die Reibungszahlen liegen je nach Werkstoff, Ausfuhrung der Lamellen, Belastung und Olqualitat zwischen 0,05 und 0,15. Die Haltereibung ist meist 20 bis 30% hoher. Mit Hilfe besonderer Ausfuhrungsformen und von Spezialolen kann das Verhaltnis zwischen Halte- und Gleitreibung vergroBert oder verkleinert werden. Als Einsatzgrenzen werden AnprelSdrucke 5 3 MPa und Gleitgeschwindigkeiten bis maximal 100 m/s angegeben. Der VerschleiB von Sinterbronzelamellen ist nach dem Einlaufen (3000 bis 5000 Schaltungen) sehr gering. Die VerschleiBwerte liegen in der Regel unter 0,Ol cm”kWh. Wegen der Vorteile - sehr geringer VerschleiB, gute Warmeabfiihrung und weicher Schaltvorgang - hat der Gebrauch von Ollaufkupplungen mit Sinterbronzebelagen sehr zugenommen. Gegenwartige Einsatzgebiete sind Werkzeugmaschinen, Maschinen fur spanlose Formgebung, automatische Getriebe fur StraBenfahrzeuge, Triebwagen, Sonderfahrzeuge, Traktoren, Kupplungen fur Boote, Bagger und Erdbewegungsmaschinen sowie zahlreiche unter Last schaltbare Kupplungen. Olschaltkupplungen werden heute fur Drehmomente von 2,5 bis 15 kNm gebaut. Als Gegenwerkstoffe kommen unlegierte und legierte Vergutungsstahle sowie graues GuBeisen und StahlguB in Frage. Mit Erfolg wurden auch nitrierte Paarungswerkstoffe eingesetzt.

Literaturhinweise Zum Gahr, K.-H: Reibung und VerschleiB bei metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen. Oberursel: DGM-Informationsgesellschaft Verlag 1990 DIN 50320: VerschleiB; Begriffe - Systemanalyse von VerschleiBvorgangen Gliederung des VerschleiBgebietes. 1979 Werkstoffkunde Stahl. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verl. und Dusseldorf: Verl. Stahleisen mbH, Band 1 (Grundlagen) 1984), Band 2 (Anwendung) 1985 Stahl-Eisen-Liste. VDEh. (Hrsg.), 9. Aufl. Dusseldorf Verlag Stahleisen mbH 1994 Pigors, 0.: Werkstoffe in der Tribotechnik. Leipzig, Stuttgart: Dt. Verl. fur Grundstoffindustrie 1993 Liesenberg, 0. und D. Wittekopt StahlguB und GuBeisen. Leipzig, Stuttgart: Dt. Verl. fur Grundstoffindustrie 1993 Glaeser, W A . : Materials for Tribology - Tribology Series 20. Amsterdam, London, New York, Tokyo: Elsevier-Verlag 1992 Steffens, H.-D. und W Brandel: Moderne Beschichtungsverfahren. Oberursel: DGM-Informationsgesellschaft Verlag 1992 Gerbig FA. und N. Krah: Maschinenmarkt (Wurzburg), 98 (1992), S. 119-123 [&lo] Pursche, G.: Oberflachenschutz vor VerschleiB. Berlin: Verlag Technik 1990 [8.11] Steinhauser, S., A . Heuber, G. Pursche und H. Resch: in Leonhardt, G. und G. Ondracek (Hrsg): Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Oberursel: DGM Informationsgesellschaft Verlag 1993, S. 353-360 [8.12] Lukschandel, J.: in Leonhardt, G. und G. Ondracek (Hrsg.): Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Oberursel: DGM Informationsgellschaft Verlag 1993, S. 391-398 [8.13] Lugscheider, E. und J. Wilden: in Reibung und VerschleiB bei metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen. Oberursel: DGM-Informationsgesellschaft Verlag 1990, S. 227-238

8.3

Reibwerkstoffe

385

[8.14] Lugscheider, E. und U. Westermann: Ingenieurwerkstoffe 5 (1993) 3, S. 42-45 [8.15] Smith, R. W : 2. Plasma-Technik Symposium, Lucerne (Schweiz), 5.-7. Juni 1991, S. 17-36 [8.16] Pompe, W , S. Nowotny, W Reitzenstein und B. Schultrich: VDI-Berichte Nr. 917. Dusseldorf VDI-Verl. 1992, S. 31-42 [8.17] Nestler, M.C., H.J. Spies und S. Reinhold: in Leonhardt, G. und G. Ondracek (Hrg.): Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Oberursel: DGM Informationsgesellschaft Verlag 1993, S. 815-822 [8.18] Habig, K.-H.: Metallurgische Oberflachenschutzschichten - Verfahren, Eigenschaften, funktionelles Verhalten. VDI-Berichte Nr. 600. Dusseldorf: VDI-Verl. 1986, S. 203-222 [8.19] Haase, J. und R. Franke: HTM 46 (1991) 4,221-227 [8.20] Rother, B. und J. Vetter: Plasma-Beschichtungsverfahren und Hartstoffschichten. Leipzig, Stuttgart: Dt. Verl. fur Grundstoffindustrie 1992 [8.21] Feller, H.G., C. Balke und C. Sive: Werkstoff und Innovation 2 (1989) 3,72-75 [8.22] Smith, R.W: Powd. Met. Intern. 24 (1993) 1,9-16 [8.23] Klaffke, D., R. Wasche und H. Czichos: Wear 153 (1992) 149-162 [8.24] Beschichten mit Hartstoffen. Dusseldorf VDI-Verl. 1992 [8.25] Laakmann, M.: Tribologie + Schmierungstechnik 41 (1994) 3,310-314 [8.26] Neumann, S.: Tribologie + Schmierungstechnik 41 (1994) 3, 160-164 [8.27] Knotek, O., E Loffler, G. Kramer und A . Schrey: VDI-Berichte Nr. 917, Dusseldorf VDI-Verl. 1992, S. 3-10 [8.28] Tietz, H. D.: Technische Keramik: Aufbau, Eigenschaften, Herstellung, Bearbeitung, Prufung. Dusseldorf VDI-Verl. 1994 [8.29] Mittwollen, M. und H. Pfeiffer: Literaturrecherche uber tribologische Eigenschaften Keramik. Fortschritt-Ber. VDI Nr. 137, Reihe 5, Dusseldorf VDIVerl. 1988 [8.30] Oehl, K.-H. und H.-G. Paul: Bremsbelage fur StraBenfahrzeuge - Entwicklung und Erprobung. Landsberg/Lech, verlag moderne industrie 1990 [8.31] N.N.: Metal Powd. Rep. 47 (1992) 1, S. 10-13 [8.32] Locker, K.-D.: Powd. Met. 35 (1992) 4, S. 253-255 [8.33] Baker, R.: Powd. Met. 35 (1992) 4, S. 255-257 [8.34] Wells, TC.: Powd. Met. 35 (1992) 4, S. 257 [8.35] Dolbeur, K.D.: Powd. Met. 35 (1992) 4, S. 258-259 [8.36] Schatt, W und K. -P Wieters (Hrsg.): Pulvermetallurgie - Technologien und Werkstoffe. Dusseldorf VDI-Verl. 1994, S. 292-316 [8.37] Schneider, L. und B. Kieback: Pulvermetallurgisch hergestellte Reibwerkstoffe fur Hochleistungsanwendungen. Vortrage PM Symposium Hagen 24./ 25.11.1994 in ,,Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis" Bd. X, Hagen 1994, Thiebes Verlag, S. 238 [8.38] Ferro-Titanit: Firmenschrift Thyssen Edelstahlwerk AG, Krehfeld [8.39] Czichos, H. und K.-H. Habig: Tribologie Handbuch - Reibung und VerschleiB. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg 1992 [8.40] DIN 8555: SchweiBzusatze zum AuftragschweiBen 1983 [8.41] Wirtz, H. und H. Hess: Schutzende Oberflachen durch SchweiBen und Metallspritzen. Dusseldorf Dt. Verl. fur SchweiBtechnik 1969 [8.42] Brandel, W und M. Nolde: AuftraggeschweiBte Schutzschichten fur Korrosions- und Verschleirjbeanspruchungen. Oberursel: DGM Informationsgesellschaft Verlag 1992, S. 16-38

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

Lager- und Gleitelemente haben die Aufgabe, statisch oder dynamisch wirkende Krafte von einem bewegten, vielfach rotierenden Teil auf ein ruhendes Bauteil zu ubertragen und das bewegte Teil zu fuhren. Dabei sol1 die Bewegung moglichst reibungsarm erfolgen. Die Bewegung kann sowohl gleitend als auch abwalzend sein. Wenn auch eine scharfe Abgrenzung hinsichtlich der Bewegung im Lager nicht moglich ist. so unterscheidet man doch entsprechend diesen beiden Arten der Relativbewegung grundsiitzlich zwischen Gleitlagern und Walzlagern. Uber die Gestaltung von Lagern und die Art der Zwischenstoffe gibt Bild 9.1 Auskunft. Neben festen, flussigen und gasformigen Schmiermitteln besteht auch die Moglichkeit, die Paarungspartner durch ein Magnetfeld zu trennen, wobei, abgesehen von einer kurzen Anlaufphase, die Eigenschaften der Lagerwerkstoffe keine Rolle mehr spielen. a)

b)

abwalzen

schleifen

Wblzk6rper

ohne

gleiten

trockene

4

e)

0

gleiten

schwimmen

schweben

schmierende

fliissiger/ gasmmiger Schmierfilm

magnetisches

Grenzschicht W.4lzlager

Gleitlager

KrafffeM

Schwebe lager

Bild 9.1 Zwischcnstoffe und Kraftubertragung bei verschiedenen Lagersystemen (nach [9,l]) a ) uber Wdlzkiirper b) bei unmittelbarem Aufcinanderschleifen fester K(irper c) bcim Aufcinandergleiten fester, mit einer Grenzschicht uberzogencr Knrper d ) beim Gleiten auf eincr Grcnzschicht mit Schmiereigenschaften e ) beim Gleiten (Schwimmen) auf eincm flussigen oder gasfbrmigen Schmierfilm f ) beim Schwehen auf eincm magnetischen Kraftfeld

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

387

Bei Gleitlagern gleitet im allgemeinen die Mantelflache eines kreiszylindrisch rotierenden Zapfens in einem Hohlzylinder. Fur einen unendlich grol3 gedachten Zapfendurchmesser erhalt man ebene Lagerstellen rnit einer translatorischen Hin- und Herbewegung des beweglichen Elements (Geradfuhrung), z. B. bei Fuhrungsbahnen von Werkzeugmaschinen. Die Gleitflachen konnen aber auch als Zylinder mit zur Bewegungsrichtung paralleler Achse ausgebildet sein, wie beispielsweise bei Kolben. Bei den Walzlagern (Kugel- oder Rollenlager) werden Kugeln oder Rollen (kreiszylindrisch, konisch oder tonnenformig) auf ringformigen Laufbahnen abgewalzt (s.a. Bild 9.17). 1st der Rollendurchmesser im Vergleich zur Rollenlange sehr klein, so werden die Lager auch als Nadellager bezeichnet. Die Anspruchslosigkeit in Wartung und Schmierung, die kurze Einbaulange, die geringe Anlaufreibung und die gute Eignung auch fur kleine Drehzahlen sichern den Walzlagern ein weites Anwendungsfeld. Hinzu kommt, daB sie als fertige Elemente zu beziehen sind und ihre weitgehende Typisierung und Standardisierung die Anwendung und die Ersatzteilbeschaffung erleichtern. Es mu13 allerdings berucksichtigt werden, daB trotz der GroBserienfertigung Walzlager im allgemeinen teurer als Gleitlager sind. Der Preisunterschied nimmt mit der LagergroBe zu, so daB bei Lagern grol3er Abmessungen Gleitlager vorherrschen. Fur hohe Drehzahlen geht die Belastbarkeit der Walzlager zuruck, und auch die Laufruhe kann dann oft nicht in den geforderten Grenzen gehalten werden. Dem Vorzug der kurzen Baulange bei Walzlagern steht der Nachteil gegenuber, daB sie im Durchmesser weit mehr Platz beanspruchen und dal3 ihr Einbau als Mittellager oft auf Schwierigkeiten stoBt. Um einen weitgehend verschleiBarmen Betrieb bzw. eine lange Lebensdauer des Lagers zu gewahrleisten, sind Betriebszustande anzustreben, bei denen die Paarungswerkstoffe durch einen sich selbst aufbauenden hydrodynamischen Schmierfilm weitgehend voneinander getrennt sind. Dies ist in der Praxis jedoch nicht durchgangig moglich. So wird bei kleinen Geschwindigkeiten, wie sie beim An- und Auslaufen oder bei oszillierenden Bewegungen zwangslaufig auftreten, immer das Gebiet der Mischreibung durchlaufen, in dem Festkorperkontakte stattfinden. Uber das Betriebsverhalten olgeschmierter Lager gibt die StribeckKurve Auskunft (s. Bild 8.3). In Abhangigkeit von der Gleitgeschwindigkeit, der Lagerbelastung und der Olviskositat beobachtet man unterschiedliche Reibungszustande, die mit Grenzschichtreibung, Mischreibung und Flussigkeitsreibung bezeichnet werden. Beim hydrodynamischen Gleitlager wird durch Drehung der Welle im keilformigen Lagerspalt ein hydrodynamischer Schmierfilmdruck aufgebaut, der bei ausreichender Gleitgeschwindigkeit mit der auBeren Belastung im Gleichgewicht steht (Bild 9.2a). Der sich verengende Lagerspalt ist eine Folge der Durchmesserunterschiede von Welle und Lagerschale, und die exzentrische Versetzung der Welle ist durch die Lagerbelastung bedingt. Hydrodynamisch geschmierte Gleitlager lassen sich gut berechnen [9.2], [9.3]. Wahrend der keilformige Schmierspalt sich bei Radiallagern von selbst ergibt, mussen in anderen Fallen, z. B. Axiallagern, Gleitbahnen u. a., Moglichkeiten eines sich verengenden Lagerspalts konstruktiv geschaffen werden. Hydrostatische Lager, bei denen das unter Druck mittels einer Pumpe zugefuhrte Schmiermittel die Welle vom Lager abhebt (Bild 9.2b), erfordern einen groBeren Aufwand fur die externe Schmiermittelversorgung, weisen aber eine Reihe von Vorteilen auf. So hangt z. B. die Tragfahigkeit nicht von der Gleitge-

388

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

Bild 9.2 Schernatische Darstellung der Oldruckerzeugung bei Gleitlagern (nach W Jordan) a) Hydrodynamischer Druck p im Schmierkeil eines Gleitlagers b) Prinzipdarstellung der hydrostatischen Druckerzeugung

schwindigkeit ab. Wird die Schmiermittelpumpe, wie es oft der Fall ist, vom gleichen Aggregat angetrieben, z. B. bei Verbrennungsmotoren, bleiben die Mischreibungsprobleme im Anlauf jedoch bestehen.

9.1 Anforderungen an Gleitwerkstoffe Da Gleitlager in den meisten Fallen Betriebszustande durchlaufen, bei denen wiederholt Mischreibung, im Falle von Schmiermittelmangel auch Grenzreibung entsteht, mussen an die Lagerwerkstoffe besondere Anforderungen gestellt werden [9.4]: gutes Notlaufverhalten, hoher Verschleifiwiderstand, geringe Adhasionsneigung, hohe Belastbarkeit, gute Einbettfahigkeit und gunstiges Anpassungsverhalten, die notwendige Festigkeit und Harte, gute Warmeleitfahigkeit und gegebenenfalls Korrosionsbestandigkeit. Mit Notluufverhalten (Notluufeigenschuften)bezeichnet man die Fahigkeit eines Gleitwerkstoffes, beim Auftreten ungunstiger Schmierbedingungen bzw. Ausbleiben von Schmierstoff den Betriebszustand noch einen begrenzten Zeitraum aufrechtzuerhalten, bevor ein Ausfall der Lagerstelle eintritt. Das VerschleiBverhalten steht damit in unmittelbarem Zusammenhang. Es wird durch adhasive Prozesse mal3geblich beeinflufit. Die in Kontakt befindlichen Oberflachen beruhren sich auf Grund ihrer Rauhigkeiten nur an relativ wenigen punktformigen Stellen, so daB die Flachenpressung hier sehr hoch ist (s.a. Abschn. 8.1). Beim Bewegungsablauf treten an diesen Beruhrungspunkten standig wechselnde plastische Verformungsvorgange und hohe Energiekonzentrationen auf. Schutzende Oberflachenfilme werden durchbrochen, und es konnen bei entsprechender Beanspruchung SchweiB- oder Sinterbrucken entstehen, die zunachst durch die Bewegung wieder abgeschert werden. Oftmals wird dabei Material von einem Partner auf den anderen ubertragen; spater entstehen dann hieraus auch VerschleiBteilchen. Im Extremfall, z. B. bei hoher Uberbelastung oder Ausfall der Schmierung, erfolgen groBflachige VerschweiBungen, die das Lager blockieren; man spricht dann vom ,,Festfressen". Adhasiven VerschleiBvorgangen kann man neben ausreichender Schmierung wirksam durch eine hohe Oberflachengute der Paarungspartner, den Zusatz von Additiven zum Schmiermittel, die bei bestimmten BeanspruchungsgroBen wirksame Oberflachenschutzfilme bilden, durch vorheriges Aufbringen festhaftender Oberflachenschichten (s. Abschn.

9.1

Anforderungen an Gleitwerkstoffe

389

8.2.4) sowie Verwendung von Paarungswerkstoffen mit geringer adhasiver Neigung begegnen. Neben adhasivem VerschleiB tritt bei Gleitlagern ErmudungsverschleiB als Folge andauernder wechselnder Spannungen im Oberflachenbereich auf. E r auBert sich zunachst in der Bildung von Mikrorissen unter und spater auf der Oberflache, die sich allmahlich vergrol3ern und schliefllich zum Abtrennen von Partikeln aus dem Oberflachenbereich fuhren, wobei die bekannte ,,Griibchenbildung" entsteht. Zusatzlich ist Abrasion beim Eindringen von Staub und Schmutz (z. B. bei Ernte-, Erdbewegungs- und Bergbaumaschinen) in den Lagerspalt moglich, wenn die Lagerabdichtung nicht ordnungsgemal3 erfolgt oder im 01 selbst Verunreinigungen enthalten sind. Damit diese nicht immer vermeidbaren Umstande nicht nach kurzer Zeit zum Lagerausfall fuhren, sollte der Gleitwerkstoff eine gute Einbettungsfahigkeit aufweisen, d. h., die harten Fremdpartikel werden in die Laufschicht eingebaut und ihre Wirkung hierdurch deutlich abgeschwacht. Dringt Wasser oder eine aggressive Flussigkeit in nicht dafur vorgesehene Lager ein, so erfolgt VerschleiB durch Triboreaktionen, z. B. die Bildung von Eisenoxidschichten infolge Reiboxidation. Die Verwendung von Werkstoffpaarungen aus weniger korrosionsanfalligen Werkstoffen ist bei entsprechend gefahrdeten Lagern anzuraten. Unter Anpassungsfahigkeit eines Gleitwerkstoffes versteht man die Eigenschaft, Form- und Fluchtungsfehler vom fuhrenden und gefuhrten Teil, d. h. Fertigungsund/oder Montagefehler, durch plastische Verformung auszugleichen. Eine genugende plastische Nachgiebigkeit des Gleitwerkstoffes ist jedoch in der Regel mit einer geringeren Werkstoffestigkeit verbunden. Die Anpassungsfahigkeit des Lagerwerkstoffes ist deshalb um so geringer, je grol3er die vom fuhrenden und gefuhrten Teil aufzunehmende Belastung ist und je geringere Deformationen der einzelnen Elemente durch die Betriebsbeanspruchung auftreten durfen. Lagerwerkstoffe mit groaer Tragfahigkeit und fur hohe Belastungen, z. B. die Mehrzahl der Gleitwerkstoffe auf Kupferbasis, haben deshalb eine verminderte Anpassungsfahigkeit, derzufolge ihr Einsatz mit erhohten Anforderungen an die Steifigkeit der Konstruktion und die Prazision der Fertigung verbunden ist. Der Gleitwerkstoff muB nicht zuletzt eine ausreichende Harte und Festigkeit aufweisen, um die statischen und dynamischen Belastungen aufnehmen zu konnen. Weichere Gleitwerkstoffe sind dort eingefuhrt, wo es auf eine gute Einbettungsfahigkeit sowie eine ausreichende Duktilitat zum Abbau durch Kantenpressung bedingter Spannungen ankommt. Hartere Werkstoffe dagegen finden meist in den Fallen Verwendung, in denen hydrodynamische Schmierung nicht gewahrleistet ist und infolge der dadurch verursachten Reibung der Verschleil3widerstand starker im Vordergrund steht. Da Harte und Festigkeit mit steigender Temperatur abnehmen, sind bei der Berechnung diese Eigenschaftswerte nicht nur fur Raumtemperatur, sondern auch fur die zu erwartende Betriebstemperatur zu berucksichtigen. Weiterhin sollte der Gleitwerkstoff eine gute Warmeleitfahigkeit sowie - im Falle der Verbundlager - Haftfestigkeit und Warmeubergang zum Material der Stutzschale haben, damit die bei der Reibung entstehende Warme rasch abgefuhrt werden kann. Z u hohe Lagertemperaturen fuhren zur Verminderung der Viskositat des Schmiermittels und damit rasch zur Unterschreitung der notwendigen Schmierfilmdicke. Ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient des Gleitwerkstoffes gewahrleistet, daf3 sich bei Erwarmung das Lagerspiel nicht unzulassig vergroBert.

390

9

Gleit- und Lagerwerkstoffc

Als Wellenwerkstoffe kommen schon aus Festigkeitsgrunden vorzugsweise Stahle unterschiedlicher Zusammensetzung und Oberflachenbehandlung sowie GuBwerkstoffe in Frage, die eine geringe FreBneigung, eine hohe Adsorptionsfahigkeit fur Schmiermittel und einen guten VerschleiRwiderstand aufweisen sollten. Sie werden meist gehartet, unterschiedlich oberflachenbehandelt oder beschichtet. ErfahrungsgemaB ist die FreBneigung gering, wenn die Harte der Welle das Drei- bis Funffache der des Lagerwerkstoffes betragt. Ausschlaggebend ist auch die Art und Leistungsfahigkeit der verwendctcn Schmiermittel. Fur Lager kommen Schmierole, Schmierfette und Feststoffschmiermittel in Betracht. Schmierole haben dabei zumindest mengenmaBig die groBte Bedeutung und Verbreitung. Ihr Viskositats-Temperatur-Verhalten,die Alterungsbestandigkeit und die thermische Stabilitat bestimmen die Funktion und Lebensdauer der Lager entscheidend mit. Die Eigenschaften von Schmierolen lassen sich durch Zusatze von Additiven deutlich verbessern. Sie verringern beispielsweise die Viskositatsabnahme bei Temperaturerhohung, vermindern vorzeitiges Stocken bei tieferen Temperaturen, erniedrigen die Reibung und die Korrosion im Lager. erhiihen durch Blockierung der Oxidation von Schmiermittelbestandteilen die Alterungsbestandigkeit usw. Sogenannte Hochdruckadditive (EP-Zusatze) bilden bei ausreichender tribologischer Beanspruchung Reaktionsschichten auf der Oberflache und verhiiten so die Entstehung adhasiver Verb i ndu nge n .

9.2 Werkstoffe fur Gleitlager Der Einsatz und die Anwendung von Gleitlagern ist sehr vielfaltig. Ihre Abmessungen reichen von Durchmessern mit mehrercn Metern bis in Mikrobereiche bei sehr unterschiedlichen Beanspruchungs- und Betriebsbedingungen. Entsprechend vielfaltig sind auch die fur Lagerzwecke verwendeten Werkstoffe. Eine zusammenfassende Darstellung ist Bild 9.3 zu entnehmen. Nach ihrem Aufbau unterscheidet man zwischen Massiv-, Verbund-, und Sinterlagern. Lager. bei denen die gesamte Lagerschale aus massivem Lagerwerkstoff aufgebaut ist, sind zunehmend weniger und meist fur g r o k r e Durchmesser im Einsatz. Verbundlager bestehen aus einem Stahltrager, auf dem eine oder mchrere diinne Schichten Lagerwerkstoff. oft mit einer Zwischenschicht als Diffusionsbarriere und meist mit einer diinnen Einlaufschicht (Overlay), aufgebracht werden (Bild 9.4). Uber pulvermetallurgische Technologien hergestellte Sinterlager kommen sowohl als porose Materialien mit Hohlraumen zur Aufnahme und Speicherung flussiger und gegebenenfalls zur Zufuhr gasfiirmiger Schmierstoffe als auch in Form einer Vielzahl von Verbunden mit Feststoffschmiermitteln und antiadhasiv wirkenden Zusatzen zur Anwendung. Bild 9.5 gibt einen Uberblick uber die Spezifik von Lagerwerkstoffen sowie Richtlinien zur Auswahl. Bei den klassischen metallischen Lagerwcrkstoffen unterscheidet man drei Gefugetypen: harte Phasen in einer weichen Matrix (z. B. Pb-Sb-Sn-Legierungen), weichere Phasen in einer harteren Matrix (z. B. Cu-PbLegierungen) und einphasige Gefuge (z. B. Cu-Sn-Legierungen). Heterogene Gefuge aus weicheren und harteren Bestandteilen haben sich fur Lagerwerkstoffe als besonders vorteilhaft herausgestellt. Sie ergeben die sogenannte ,.Tragkristallstruktur". bei der die harteren Bestandteile aus der Gleitoberflache her-

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

39 1

L-J Lagerwerkstoffe

Nichtmetallische Werkstoffe

Metallische Werkstoffe

Eisenwerkstoffe

SWhk SinterWerkstofte GrauguL3 Sintereisen

NEWerkstoffe

Polymere

Keramik

Pb- u. SnLegierunpn Al-Legierungen Cu-Legierungen Cu-BasisSinterwefistoffe

Oxide Nitride

StahNNE-Verbund NWolymer- Verbund

BeBmnze 0.3.. 7,s mm Nideidamm qooi . .0,0015 mm

Terniin?LoufdiCnt QOZ . .GO25 mm

Bild 9.4 Mehrschichten-Vcrbundla~er: Stiitzschale aus Stahl. Bronze-Zwischenschicht. Nickelschicht und WeilJmetallLaufschicht (nach G. Mrrriri)

vorstehen und die Belastung aufnehmen, wahrend die weicheren Phasen zuruckstehen und Taschen zur Olaufnahme bilden, Fremdkorper einbetten und die Notlaufeigenschaften verbessern. Wichtig ist jedoch, dal3 die unterschiedlichen Bestandteile in moglichst feinverteilter Form vorliegen. In Bild 9.6 wird diese Tragkristallstruktur schematisch dargestellt.

392

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe Gleitlagenverkstoffe und ihre Eignung

.1

sehrgut

1 8 gut I@

ausreichend

le maBig 1 0rnangilhaft] -~

Bild Y 5 Richtlinie 7ur Aucwahl von Gleitlagerwerkstoffen (nach [Y.7])

horte ,Tmgkristaffe'

harte Grundmosse

Bild Y.6 Tragkristallstruktur v o n Gleitwerkstoffen (nach B. Beyer) a ) harte Tragkristalle in weicher Grundmasse b) weiche Gefugebestandteile in harterer Grundmasse

9.2.1 Lagerlegierungen auf Blei- und Zinnbasis WeiOmetalle) Unter WeiJJmefallenfaat man eine Reihe von Legierungen auf Blei- und Zinnbasis zusammen. Bleilegierungen enthalten zur Erhohung der Harte Zusatze von Zinn, Antimon und Kupfer, Zinnlegierungen solche von Kupfer und Antimon. Die wichtigsten WeiBmetall-Legierungen, ausgewahlte Eigenschaften und Hinweise zur Verwendung sind in Tabelle 9.1 aufgefuhrt. WeiBmetalle haben gute Gleiteigenschaften und konnen auch mit nicht geharteten Wellen (180 - 220 HB) kombiniert werden. Wegen ihrer relativ geringen Harte weisen sie ein hervorragendes Einbettverhalten auf, sind unempfindlich gegen Kantenpressung, haben

I)

2.3397 Rest -

PbIn7

-

1L

I?

-

-

3

12

8 -

-

1

0,7

8 -

5 7

0,7 1,s

0,7

0,7

Cu

0,7

1,O

-

-

-

-

-

-

0,25 0,1

-

0,3

0.1

0.1

Bi

-

0,3

0.6

12

0.8 -

As

-

-

-

-

0,7

-

0,3

-

-

Cd

Hauptbestandteile in YO

R,o,z = 0,2%-Dehngrenze, 2 ) al = Warrneausdehnungskoeffizient

-

2.3396 Rest

PbSnlO

-

2.3395 Rest

11

-

2.3393 Rest 9

PbSnlOCu2

PbSblOSn6

10

15

8

11

-

2.3392 Rest 13

PbSbl4Sn9CuAs

9

-

-

2.3391 Rest 14 16

1,7

15,5

PbSblSSnlO

-

-

Sn

2.3390 Rest 13,s 0,9

Sb

PbSblSSnAs

Pb

W.Nr.

Kurzzeichen

-

-

-

-

0,6

-

0,2

-

-

Ni

5-10

-

-

-

-

-

-

In

-

-

-

16

22

21

18

-

-

-

39

46

43

39

-

-

-

25,3

24,7

24

25

-

-

-

10,3

9.7

9,9

9,7

Y

Y

Y

I

(Fortsetzung nachste Seite)

I

Verwendung fur Gleitschichten (Overlays); cute Eienune bei Grenzreibune. u ,hohe Korrosionsbestandigkeit; weiche Legierung rnit guter Einlauffahigkeit; fur Overlays auf Pb-, Cu-, u. Al-Basis-Legierungen; fur Haupt- und Pleuellager

reine Gleitbeanspruchung bei geringer bis rnittl. Belastung im hydrodyn. Bereich; rnaiBige Schlagbeanspr., gut einbettfahig

gute Gleiteigensch. bis zu hoheren Gleitgeschwind. bei hydrodyn. u. Mischreibung; rnittl. Schlagbeanspr. Gleitlager f. Elektrornaschinen, Getriebe, Walzwerke, Pleuel

reine Gleitbeanspr., rnittl. Belastung u. Gleitgeschwind., geringe Schlagbelast., gut einbettfahig, Gleitlager f. Kreuzkopfe, Kegelbrecher, Gleitschuhe

reine Gleitbeanspr., geringe Belast., niedr. Gleitgeschwind. b. hydrodyn. Schrnierung; gute Einbettf. Gleitlager f. Nockenwellen, Getriebe, Hauptlager f. kleine Kolbenverdichter, gerollte Buchsen

HB Rp0,21) a,*) Dichte Verwendung MPa 1W/K gkm’

Tabelle 9.1 Zusamrnensetzung, Eigenschaften und Venvendungszweck von Lagerlegierungen auf Blei- und Zinnbasis (nach [9.8]; [9.9])

1)

13

8

-

2.3792 0.35 7

8

~

2.3791 0.35 7

~

11

Sb

Cu

Rest

4

~

3

4

-

Rest 3

7

-

Rest 5

Sn

0.1

0.1

0.1

As

0.08

0.08

0,08

Bi

~

1.2

0.8

~

~

Cd

Hauptbestandteile in YO

Rp,),?= 0,2%-Dehngrenze. 2 ) a, = Warmeausdehnungskoeffizient

SnSb8Cu4Cd

SnSb8Cu4

3

~

2. 3790 1

SnSbl2Cu6Pb

Pb

W.Nr.

Kurzzeichen

0.5

~

0.1

-

-

Ni

-

-

-

In

28

22

25

62

47

61

I

-

H B R,,,,’) MPa

23.9

23,Y

22.7

7.3

7.3

7.4

gute Gleiteigensch. f. hohe Gleitgeschwindigkeit, Belastungen u. Schlagbeanspruch. bei hoher Frequenz: unempfindl. gegen Kantenpressung u. Biegewechsel; Haupt- u. Pleuellager f. GroRkolbenmaschinen

gute Gleiteigensch.. hohe Zahigkeit, gute Einbettfahigkeit; fur hohe Gleitgeschwindigk. b. mittl. Belastungen; unempfindl. gegen Biegewechsel; fur hochbeanspruchte Walzwerkslager

gute Gleiteigensch. b. mittl. Belastungen u. bis zu hohen Gleitgeschwind.: empfindl. gegen Biegewechsel u. Kantenpressung: hoher VerschleiRwiderst. Gleitlager in Turbinen, Verdichtern. Getrieben

Dichte Verwendung IO-VK g/cm3

a,:)

Tabelle 9.1 Zusammensetzung. Eigenschaften und Verwendungszweck von Lagerlegierungen auf Blei- und Zinnbasis (nach [9.8]; [9.9]) (Fortsetzung)

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

395

ein gutes Notlaufverhalten, vertragen aber nur maBige StoBbelastung. Sie werden als Verbundlager bzw. als Schichtverbundwerkstoff eingesetzt und eignen sich bis zu Gleitgeschwindigkeiten von ca. 15m/s bei mittleren Belastungen sowie maximalen Betriebstemperaturen von 110°C. Einige besonders weiche Legierungen (z.B. PbSnlO und PbIn7) sind nur zur Verwendung als dunne Gleitschichten (Overlays) bis max. 0,02 mm Dicke vorgesehen und werden meist galvanisch auf hartere Lagerwerkstoffe aufgebracht. Infolge ihrer geringen Dicke sind sie hoch belastbar und verbessern die Gleitfahigkeit, das Einlaufverhalten und die Einbettfahigkeit fur die harteren Werkstoffe deutlich. Der Gefugeaufbau ist bei allen WeiDmetallen ahnlich. In eine eutektische Grundmasse sind hartere und sprode Kristalle einer intermetallischen Phase eingelagert, die primar oder sekundar ausgeschieden werden. Bei Legierungen auf Bleibasis liegt die Ausscheidungsgrenze bei 12 YOSb und 6 YOSn, bei Zinnlegierungen dagegen bei 7 % Sb und 3 YOCu [9.10]. Antimon, wie auch Cu fuhren nicht nur zur Entstehung intermetallischer Phasen, sondern tragen durch Mischkristallbildung zur Verfestigung des Bleis bei. Von den ubrigen in WeiBmetallen vorkommenden Bestandteilen erhoht Cd die Festigkeit und Warmharte direkt, wahrend Arsen uber seine kornfeinende Wirkung zur Festigkeitsverbesserung beitragt. Ni bildet mit Sb und Sn ebenfalls intermetallische Phasen. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der WeiBmetalle hangen stark von der Gefiigeausbildung ab, wobei feinkornige Gefuge mit gleichmaBiger Verteilung der intermetallischen Phasen die gunstigsten Voraussetzungen erbringen. Bei Raumtemperatur liegt die Harte im allgemeinen bei 18bis 30 HB. Sie fallt mit steigender Temperatur rasch ab, wie Bild 9.7 zu entnehmen ist. Die Mikroharte der ausgeschiedenen Sb-Sn- und Cu-SnPhasen bewegt sich zwischen 300 und 400 HV. Zur Erreichung der notwendigen Stabilitat sind Stutzschalen erforderlich, die meist aus unlegiertem Stahl mit 0,l YO C bestehen, wobei Bindungsfestigkeiten zwischen Lagermetall und Stahlkorper von 60 bis 70 MPa erreicht werden. 40

30

Lg

-4-

2 c

20

r"

10

Bild 9.7 Warmharte von Zinnund Bleibasislagerwerkstoffen (nach B. Beyer)

0

0

50

100

Prufternperatur

'C

150

a ) zinnarm ohne Zusatze b) zinnarm mit Zusatzen (Cd. As. N i ) c ) rinnreich o h n e Zus2tre d) mahartbares Lagermetall (PhCaNaMgBa)

396

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

9.2.2 Lagerlegierungen auf Kupferbasis Lagerlegierungen auf Cu-Basis (2 50 % Cu) werden durch Zulegieren von Zinn, Blei, Zink, Aluminium, Nickel, aber auch Phosphor und Mangan erhalten. Sie sind auf Grund ihrer groBeren Festigkeit und Harte hoher belastbar, weisen aber nur maBige Einlauf- und Notlaufeigenschaften auf. Da Einlauf und Notlauf insbesondere von der Grolje des Harteunterschiedes zwischen Lager- und Wellenwerkstoff abhangen, sind fur Kupferlegierungen vorzugsweise gehartete Wellen bzw. Lagerzapfen mit mindestens 55 H R C notwendig. Lediglich bei hochbleihaltigen Werkstoffen (z. B. CuPb9Sn, CuPb20Sn u. a.) kommen auch weiche Wellen mit Harten von 200 bis 250HB zum Einsatz [9.9], [9.11]. In Tabelle 9.2 sind gangige Kupferlegierungen fur Lagerzwecke einschlieljlich der Harte, Zugfestigkeit R,, des Warmeleitfahigkeitskoeffizienten h sowie Hinweise zur Anwendung zusammengestellt. Lagerlegierungen auf Cu-Basis werden hauptsachlich durch GieBverfahren (Sand-, Kokillen-, Schleuder- und Stranggieljen) hergestellt. Wegen der deutlich geringeren Harte- und Festigkeitswerte wird Sandund KokillenguB nur noch selten angewandt. Neben der Erzeugung feinkornigerer Gefuge und den damit verbundenen verbesserten mechanischen Eigenschaften ist Schleuder- bzw. StrangguB auch wesentlich produktiver. Das Gefuge der Kupferbasis-Gleitwerkstoffe besteht meist aus kupferreichen Mischkristallen, in die im Falle der zahlreichen mit Blei legierten Zusammensetzungen das im Kupfer unlosliche Blei in Form feiner Einschlusse eingelagert ist. Die kupferreiche Matrix gewahrleistet gute Harte, Festigkeit und Warmeleitfahigkeit, wahrend das weiche Blei das Gleitverhalten verbessert und den Einlauf fordert, indem anfanglich vorhandene Rauhigkeiten ausgeglichen werden. Wegen des Dichteunterschiedes von Cu und Pb (8,9 zu 11,3g/cm3) ist die Gefahr der Schwereseigerung, die durch das weite Erstarrungsintervall zusatzlich begunstigt wird, grolj. Z u ihrer Verhinderung sind besondere MaBnahmen bei der Verarbeitung erforderlich. Hierzu gehort schnelles Abkuhlen, wie es beim SchleuderguB auf Stutzschalen und beim StranggieBen erreicht wird, sowie die Reduzierung des Gasgehaltes (Wasserstoff, Stickstoff) der Schmelze. Der Zinnanteil verbessert die GieBeigenschaften der Legierung und erhoht durch die Mischkristallbildung die Festigkeit. Hochbleihaltige Legierungen (z. B. CuPb24Sn, CuPb30) werden vorteilhaft uber pulvermetallurgische Technologien hergestellt, wobei sehr feinkornige und teilweise porose Gefiige entstehen, die die Gleiteigenschaften durch Olspeicherung zusatzlich verbessern. Neben den GuBlegierungen sind eine Reihe von Knetlegierungen mit hoheren Festigkeiten und groBerem Verschleiljwiderstand im Einsatz. Sie eignen sich besonders fur hohere Belastungen, auch bei Schlag- und StoBbeanspruchung, aber nicht fur so hohe Gleitgeschwindigkeiten [9.8], [9.9]. Die Verwendung von Kupferlegierungen fur Gleitzwecke ist auf folgende Probleme konzentriert: 0

0

Massivlager, bei denen auf Grund der Abmessungen oder der Steifigkeit der Bauteile der Einsatz eines Verbundlagers unnotig teuer oder aus Festigkeitsgrunden unzweckmaBig ware, z. B. bei kleineren Abmessungen. Verbundlager, bestehend aus einem Stahlstutzkorper, der Kupferbasis-Gleitlegierung und meist einer diinnen Gleitschicht (Overlay) z. B. aus einer Bleioder Zinnlegierung. Diese Lager sind sehr leistungsfahig, vertragen hohe Belastungen sowie Gleitgeschwindigkeiten und sind oft auch fur Schlag- und

W.Nr.

Cu

Pb

0,OS

3

Zn

2-5

2.1817 Rest 13-17 7-9

2.1818 Rest 18-23 4-6

CuPblSSn8

CuPb20Sn5

'1

0,2

niedrige Werte fur SandguB: hohere fur KokillenguB:

CuAIlOFeSNi5 2.1819 Rest 0,l

9-11

2.1816

CuPblOSnlO

Rest 8-11

2.1815 Rest 8-10

CuPb9SnS

4-6

0,l

0,2

Fe

0,25

0,l 0,l

2

0,s

2)

3,5-6,5

Warmeleitfahigkeitskoeffizient

3.5-5.5

2

0,25

0,l

2 2,5

2

0.25

2

-

0,75

0,5

0,5

0,s

0,35

2

2

0,25

0,2

0,05

0,25

Sb

2,s

0,05

0.2

0,3

2

0,l

2,5

Ni

0.25

-

0,05

0,4

0,055 0,2

0,5-1

0,OS

P

0,l

2

GuBlegierungen fur Massiv- und Verbundlager

6-8

CuSn7Pb7Zn3 2.1820 Rest 5-8

4-6

11-13 2

4-6

Rest 1-2,5

1011,s

6-9

Sn

Hauptlegierungsbestandteile in Masse-%

CuPbSSnSZn5 2.1813 Rest 4-6

2.1812

2.1811 Rest 0,25

CuSnlOP

CuSnl2Pb2

2.1810 Rest 0,54

CuSn8Pb2

GuBlegierunEen fur Massivlager

Kurzzeichen

60-85 250-270 47

Wh.K

A2)

45-50

60-65

65-70

55-60

59

47

47

71

250-280 60

60-80

80-110

80-110

60-130

60-70 100-120 59

71

130-150 54

6 M 5 90-100

80-90

8-11 Al 140 3 Mn

-

-

-

-

-

-

-

0,5 Mn 70-95 220-360 SO

-

Sonst

Hartel) R,l) HB MPa

(Fortsetzung nachste Seite)

Konstruktionsteile fur Gleitbeanspruchung auch im Schiffsbau

fur mittlere bis hohere Beanspruchung, auch fur Wasserschmierung

fur mittl. Beanspruchung bei erhohtem Verschleifiwiderstand

weiche Legierung fur mittl. Beanspruchung

geringe bis mafiige Beanspruchung

fur problemlose Anwendungsfalle u. geringe Beanspruchung

hohe Belastung u. Gleitgeschwindigkeit, Schlag u. Stofibeanspruchung, gehartete Welle erforderlich (55 HRC)

geringe bis mafiige Beanspruchung

Verwendung

Tabelle 9.2 Zusammensetzung, Eigenschaften und Verwendungszweck von ausgewahlten Lagerlegierungen auf Kupferbasis (nach [9.8]; [9.9])

W.Nr.

Cu

Pb

Sn Zn

P

19-27 0.6-2

2.1833 Rest 0.2

CuAIYFe4Ni4

'1

2.1831 Rest

CuZn31Sil

0.2

-

7.5-9

niedrige Werte fur SandguB: htihere fur KokillenguB:

-

2.1830 Rest 0,05

CuSnXP

Knetlegierungen fur Massivlager

Rest 26-33 0.5

Rest

21

0,S -

-

-

-

0.1-0,4-

0.7

0.7

0.7

0,7

0.7

0.5

0,3

0.5

0,s

0,S

0,s

0.5

Sb

'1

-

-

-

100160

700

440-560

80-160 400-580

3045?)

55-80 40-603)

60-90 45-70')

60-YS

70-130 60-903 1

8-1 IAl. 160 3 Mn

0.7-1.3 Si

-

-

-

-

-

Sonst

Hartell R,,lJ HB MPa

pesintcrter Werkstoff

2.5-4.5 2,s-5

0.4

0.1

0.5

0.5

0.5

0,s

0,s

Ni

Warmeleitfahipkeitskoctfizient:

28.533.3

0,3

0.1

0.5

2.1826

CuPb30?,

0.1

0,s

2.1825

CuPb24Sn

0.1

2.1823 Rest 19-27 3 4 . 5 0,s

CuPb24Sn4

Rest 14-20 4-6 0,1

0.1

0.5

0.5

2.1822

9-11

CuPbl7SnS

Rest 9-11

2.1821

CuPblOSnlO

Fe

Hauptlegierungsbestandteile in Masse-Yo

GuB- u. Sinterwerkstoff fur dunnwandige Verbundlager

Kurzzeichen

27

67

59

-

-

-

h') Wim'K

Konstruktionsteile mit Gleitbeanspruchung auch im Schiffsbau

gehartete Welle (55HRC) erforderlich; hohe Belastung u. Gleitgeschwindigkeit bei Schlag- u. StoBbeanspruchung

mittlere Dauerfestigkeit; fur gerollte Buchsen

gute Dauerfestigkeit; fur Hauptu. Pleuellager mit galv. Gleitschicht

hohe Gleitgeschwindigkeit u. Schlagfestigkeit, auch fur oszillierende Bewegungen

sehr hohe Dauer- u. Schlagfestigkeit; gerollte Buchsen, hochbelastete Haupt- u. Pleuellager, Gleitscheiben

Verwendung

Tabelle 9.2 Zusammensetzung. Eigenschaften und Verwendungszweck von ausgewahlten Lagerlegierungen auf Kupferbasis (nach [Y.8]; [Y.Y]) (Fortsetzung)

9.2

0

Werkstoffe fur Gleitlager

399

StoBbeanspruchungen geeignet. Allerdings stellen solche Lager erhohte Anforderungen an die Oberflachengute und Harte der Welle sowie an die Fluchtungsgenauigkeit. Hauptanwendungsgebiete sind Haupt- und Pleuellager fur Verbrennungsmotoren, Lager fur Kolbenbolzen und Kipphebelbuchsen auch im Lokomotiv- und Schiffsbau. Konstruktionsteile rnit Gleitbeanspruchung (z. B. CuAllOFeSNiS, CuA19Fe4Ni4), wie Zahnrader, Schnecken, Maschinenteile rnit geringen Gleitgeschwindigkeiten. Sie eignen sich auch fur den Einsatz im Schiffsbau.

9.2.3 Lagerlegierungenauf Aluminiumbasis Insbesondere fur den Einsatz in Verbrennungsmotoren werden Gleitlegierungen gefordert, deren Harte zwei- bis dreimal hoher als die der WeiBmetalle ist. Auch besteht das Bestreben, die relativ teueren Metalle wie Kupfer, Zinn und Antimon wenigstens teilweise zu ersetzen. Aluminiumlegierungen haben eine Reihe von Vorteilen: sie sind leicht und bringen Masseersparnis, weisen eine gute Warmeleitfahigkeit und damit schnelle Warmeableitung auf und haben eine ausreichende Warmfestigkeit. Durch entsprechende Legierungszusatze ist die Ausbildung einer Tragkristallstruktur moglich, wobei sowohl harte (durch Mn, Fe, Ni, Si, Cr, Co) als auch weiche (durch Pb, Sn, Cd) Einlagerungen erzeugt werden konnen. Mischkristallbildende Zugaben (Zn, Mg, Cu) erhohen Festigkeit und Harte. Sehr gunstige Gleiteigenschaften weisen Al-Sn-Legierungen auf. Ihr Gefugeaufbau ahnelt, da das Zinn im Aluminium unloslich ist, den Bleibronzen. In Tabelle 9.3 sind Angaben uber Zusammensetzung, Harte und Verwendung von Lagerlegierungen auf Al-Basis aufgefuhrt. Sie werden rnit Ausnahme des Werkstoffes AISn6CuNi ausschliefllich als Verbundlager eingesetzt. Die Harte liegt zwischen 35 und 50 HB, die Dichte in der GroBe von 2,s bis 2,9 g/cm' steigt rnit dem Zinnzusatz an. Bemerkenswert ist, daB die sich zwischen 130 und 160 W/m.K bewegende Warmeleitfahigkeit niedriger als bei den meisten Lagerlegierungen auf CuBasis liegt. Die thermische Langenausdehnung weist mit 21 bis24.10-6 K-1 etwa den gleichen Wert wie die der zinnarmen WeiBmetalle auf. Mit Ausnahme der zinnreichen Legierung AlSn20Cu erfordern die Al-Basis-Lagerlegierungen Wellen rnit Mindestharten von 45 bis 50 HRC. Zur Erzeugung von Stahl-Aluminiumlegierung-Schichtverbundenhat sich das Walzplattieren als gunstigste Losung fur die Serienproduktion herausgestellt, wobei ein vorgefertigtes Al-Legierungsband auf einen Stahltrager aufgewalzt und nachfolgend diffusionsgegluht wird [9.12]. Zur Verbesserung der Haftung zwischen Stahl und Al-Legierung kann eine Al-Zwischenschicht in Form einer Folie vorher auf das Stahlband aufplattiert werden. Aus dem fertigen Verbundwerkstoff werden Teilstucke herausgeschnitten und auf die erforderliche Endform gebogen. Ein klassischer Vertreter dieser Werkstoffgruppe ist das Zweischichtverbundlager Stahl/AlSn20Cu. Uber die Leistungsfahigkeit derartiger Zweistoffverbunde gibt Tabelle 9.4 Auskunft [9.12]. Eine weitere Verbesserung, insbesondere hinsichtlich der Gleitgeschwindigkeit, ist bei Al-Legierungen rnit Dreischichtverbundlagern moglich. Dabei wird auf die mechanisch fertig bearbeitete Lagerschale durch ,,Mal3galvanisieren" eine zusatzliche Gleitschicht aufgebracht, die keine Nachbearbeitung erfordert. Als Gleitschichten finden dabei vorzugsweise Pb-Sn- und Pb-In-Legierungen (s.a. Tabelle 9.1) Verwendung. Diese Schichten haben eine hervorragende Anpas-

0,7-1.3

AISn6CuNi

Rest

0.8-1,2

AIZn5Sil.S 3 4220 Rest Cul Pbl Mg

-

0.8-1.3

3.2190 Rest

0.05-0,15

AlSillCu

3.2690 Rest

AlSi4Cd

0.7-1,3

0.7-1,3

3.0691 Rest

AISn6Cu

0.7-1.3

Cu

AICd3CuNi 3.0692 Rest

3.0690 Rest

AlSn20Cu

Al

W.Nr.

Kurzbezeichnung Ni

5.5-7

0,2

0,2

-

-

5.5-7

0.7-1.3

0.2

0.1

0.7-1.3

-

1,3

16,5-22.5 0.1

Sn

1-2

0.7

-

-

10-12

2.7-3.5 0,7

-

0,7

0.7

Fe

0,7

0,l

0,3

0.1

0.3

0.6

0,7

0.2

0.7

0.7

Mn

0.7

3.54,5 0,35

0.7

-

0,8-1.4

0.7

Si

-

Cd

Hauptlegierungsbestandteile in M a w - %

0.2

0,2

0.1

0,l

0,2

0.2

0,2

Ti

35-55

0.15

0.3

3 5 4 5 fur Einstofflager

hohe Dauerfestigkeit. fur harte und weiche Wellen, fur Lager mit galv Gleitschicht. Haupt- u Pleuellager

4 5 4 0 hohe Dauerfestigkeit gute Korrosionsbest.; fur Lager mit galv. Gleitschicht; Haupt- u. Pleuellager 0,7-1,3 Pb 45-70 4.4-5.5 Zn 0.6 Mg

0.3

3 M 0 mittl. his hohe Dauerfestigkeit. gute Korrosionsbest., fur harte Wellen (48HRC) Haupt- u. Pleuellager, gerollte Buchsen

0,2S

hohere Dauerfestigkeit. gute Korrosionsbest. fur Lager mit galv Gleitschicht: Haupt u. Pleuellager

3 5 4 5 mittl. his hohe Dauerfestigkeit, gute Korrosionsbest., ublich mit Gleitschicht; Haupt- u. Pleuellager, gerollte Buchsen

3 0 4 0 mittl. Dauerfestigkeit, gute Korrosionsbest., gute Eignung bei Grenzreibung. auch f. weiche Wellen: Haupt- u. Pleuellager. Gleitscheihen. gerollte Buchsen

0.5

0,s

Sonst.

Harte Verwendung HB

Tabelle 9.3 Zusammensetzung, Eigenschaften und Verwendungszweck von ausgewahlten Lagerlegierungen auf Aluminiumbasis (nach[9.9]; [9.13])

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

401

Tabelle 9.4 Belastbarkeit von Zweischicht-Verbundlagern auf Al-Basis (nach [Y.12]) Lagerwerkstoff

Harte HB

Belastbarkeit MPa

max. Gleitgeschwindigkeit mls

AISn20Cu

35

45

16

AINi2MnCu

60

70

10

AISnlONi2MnCu

50

65

16

sungsfahigkeit an den Gegenlaufer. Zur Verhinderung einer Diffusion der Bestandteile des Lagerwerkstoffes und der Gleitschicht ineinander sowie der Bildung intermetallischer Sprodphasen baut man zwischen die Legierungen eine nur wenige pm dicke Diffusionsbarriere z. B. eine Ni- oder NiCr-Schicht ein. Neuerdings werden Gleitschichten auch mit Hilfe von PVD-Verfahren (Katodenzerstauben) aufgebracht, wobei sich Kombinationen herstellen lassen, die mit elektrochemischen Verfahren nicht abscheidbar sind (z. B. eine AlSn20oder AlPb25-Gleitschicht). Ein besonders leistungsfahiges Lager, das nach dieser Technologie gefertigt wird, entspricht dem Aufbau Stahl/CuPb22Sn/NiCr/ AlSn20. Diese Kombination hat sich in Verbrennungsmotoren sehr gut bewahrt und erreicht teilweise bis zu 1Million Laufkilometer 19.121. Lager auf Al-Basis haben eine ausgezeichnete Korrosionsbestandigkeit; Olkorrosion, wie sie oft bei Cu-legierten Werkstoffen auftritt, ist nicht zu befurchten.

9.2.4 Sinterlager Wahrend bei den Lagern, die aus schmelzmetallurgisch gewonnenen Werkstoffen gefertigt werden, eine ausreichende Schmierung durch konstruktive MaBnahmen (Schmiernuten in der Lagerlaufflache und Querbohrungen, Schmierringe oder Dochte) gewahrleistet wird, konnen mit Hilfe des pulvermetallurgischen Verfahrens olgetrankte selbstschmierende und uber langere Zeitraume (Lebensdauer von 3000 bis 4000, maximal 10000 Betriebsstunden) wurtungsfreie Gleitlager und -elemente hergestellt werden. Mit Hilfe einer zusatzlichen VergroBerung des Olvorrats laBt sich die Nutzungsdauer auf das Vier- bis Funffache verlangern. Durch geeignete Wahl der PulverteilchengroBe und -groBenverteilung, des PreBdruckes und der Sinterbedingungen lassen sich Formteile fertigen, die einen in bestimmten Grenzen variierbaren Porenraum (20 bis 30%, von dem etwa zwei Drittel von auBen zugangig sind) aufweisen und der sich nachfolgend mit hochalterungsbestandigem 0 1 tranken laBt. Im Stillstand oder bei sehr geringen Gleitgeschwindigkeiten wird durch die Kapillarkraft so lange 01 aus dem Porenraum gefordert, bis die Kapillarkrafte von Poren und Lagerspalt im Gleichgewicht stehen (Bild 9.8a). Dadurch existiert von Beginn der Bewegung an ein dunner Olfilm zwischen Welle und Lager, der ein gutes Anlaufvermogen bewirkt. Wahrend des Laufes (Bild 9.8b) wird das 0 1 im Bereich der belasteten Zone in den Porenraum gedruckt und in der unbelasteten Zone aus den Poren gezogen, so daB dem Schmierspalt laufend 0 1 zugefuhrt und der Olkreislauf aufrecht erhalten werden kann. Nach dem Betrieb (Bild 9.8c), zieht sich das zwi-

402

9

Gleit- u n d Lagcrwcrkstoffe

poroses Sinterlaqer

Poren,mit O I gefii//! Bild 9.8 Schematische Darstellung des Olkreislaufes in einem porcisen, iilgetriinkten Sinterlager a ) Stillstand dcr Wcllc h ) Olkreislaul wiihrend des Betriebcs c) Olruckfuhrung bci Stillstand nach crfolgtcm Bctricb

schen Wellen- und Lagerlaufflache befindliche 01 durch die Kapillarwirkung zum gr6Rten Teil w i d e r in den Lagerkorper zuruck. Die weitaus groBte Bedeutung haben die Eisen- und Bronze-Sinterluger erlangt. Das zu Formteilen verpreBte Eisen- oder Bronzepulver wird bei Temperaturen von 950 bis 1150°C bzw. 750 bis 900°C in reduzierender Atmosphare gesintert. AbschlieBend werden die Sinterformteile zur Erhohung der MaBgenauigkeit kalibriert und mit dem Schmiermittel getrankt. Sinterlager werden als Buchsen ohne Bund. mit Bund. als Kalottenlager fur enge Lagerspiele und hohe Anforderungen an die Fluchtung der Bohrung oder als Halbrohlinge geliefert. Ihre Montage geschieht meist durch Einpressen in die Gehausebohrung rnit Hilfe eines EinpreBdornes, der genau in Richtung der Bohrungsachse gefuhrt wird. Eine Zusammenstellung der Standardwerkstoffe fur Sinterlager einschlieBlich ausgewahlter Eigenschaften ist Tabelle 9.5 zu entnehmen. Neben unlegiertem Sintereisen werden zusatzlich his 2,5% Cu enthaltende Sorten hergestellt, die aul3erdem noch his 2% C enthalten konnen. Auch die fur hohere Beanspruchung vorgesehene Sinterbronze (10% Sn) wird mit bis zu 2% Graphit-Zusatz gefertigt. Eine gesteigerte Leistungsfahigkeit bei gleichzeitig verbesserter Laufruhe im Bereich geringer Drehzahlen und bei Mangelschmierung lafit sich durch noch hohere Zusatze von Graphit und/oder Molybdandisulfid (bis ca. lOo/,) erreichen. Die Verwendung Cr- und Ni-legierter Stahlpulver bei der Lagerherstellung macht auch hohere Einsatztemperaturen bis 250°C und korrosive Beanspruchungen beherrschbar. In neueren Entwicklungen wird von der Moglichkeit Gebrauch gemacht, in die Grundmatrix (Eisen, Bronze, Al-Legierungen) harte und verschleiBfeste Teilchen einzusintern, wobei ein tragkristallartiges Gefuge entsteht. Die aus der Oberflache hervorstehenden harten Partikel bedingen zusiitzlich zur Porositat reliefartige Vertiefungen, so daB bei Anlauf eine vergroBerte Olmenge zur Verfugung steht und die Olzufuhr in den Lagerspalt deutlich verbessert wird. Solche Werkstoffe haben eine weitaus hohere Lebensdauer und konnen bis zu Gleitgeschwindigkeiten von 80 m/s und bei Belastungen bis zu 50 MPa verwendet werden [9.14]. Beim Einsatz von olgetrankten Sinterlagern spielen die Harte und die Oberflache der Welle eine groBe Rolle. Da der sich bildende Olfilm sehr dunn ist.

'1

'1

2'

'1

graphithaltigJ) 0.5

25 + 2.5 20 + 2.5 15 + 2.5

6.0 - 6.5 6.5 - 7.0 7.0- 7.5

A 51 B 51 C 51

C licgt vorwicpcnd als frcicr Graphit vor C licpt als freier Graphit Lor

~

< 0.2

25 + 2.5 20 + 2.5 15 + 2.5

6.4 - 6.8 6.8 - 7.2 7.2-1.1 2.0

- 2.0

A 50 B 50 C50

0.5

D e r Olgehalt hetragt mindcstcn\ 90% d c r offenen Porigkcit Gemessen an kalihricrtcn Lagern: Illilh mm Durchmesher und 10 mm Langc

SinterBronze

5.5

25 + 2.5 20 + 2.5

A 22 B 22

hoher Cu- u. C-haltig-;]

5.8 - 6.2 6,2 - 6.6

< 0.3

0,4 - 1.0

20 + 2,s

6,0 - 6.4 25 + 2.5 20 + 2,s

< 0,3

25 + 2.5 20 + 2,s 15 + 2.5

5.6 - 6.0 6.0 - 6,4 6.4- 6.8

- 6.0 6.0 - 6.5

A 20 B 20

hoher Cu-haltig

C-haltig

A 10 B 10 c 10

Cu-haltig

SinterStahl

~

5.6 - 6,0 6.0 6.4 6.4 - 6.8 < 0,3

%

C

~

Rest

Rest

15

25

15-25

1-5

1-5

< 0.1

CU

9-11

9-11

-

-

-

-

-

%

Sn

Porositat') Chernische Zusarnrnensetzung

25 + 2.5 20 + 2.5 15 + 2.5

g/cm7

Sint-

A00 B 00 c 00

Dichte p

Kurzzeichen

Sintereisen

Werkstoff

Tabelle Y.5 Sinterwerkstoffe fur Lager- und Forrnteile rnit Gleiteigcnschaften (nach [Y. IS])

-

-

Rest

Rest

Rest

Rest

Rest

Fe

120 > 140

> 180 > 200

> 270

> I69 > I90 > 230

> 150 > 180 > 220

>20 > 25 >30

> 25 >30 > 35

> 20 > 25

>30 >45

>70

> 35 > 40 > 55

>40

> 25 >30

Radiale Harte Bruchfestig- H B keit K?) MPa

20 26 32

27 32 37

30 37

41 41

28

36 37 42

37 43 48

Wameleitfahigkeit h W/rn K

404

9

Gleit- u n d Lagerwerkstoffe

L.+.L

L b.1

Bild 9.9 Beispiele fur den Einbau von Sinterlagern mit teilweise zusatzlicher Schmierung durch Depotfette oder olgetranktem Filz

kann es schon bei verhaltnismaljig kleinen Rauhigkeiten der Oberflache zu metallischen Kontakten mit dem Lagerwerkstoff kommen, die die Lebensdauer des Lagers herabsetzen. In der Regel mussen die Wellen gehartet und durch Feinschleifen, Lappen oder Polieren endbearbeitet sein. Auch das Lagerspiel zwischen Welle und Bohrung mu13 bei dieser Art von Lagern geringer gehalten werden als bei Massivlagern. Durch eine Zusatzschmierung in Form von Depotfetten oder olgetrankten Filzen (Bild 9.9) kann die Belastbarkeit der Sinterlager erhoht und die Lebensdauer bis zu einem Faktor von 4 vergrol3ert werden.

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

405

Der Hauptanwendungsbereich von olgetrankten Sinterlagern ohne Zusatzschmierung liegt bei Gleitgeschwindigkeiten bis 2 m/s (Sintereisen) bzw. 3 m/s (Sinterbronze). Durch Zusatzschmierung sind bei nicht zu hoher Belastung p Gleitgeschwindigkeiten v bis etwa 4 m/s, im Kurzzeitbetrieb im Fall von Sinterbronze und entsprechend niedriger Belastung von 6 bis 8 m/s moglich. Die Leistungsgrenze liegt unter gunstigsten Bedingungen bei einem p .v-Wert von 200 Wlcm2 (Bronzelager). Obgleich das Betriebsverhalten der Sinterbronze giinstiger ist, werden aus Preisgrunden in der Praxis vielfach Sintereisenlager eingesetzt. Zunehmend sind auch porose Sinterwerkstoffe auf Al-Basis (z. B. A1-CuLegierungen) im Einsatz. Ihr besonderer Vorteil liegt in der guten Korrosionsbestandigkeit, der hohen Warmeleitfahigkeit sowie der hoheren Anpassungs- und Einbettfahigkeit, die Belastbarkeit ist jedoch geringer. Die Uberlegenheit von Sinterlagern betrifft vonviegend den Bereich der kleineren Gleitgeschwindigkeiten oder pendelnder Bewegungen, wo beim Massivlager die Ausbildung des hydrodynamischen Schmierfilms nicht mehr gewahrleistet ist. Hauptkriterien sind die Forderung nach Wartungsfreiheit oder der Tatbestand, dal3 eine ordnungsgemal3e Schmierung nicht moglich ist bzw. keine Verunreinigung durch austropfendes 0 1 eintreten darf. Wegen ihrer Porositat und der dadurch geringeren Festigkeit sind Sinterlager empfindlich gegen Stone und Kantenpressungen. Die Leistungsfahigkeit der Sinterlager wird maogeblich auch von der Qualitat und Stabilitat der Trankole bestimmt, wobei wegen der grol3en Oberflachen des Porenraumes eine besonders geringe Oxidationsneigung und hohe Alterungsbestandigkeit notwendig sind. Bei Auswahl von 01geeigneter Viskositat lassen sich Arbeitstemperaturen bis 100 " C beherrschen, mit Spezialolen (z. B. Siliconolen) auch noch hohere Temperaturen. Olgetrankte Sinterlager werden auf fast allen Gebieten des Gerate-, Maschinen- und Anlagenbaues eingesetzt, insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik, in Haushalts- und Elektrogeraten sowie im Buro-, Textil-, Verpackungs-, Druck- und Landmaschinenbau. Bei sehr gleichmal3iger PorengroBe (100 bis 1000pm) und -verteilung kann als Gleitmittel auch Luft oder ein anderes Gas verwendet werden, das so durch die Poren gedruckt wird, dal3 die Welle darauf gleitet. Die gasgeschmierten Lager sind fur geringe Belastungen und hohe Drehzahlen geeignet. Neben den olgetrankten sind als eine weitere gro13ere Gruppe feststoffgeschmierte Sinterlager im Gebrauch, die in der Mehrzahl uber Pressen und Sintern von Gemischen aus einem Basispulver und pulverformigen schmierenden ZusatZen hergestellt werden. Hinsichtlich der Zusammensetzung kommen vorzugsweise Gleitwerkstoffe auf Eisen- oder Bronzebasis mit 4 bis 20 Masse-% Graphit als haufigstem gleitfordernden Bestandteil sowie Molybdandisulfid und Blei als Schmierzusatz in Betracht. Das Gefuge solcher Werkstoffe ist in Bild 9.10 zu erkennen. Die Schmierwirkung der Metall-Graphit-Verbundwerkstoffeberuht auf der Bildung eines Graphitfilms auf der Gleitflache. Die Einsatzgrenzen liegen bei Gleitgeschwindigkeiten von etwa 1 m/s und Belastungen von 3 bis 6 MPa. Fur hohere Beanspruchungen haben sich Eisenbasis-Gleitwerkstoffe bewahrt, denen neben Graphit vorwiegend MoS2 in Mengen bis zu 2% zugesetzt ist. Graphitgeschmierte Sinterlager werden dann eingesetzt, wenn durch Druck, aul3ere Bedingungen und korrosive Einfliisse eine Flussigkeitsschmierung Schwierigkeiten bereitet, oder hohere Arbeitstemperaturen, wie in Warmekraftmaschinen, Maschinen der Kunststoff- und Glasindustrie, Pressen, Walzwerken

406

il)

9

Glcit- u n d 1,agerwcrkstoffe

b)

I3 iI d Y. I( I ( ic luge \on Metal I-(irap hi t -(iI c it w e rkst (1 llc n ;I ) E isc 11- I3 I c i -G r;i ph i t -G Ici t u c r ksl o f f. u ngc ii tz t h ) Eisen-Rronze-Blei-(iraphit- 50 bis 60°C) MaBanderungen durch Schrumpfen und Warmedehnung auftreten. Die Dehnungsverhaltnisse in PreBstofflagern sind insgesamt auljerordentlich komplex, zumal sie bei SchichtpreBstoffen von der Richtung der unterschiedlichen Schichtstrukturen abhangig sind. Neueingebaute PreBstofflager sollten daher im Einlauf sorgfaltig uberwacht werden. PreBstofflager sind im Vergleich zu metallischen Lagern gegenuber Belastungsanderungen, die zu Reibungs- und Temperaturspitzen fuhren, empfindlicher. Um thermische Schadigungen zu verhindern, sol1 die maximale Temperatur 120"C nicht iiberschreiten. Bei geteilten Lagern, wie sie z. B. bei der verhaltnismaaig groben Lagerung von Walzenzapfen oder Achsen bei Forderwagen verwendet werden, treten hingegenTemperaturspitzen selten auf. In Bild9.11 ist die Reibungszahlpin Abhangigkeit von Belastung und Gleitgeschwindigkeit am Beispiel einer Phenolharz-PreBstoffbuchse mit Fullstoff Textilgewebe dargestellt. PrerSstofflager haben bei einwandfreier Bearbeitung und in Kombination mit einer feingeschliffenen oder polierten Welle einen sehr geringen VerschleiB. Anwendungsbeispiele sind Lager in Walzgeriisten, Kalandern, Feldbahnen und Landmaschinen, Kugellagerkafige, Zahnund Schneckenrader, Nocken, Pumpenrotoren, Ventilplatten usw.

9.2

o

4

a

iz

16

20

24

ZB

409

Werkstoffe fur Gleitlager

32

36 40 MPO 48

Flodenpressung p Bild 9.11 Reibungsverlauf in Abhangigkeit von der Flachenpressung p und Gleitgeschwindigkeit v bei Buchsen aus PreBstoff auf Phenolharzbasis (Fullstoff Textilgewebeschnitzel) (nach R. Kiihnel) Welle: Stahl. poliert; Olschmierung 1 bis 0.5 m/s: 2 bis 6m/s; 3 bis lOm/s

Epoxidharze weisen ahnliche Eigenschaften wie Phenolformmassen auf, werden aber in geringerem Umfange als Gleitwerkstoffe genutzt, z. B. als Gleitfuhrungen in Werkzeugmaschinen, die sich durch GieBen herstellen lassen. Tabelle 9.6 Eigenschaften von verstarkten Duromeren (nach J.K . Lancaster) Eigenschaften

Einheit

Melamin- Phenolharz harz

+

+

Siliconharz

Epoxidharz

+

+

Cellulose

Cellulose

Mineralfaser

Cellulose

Polyester- Polyimide + harz + KohlenCellulose stofffaser

Dichte

g/cm3

1.4

1,35

1,75

12

1.25

16

Zugfestigkeit

MPa

104

76

62

90

69

450

Biegemodul GPa

6.9

8,3

14

3.5

43

40

Kerbschlag- J/cm2 zahigkeit

0,68

1,l

1.6

1.1

1,6

OS

Wasserabsorption in 24 h

%

1 s

1,s

0,8

1 ,5

1,s

2

max. Einsatztemperatur

"C

130

150

250

175

140

300

VerschleiR

l(k7mmVJ

3 bis SO mit Zusatz von Feststoffschmiermitteln

0,s

410

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

Einen Uberblick uber die Eigenschaften der fur tribologische Zwecke genutzten Duromere rnit den dafur typischen Fullstoffen gibt Tabelle 9.6. Polyimide, wie auch die Polyurethane lassen sich sowohl als Duromere wie auch thermoplastisch herstellen. 9.2.5.2 Thermoplaste

Polyamid ( P A ) Nach ihrem chemischen Aufbau unterscheidet man verschiedene Polyamidtypen. Die wichtigsten sind: PA 6, PA 66, PA 610, PA 612, PA 1 1 und PA 12 [9.18]. Wahrend sie sich in ihren mechanischen Eigenschaften nur wenig unterscheiden, ist z.B. die Wasseraufnahme und damit das Quellverhalten bei den Typen PA 610/612 und PA 11/12 deutlich geringer. Polyamide (z. B. bekannt unter dem Handelsnamen Nylon) haben sehr gute mechanische und tribologische Eigenschaften, sind leicht zu schmelzen und lassen sich z. B. rnit Glas-, Mineral-, Kohlenstoff- und Aramidfasern verstarken und rnit Gleitstoffen wie PTFE, Siliconol, Graphit, MoS, u. a. vermischen. Der Erweichungspunkt von 120°C begrenzt den Einsatz. Bei der Bemessung des Lagerspiels sind im Vergleich zu metallischen Werkstoffen die groBe Warmedehnung und die MaBanderung infolge Feuchtigkeitsaufnahme (Quellung) zu berucksichtigen. Die Lagerschalen sollen vor der Fertigstellung den Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, der sich in der beim Betrieb vorhandenen Atmosphare einstellt. Lager, die in Wasser, Wasserdampf oder feuchter Atmosphare eingesetzt werden, mussen rnit Wasser gesattigt sein. Auch bei Trockenlauf oder Mischreibung sind die Gleiteigenschaften von Polyamiden in Paarung mit Stahl, wie auch rnit Polyamid selbst, sehr gut. Sie eignen sich daher besonders fur einen wartungsfreien Betrieb. Die Abhangigkeit der Gleitreibungszahl vom Flachendruck bei Trockenlauf gibt Bild 9.12 wieder. Sehr niedriger VerschleiB wird dann erreicht, wenn die Lagertemperatur 80°C nicht uberschreitet und die Stahlwelle geschliffen ist (Rauhtiefe 2 bis 3 pm). Bei Temperaturen uber 8 0 ° C reduziert sich die Lebensdauer des Lagers zunehmend. In den meisten Fallen ist die Belastung durch die infolge der geringen Warmeleitfahigkeit nicht mehr abzufuhrende Reibungswarme begrenzt. Die thermischen Verhaltnisse lassen sich deutlich verbessern, wenn nur dunne Polyamidschichten (0,l bis 0.3 mm) auf Stahlstutzschalen aufgebracht werden. Derartige Verbundlager zeichnen sich durch eine erhohte Tragfahigkeit aus. Um das bei reinem Polyamid auftretende stick-slip-Verhalten zu beseitigen, verwendet man oft Polyamid-Polyethylenmischungen im Verhaltnis 9 : 1, wobei sich deren Belastungsfahigkeit im Vergleich zu glasfasergefullten Polyamidlagern noch um das 4- bis Sfache erhoht, wenn kleine Bleikugeln in die Plasteoberflache eingearbeitet werden. Die gute Dampfungsfahigkeit von PA-Lagern sichert auch bei hoheren Gleitgeschwindigkeiten einen ruhigen Lauf, daher sind sie fur Einsatzfalle mit StoB- und Schwingungsbeanspruchung pradestiniert. Wegen der besonderen mechanischen Eigenschaften wird PA auch fur Zahnrader, Buchsen, Kettenglieder, Kettenrader sowie bewegte Bauteile in Buro- und Haushaltsmaschinen sowie in der Unterhaltungselektronik eingesetzt.

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

41 1

f Wchenpressung p Bild 9.12 Abhiingigkeit der Reibungszahl tlrrclinirrtin und E. Strickle)

,LJ

von dcr Flichenpressung p bei Polyamid (nach / I .

Polyoximetlzylen ( P O M ) Auf Grund der geringen Wasseraufnahme (< 0,06% bei Sattigung) und seiner Dimensionsstabilitat (MaBanderungen durch Quellen oder Schrumpfen sind nahezu ausgeschlossen) ist Polyoximethylen insbesondere fur maBhaltige Lager sehr geeignet. Die Verarbeitung im PrazisionsguB ermoglicht die Fertigung auch komplizierter, spanabhebend nur sehr schwer herstellbarer Formteile, die, falls notwendig, auch mit Metalleinpressungen versehen werden konnen. Zur Verminderung der Reibungszahl enthalten spezielle Lagerwerkstoffe aus Polyoximethylen Molybdandisulfidzusatze oder werden mit PTFE modifiziert. Zahigkeit und Druckfestigkeit lassen sich durch Verstarkung mit Glas, Kohlenstoff oder Aramidfasern sowie mineralischen Fullstoffen verbessern. Polyoximethylen eignet sich ahnlich wie Polyamid fur wartungsfreie Lager auch bei hoheren Belastungen. Mit der Gleitgeschwindigkeit nimmt die Reibungszahl etwas ab und liegt insgesamt niedriger als die von Polyamid. Von der Flachenpressung wird die Reibung dagegen nur wenig beeinflufit, wie aus Bild 9.13 hervorgeht. Der VerschleiB ist geringer als bei Lagern aus Phenolharzen. POM wird auch als Schichtverbund-Lager in der Kombination Stahlrucken/porose Bronze/POM-Laufschicht (z. B. DX-Lager) hergestellt. Mit einmaliger Fettschmierung konnen diese Lagerbis2,5 m/s Gleitgeschwindigkeit bei p . v-Werten von 70 W/cm’ eingesetzt werden. Typische Anwendungsgebiete fur POM sind Gleitlager in der Feinwerktechnik, der Elektromechanik und der Hausgeratetechnik, daneben auch Kugelgelenke, Kettenglieder sowie Lager und bewegte Teile im Automobilbau. Polytetrufliiorethylen (PTFE) Unter den Werkstoffen fur Gleitlager nimmt PTFE eine Sonderstellung ein, die durch die hochste chemische Bestandigkeit und die hervorragenden selbst-

I

I

0 -

0

0,5

1

1,5 MPa 2

25

3

Flachenpressung p Bild 9.13 Reibungszahl p verschiedener Polyoximethylentypen in Abhangigkeit von der Flachenpressung p (nach Firmenangaben) Welle: Stahl geschhffen: Rauhtiefc: 2 his 2.5 jm Gleitgeachwindigkeit: v = 10mimin

schmierenden Eigenschaften gekennzeichnet ist. Sein Schmelzpunkt liegt bei 327 "C; Erhitzen daruber hinaus fuhrt zur thermischen Zersetzung verbunden mit der Entwicklung giftiger Gase. PTFE hat eine niedrige Festigkeit und neigt schon bei sehr geringen Belastungen zum Kriechen. Es ist deshalb ohne Verstarkung durch Fullstoffe nicht anwendbar, mit Ausnahme in Form sehr dunner Schichten. Als Verstarkungskomponenten kommen eine Vielzahl von Stoffen in Betracht. Die wichtigsten sind Glas-, Metall-, Keramik-, Koks-, Graphit- und MoS2-Pulver sowie Metall-, Textil-, Glas-, Polymer- und Mineralfasern. Die Zusatze konnen bis 50% betragen, liegen aber in der Regel zwischen 15 bis 25%. Angaben zu den erreichbaren mechanischen Eigenschaften und zum tribologischen Verhalten sind Tabelle 9.7 zu entnehmen. Uber die Verschleiflfestigkeit in Abhangigkeit von den Verstarkungskomponenten gibt Bild 9.14 Auskunft. Wegen der extrem hohen Viskositat des PTFE ist auch bei hoheren Temperaturen eine Spritzguflverarbeitung nicht moglich. Zur Fertigung von Lagern und Formteilen bedient man sich des Sinterns kaltgepreflter Pulver in Inertgas oder im Vakuum. Mischungen mit nicht so hohen Fullstoffanteilen lassen sich uber spezielle Strangpreflverfahren zu Halbzeugen verarbeiten. Die aufwendigste und teuerste Technologie, das Heiflpressen mit Abkuhlung unter Druck, liefert die besten Ergebnisse hinsichtlich mechanischer Eigenschaften und Verschleiflwiderstand, ist aber wegen der Kosten nur in Sonderfallen praktikabel. Selbst bei hohen Anteilen an Fullstoffen sind die Festigkeitswerte im Vergleich zu anderen gefullten Polymeren relativ gering, weshalb PTFE auch selten als Kompaktwerkstoff fur Lagerzwecke eingesetzt wird. Die verbreitetste Anwendung liegt in der Herstellung dunnschichtiger Verbundwerkstoffe, wobei das PTFE-Gleitgemisch in pastoser Form in eine hochporose, auf Stahlstutzschalen aufgesinterte Sn-Bronze eingebracht wird (Abschn. 9.2.1). PTFE laflt sich auch zu Fasern ziehen, die mit Glas-, Polymer-, (Aramid, Polyamid)

9.2

413

Werkstoffe fur Gleitlager

Tabelle 9.7 Mechanische und tribologische Eigenschaften von PTFE in Abhangigkeit vom Fiillstoff (nach J . K . Lancaster) Eigenschaften

Einheit

Fiillstoffe in Masse-% ohne

15 Glas

12,5 Glas 15 12,5 MoS, Graphit

20 Kohle 5 Graphit

55 Bronze 5 MoS2

Dichte

g/cm3

2,2

2.19

2,3

2,12

2,1

3,9

Zugfestigkeit

MPa

9

17,5

13

9s

11,6

13

Dehnung

%

400

300

230

130

70

90

kontinuierlich

11

4

8,1

2.9

4.6

Deformation bei YO 14 MPa und 25 "C thermischer Ausdehnungskoeffizient

1WK

17

12,l

11

12,5

8,4

10,l

Warmeleitfahigkeit

W/m K

0.25

0,43

0,51

0,45

0,44

0,72

0,l

0,09

0.09

0,12

0,12

0,13

0,4 0,6 0,9

3,3 3,9 5,O

5,O 62 62

3.5 6,O 9s

5,3 5,3 42

4,4 4,4 4.4

Reibungszahl p p . v-Wert bei 0,05 m/s bei 0,5 m/s bei 5 m/s '1

W/cm2

gegen Stahl bei 0.01 mls Gleitgeschwindigkeit

-3

n

A

A

+

Bild 9. I4 Verschleiherhalten von PTFE-Verbundwerkstoffen beim Lauf gegen unlegierten Stahl (Rauhlgkeit - 0,15 pm) im Vergleich zu ungefulltem PTFE (nach D.C. Evans und J K . Lancasrer)

414

9

Gleit- und Lagerwcrkstoffc

oder anderen Fascrn verwebt auf einen Triigerwerkstoff (Stahlrucken, Glasfaseroder Epoxidharztriiger) aufgebracht, sehr leistungsfiihige und schmierungsfreie Lager ergeben. Solche Lager (Handelsname: GAR-MAX) sind bis 0.13 m/s Gleitgeschwindigkeit bei p . v-Werten bis 90 W/cm' einsetzbar. Bei Mischreibung (z. B. Fettschmierung) ist die Beanspruchbarkeit hiiher und die Reibungszahl sehr niedrig. Die miigliche groBe Belastung bis 200 MPa, der Einsatzbereich von -100 bis 160°C und die hohe Schlagfestigkeit lassen cine Anwendung auch bei sehr rauhern Betrieb zu. Beispiele hierfur sind: Baurnaschinen. Bagger, Landmaschinen, Achsschwing-, Achsschenkel- und Bolzenlager [9.16]. Polwtliylen ( P E ) Fur Gleitbeanspruchungen wird sowohl Hochdruckpolyethylen ( H D P E ) als auch Niederdruckpolyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht ( U H M W P E ) zwischen 3 his 6Millionen angewendet [9.17]. H D P E hat nur eine geringe Dauerdruckbestandigkeit, ist jedoch mittelmaBig stofibeanspruchbar. P E nimrnt kein Wasser auf und wird daher fur Gleitlager in feuchten Bereichen bzw. direkt im Wasser (auch fur sandfuhrende Gewasser) eingesetzt. Anwendungsbeispiele sind Lager fur Maschinen der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie, fur StraBen- und Landmaschinen, Pumpen und FGrdereinrichtungen sowie irn Chemieanlagen-Bereich. PE ist auch fur tiefe Temperaturen ei nse t z bar. Das wesentlich aufwendiger herzustellende und deshalb deutlich teurere UHMWPE hat sich besonders fur den Einsatz in Humanimplantaten bewahrt. Hier hat die Verwendung von UHMWPE zu einem Durchbruch in der Huft- und Kniegelenkprothetik gefuhrt. Bei 95% aller kunstlichen Huftgelenke wird UHMWPE auf der Pfannenseite verwendet, wobei die als Gegenpartner auftretenden Kugeln entweder aus Kcramik (A120,,Zr02)oder Metallcn (Ti- und CoCr-Mo-Legierungen. seltener noch Cr-Ni-Stahl) hergestellt werden [9.19]. Aus klinischen Erfahrungen geht hervor, daR der VerschleiB bei dcr Kombination Metall/ UHMWPE bis etwa 500,um/a betragen kann, wahrend bei A1203/ UHMWPE etwa 20 bis 100,umla ermittelt wurden [9.20]. UHMWPE wird durch HeiBpressen oder Strangpressen mit hohern Druck hergestellt. Es hat einen hohen Kristallisationsgrad, der fur den groBen RIB- und Durchdringungswiderstand sowie die extreme StoRbelastbarkeit rnitverantwortlich ist. Die VerschleiBfestigkeit ist hoch (der Abrasionswiderstand ist 1Ornal hoher als der von weichem Stahl), und die Reibungszahl bleibt auch bei unterschiedlichen Belastungen niedrig.

Polyimide fallen ,je nach Herstellungsverfahren sowohl als Thermoplaste, als auch als Duromere an. Sie sind hochtemperaturbestandig und konnen bis 260°C auf Dauer, kurzzeitig sogar bis 480°C beansprucht werden, lassen sich aber auch fur sehr tiefe Temperaturen einsetzen. Ihre Herstellung erfolgt durch HeiRprcssen zwischen 260 his 450°C oder durch Kaltpressen von Pulver und nachfolgendes Sintern. Als Fullstoffe kommen vorzugsweise Graphit und PTFE in Betracht. Polyimide kiinnen uber die Sintertechnik auch als poriise Materialien, ahnlich wie metallische Sinterwerkstoffe (Abschn. 9.2.4) gefertigt werden. Mit flussigen Schmiermitteln getrankt. erhalt man sehr leistungsfahige Lagerwerkstoffe. Hervorzuheben ist die hohe Ermudungsfestigkeit (bei RT l o 7 Zyklen bei einer Bela-

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

415

stung von SO MPa). Einsatzbeispiele sind Kolbenringe, Lager in Kopierern und Buromaschinen sowie gleitbeanspruchte Teile in der Raumfahrt. Zunehmend genutzt werden die hochfesten Aramidfasern, welche aus aromatischen Polyimiden bestehen. Sie haben eine niedrige Dichte, sehr hohe Zugfestigkeit, eine metallahnliche Zug-Druck-Charakteristik, gewisse gleitfordernde Eigenschaften und sind von -190 bis 200°C einsetzbar. Haufig werden sie als Verstarkungselemente fur polymere Lagerwerkstoffe, in Friktionswerkstoffen und in vielen tribologisch beanspruchten Bauteilen verwendet Polyetheretherketone ( P E E K ) PEEK ist fur die Anwendung bei relativ hohen Temperaturen geeignet. Der Schmelzpunkt liegt bei 335 " C und der Glasumwandlungspunkt bei 143°C. Die mechanischen Eigenschaften sind hoch und bewegen sich in der GroBenordnung von Bronze; mit Glas- oder Kohlefaserverstarkung konnen sie noch weiter angehoben werden. Der Werkstoff hat eine gute Strahlenresistenz, ist aber relativ leicht entflammbar. Mit 30% Kohlenstoffaser-Zusatz wird das Maximum der Steifigkeit erreicht, die mit der besten Tauglichkeit als Lagerwerkstoff verbunden ist. Zusatze von Schmiermitteln und/oder PTFE vermindern die Reibung und verbessern das Gleitverhalten deutlich [9.21]. PEEK 1aBt sich leicht auch zu komplex geformten Teilen gieBen. Vorzugsweise wird es fur Gleitteile in der Luftfahrt angewendet und ersetzt wegen seiner guten tribologischen Eigenschaften bei hoheren Temperaturen zunehmend Aluminium. Polyalkylenterephthalute (Polyethylenterephthalat PE TP; Polyhiitylenterephthulat P B T P )

Ihre Harte bewegt sich in der GroBenordnung von POM, fallt jedoch bei Temperaturen uber 70°C deutlich ab. Reibung und VerschleiB sind bis zu dieser Temperatur sehr niedrig und weitestgehend unabhangig von Gleitgeschwindigkeit und Belastung [9.22]. Die Feuchtigkeitsaufnahme ist sehr gering. PETP und PBTP werden als Gleitlager bis 7 0 ° C fur Trockenlauf und Mangelschmierung angewendet. Ihr Einsatz liegt in Lagern der Feinwerktechnik und in Unterwasseranlagen, als Fuhrungsbuchsen fur Gestange sowie Gleitlager fur oszillierende Bewegungen. Zusammenfassend wird in Tabelle 9.8 eine Ubersicht uber mechanische und physikalische Eigenschaften der in den vorstehenden Abschnitten behandelten Thermoplaste aufgefuhrt, wobei die angegebenen Fullstoffkomponenten im wesentlichen den handelsublich verwendeten Kombinationen entsprechen. Bild 9.15 zeigt das Reibungsverhalten von ungefullten Thermoplasten gepaart mit einer 100Cr6-Stahlscheibe (v = 0,l m/s; p = 130 N/cm2) nach Untersuchungen von Czichos und Feinle [9.10]. Die Leistungsfahigkeit von Polymeren mit Fullstoffen ist aus Bild 9.16 anhand der p . v-Werte ersichtlich [9.17]. Die Werte entstammen verschiedenen Quellen, bzw. variierenden Versuchsbedingungen, so dal3 sie nur einen vergleichenden Charakter haben. Elastomere Das gummielastische Verhalten der bereits eingangs dieses Kapitels genannten Elastomere und die damit verbundene sehr hohe Dampfung und StoBbelastbarkeit, die gute chemische Bestandigkeit sowie die im nassen Zustand verhaltnis-

+ Graphit

'1

Zersetzungstemperatur

Ararnidfaser (PI)

PEEK

UHMWPE

Faser

gepreRt

-

-

gesintert

+ 40% Graphit

PI

PI + Kohlenstoff und Graphit

gesintert

+ 15% Graphit

PI

40

-

24.1 2.58

120

0,69

10,34

4,14

3.45

2.76

207

41

57

so

62

35

83

62

-

50

20

gegossen

PA 66

2.07

159

15

gegossen

34

PA 6

1.38

18

13.8

6,89

5

76

35

1.93

GPa

MPa

57

E-Modul

Zugfestigkeit

-

-

gepreRt

gegossen

geprel3t

Harte HV

gepreRt

+ Kerarnik

+ PTFE

Herstellung

PTFE faserverstarkt

PTFE

POM

POM

Material

13

1,43

9,60

1.52

1,38

1,38

1.11

1,38

2,49

1,90

1,46

1.40

g/cm'

Dichte

Tabelle 9.8 Mechanische und phvsikalische Eigenschaften von Polvmeren (nach 19.171)

0,21 0,21

0,35

-

5.71

5,71

0.35

0,35

-

0.35

0,67

-

W/rn. K

Warrneleitfahigkeit

2 4

7,02

6

2.34

63

9.3

9

2.34

1,234

3.9

-

-

334

135

365

3651)

365l)

260

220

-

-

175

170

therrnischer SchrnelzAusdehnungs- punkt koeffizient 1W/K "C

1.17

1.84

-

-

1

2.08

1,67

-

0,96

-

-

J/kg . K

Warrnekapazitat

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

417

o's

Bild 9.15 Reibungsverhalten von ungefullten Thermoplasten (nach H . Czichos u. G. Feinle) Polymertyp

225 200

-

175 wcm2

150

$

-

125-

5

;z

100-

75 5025 -

PES = polvethersulfon PUR =Fv&urethan PEEK = Po/yetheretherketon

Bild 9.16 Leistungsfahigkeit (p . v-Werte) von fiillstoffverstarkten Polymeren

418

9

Gleit- und Lagerwcrkstolfe

miil3ig iiiedrige Reibung lassen die Anwendung verschiedener Elastomere fur spezielle Lagerzwecke vorteilhaft erscheinen. Auf Grund der hohen Widerstandsfiihigkeit gegen den Einflul3 von Wasser. besonders auch gegen Seewasser. der guten Korrosionsbestandigkeit, des geringen VerschleiRes bei Wasserschmierung und der Fahigkeit, harte Verunreinigungen ohne wesentliche Wellenschadigungen durch das Lager zu fuhren, werden verschiedene Gummisorten in spezifischen Llnterwasseranlagcn als Gleitlagerwerkstoff benutzt. Das Auswcichen dcr Gummibuchse wird durch einen entsprechenden Einbau in Metall- oder Polymerhulsen bzw. uber haftfestes Aufvulkanisieren auf eine Stahlstutzschale vermieden. Besonders erwahnenswert ist in diesem Zusammenhang das Polyurethan (PUR), das als breite Produktpalette von Duromcrcn uber Thermoplaste bis zum weniger kreuzvernetzten Elastomer hergestellt werden kann. Die hohe Zahigkeit und das ausgezeichnete Abrasivverhalten sowie die beachtliche chemische Resistenz fuhren zur bevorzugten Anwendung fur stoBbeanspruchte Lager in verunreinigten Flussigkciten und Chemikalien.

9.2.6 Andere Gleitwerkstoffe GI $ciscw Fur Gleitzwecke und als Lagerwerkstoff hat sich fur bcstimmtc Einsatzgebiete GuBeisen mit Graphitcinlagcrungcn bcwahrt. Typische Beispiclc sind Cilcitbahncn f u r Werkzcugmaschinen oder Kolhenringe und Zylinderlaufbahncn fur Verbrennungsmotoren. Da die guten Gleiteigenschaften auf dcr Wirkung des eingeI age r t e n G rap h i t s be r u h e n k o m m e n f ur G 1ei t zwec ke G u Re i sc n sort e n mi t Gehalten v o n 3.2 his 3.8% C in Betracht. Der Graphit wird sehr fcinvertcilt auf die Gleitflachcn ubertragen und vermindert den adhasiven Kontakt zwischen den Partnern und vorzeitiges Fressen. Dabei oberflachlich ausgeriebene Graphiteinlagerungen lasscn feine Vcrticfungen zuruck, die als Olrcscrvoire dienen und bcsonders das Anlaufverhalten verbessern. Durch die im Gefuge eingelagerten Graphitlamellen weist GuBciscn auBcrdem eine gute Diimpfung auf. Neben dem Graphit spielt auch die Gefugeausbildung der Grundmasse cine Rolle. Ferritische und austenitische Gefugebestandteile eignen sich infolge der grCiUeren adhiisiven Ncigung weniger gut fur Gleitzwecke. Wesentlich leistungsfiihigcr und vcrschleiBfcster sind Qualitaten mit vorwiegend perlitischem Gefuge. Gunstig ist auch ein gewisser Phosphorgehalt. wodurch sich ein Phosphidnetzwerk ausbilde t . d a s e i ne t r ag k ri st a I1a r t i ge Wi r k u ng wi e be i den We i Om e t a I I - Lager we r k st of fen entfaltet (s.a. Abschn. 9.2.1 ). Neben dem vorzugsweise verwcndeten GuReisen mit Lamcllcngraphit ist auch dcr Einsatz von GuBeisen mit Kugelgraphit und im Falle der hochgekohlten Sorten. v o n TemperguU fur Gleitelcmcntc miiglich. Fur untergeordnete Zwecke wird GuBeisen fur Lagerschalen im Austausch gcgcn Bronze eingesetzt. Dabei ist zu beachten, daB GuBciscn cin schlechteres Einlaufverhalten aufweist, und daB hohe Kantenpressungcn vermieden werden mussen. Als oberste Grenze der Belastbarkeit werden bei guter Olschmierung Lagerdrucke bis 5 MPa, bci Fcttschmicrung bis 2 MPa angegeben. Die Gleitgeschwindigkeiten belaufen sich bis max. 3 m/s, wobei p . v-Werte v o n 750 W/cm2 nicht uberschritten werden durfen. Solchc GuBeisenlager werden hauptsachlich in (ifter unterbrochen laufende Maschinen eingesetzt. z.B. Kriine. Hcbezeuge und Transporteinrichtungen.

.

.

9.2

Werkstoffe fur Gleitlager

41Y

Kohlenstoff- itnd Graphitwerkstoffe Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe lassen sich hinsichtlich ihres tribologischen Verhaltens in weiten Bereichen modifizieren. Als Ausgangsmaterialien fur die Lagerherstellung kommen Graphite, Kokse und RuBe in Betracht. Sie werden mit Bindern (z. B. Pech, Kunstharzen) sowie Mineral- und Impragnierstoffen gemischt, gepreBt und einer Hochtemperaturbehandlung unterworfen, wodurch sich der gr6Rte Teil der anderen Kohlenstoffmodifikationen in Graphit umwandelt. Bei Verwendung vorwiegend graphitischer Ausgangsrohstoffe kommen auch HeiRpreBverfahren zur Lagerherstellung in Anwendung. Meist werden die poros hergestellten Rohlinge zur Verbesserung der Gleiteigenschaften mit Polymeren (PTFE, Duromerharzen), flussigen Metallen (WeiBmetalle, Zinn, Blei, Antimon) oder Festschmiermitteln (MoS,) getrankt. Je nach Herstellung der Rohlinge lassen sich bis zu 7% Polymere und bis zu 30% Metalle einbringen. Durch Impragnieren mit flussigem Silicium und die anschlieljende Umwandlung in S i c sind leistungsfahige Silicium-Graphit-Verbundwerkstoffemit hoher Verschleififestigkeit realisierbar. Kohlenstoff-Gleitwerkstoffe zeichnen sich durch folgende charakteristische Eigenschaften aus: 0

0

0

0 0

Hohe Temperaturbestandigkeit (an Luft von -180 bis SSO"C, in nichtoxidierender Atmosphare bis uber 1000°C) Kaum temperaturabhangige mechanische Eigenschaften und hohe Druckfestigkeit. Geringe thermische Ausdehnung bei Warmeleitfahigkeiten in der GroBenordnung von Metallen Sehr kleiner E-Modul. Ausgezeichnete Bestandigkeit gegen Chemikalien. Sauren und Laugen mit Ausnahme stark oxidierender Stoffe.

Die Kohlenstoff-Graphit-Werkstoffe werden in der Praxis in ahnlicher Weise wie selbstschmierende Metall-Graphit-Verbunde verwendet, z. B. als trockenlaufende Lager in Trocknungsanlagen, Ofen, Verdichtern, Forderbandern usw. Bevorzugten Einsatz finden sie in der chemischen Industrie fur Pumpenlager. Als Gegenwerkstoffe kommen in Flussigkeiten und aggressiven Medien vorzugsweise austenitische GuBwerkstoffe, Cr-Ni-Stahle, hartverchromte Stahle, Stellite, Keramiken oder Cermets in Frage. Die mittlere Rauhigkeit der Wellenwerkstoffe sol1 0.2 bis 0,4pm betragen. Kerarnische Werkstoffe Mit der Weiterentwicklung von keramischen Werkstoffen wird auch ein zunehmendes Anwendungspotential fur tribologisch beanspruchte Bauteile erschlossen. Besondere Vorzuge sind ihre geringe adhasive Neigung gegenuber metallischen Partnern, der hohe VerschleiBwiderstand, die beachtliche Temperaturbestandigkeit, die sehr gute chemische Resistenz in neutralen und oxidierenden Atmospharen auch bei hoheren Temperaturen, die relativ niedrige Dichte und ihre gute Verfugbarkeit. Als nachteilig ist die geringe Zahigkeit und oftmals eine noch zu groBe Streuung der Festigkeitseigenschaften zu nennen. Bevorzugte Einsatzbereiche fur Gleitbeanspruchung sind Gleitlager, Gleitringdichtungen, Kolben, Ventilteile, Plunger, Fuhrungselemente, Umlenkrollen u. a. in der chemischen Industrie, im Maschinen- und Anlagenbau, fur Gasturbinen, im Reaktorbau, in der Raketentechnologie und Raumfahrt, in der Textil-, Landmaschi-

420

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

nen-, und Drahtziehtechnik, im Industrieofenbau, fur Armaturen usw. Bei Verbrennungsmotoren werden keramische Materialien zunehmend fur Pleuellager, Ventilfuhrungen, Nocken, Kolbenringe, Fuhrungsbolzen u.a. verwendet. Besonders zu erwahnen ist auch der Einsatz von AI2O3-und Zr02-Kugeln in Huftgelenkimplantaten mit ultrahochmolekularem Polyethylen als Gegenwerkstoff (s.a. Abschn. 9.252). Die am haufigsten fur Gleitzwecke eingesetzten keramischen Werkstoffe sind auf Basis von Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Siliciumcarbid und Siliciumnitrid hergestellt (nur fur untergeordnete Zwecke wird noch Hartporzellan verwendet). In Tabelle 9.9 sind die wichtigsten Eigenschaften ausgewahlter Werkstoffe zusammengestellt.

Tabelle 9.9 Eigenschaften von keramischen Werkstoffen (nach 19.171) Eigenschaft

Einheit

Harte H V

Werkstoff A1203

Quarzglas

Sic

Si,N,

ZrOz

1 500

-

2700

1300

1400

110

103

524

2399 -

Zugfestigkeit

MPa

262

E-Modul

GPa

372

72.4

397

310

Bruchzahigkeit

MPam”’

3

0.68

4,6

4

10

Dichte

dcm?

3,88

2.49

3.04

3.04

5.54

Warmeleitfahigkeit

W/m K

34.6

1.56

147,OS

30

502

thermischer Ausdehnungskoeffizient

10WK

7.1

-

2,3

8,1

10

Warmekapazitat

Jig K

0.13

1.26

1,05

0,85

-

1760

1644

1649

1482

-

max. Einsatztemperatur “ C

Im Trockenlauf werden keramische Werkstoffe fur Gleitzwecke nur selten angewendet (Ausnahmen Fuhrungselemente in der Textil- und Drahtziehtechnik). Bei Paarungen Keramik/Keramik oder Keramik/Metall sind sehr hohe Reibungszahlen zwischen p = 0,4 bis 0,s zu beobachten. Durch Schmierung mit Wasser, Sauren und Laugen sowie speziellen Olen erhalt man Reibungszahlen, die sich nicht wesentlich von denen metallischer Paarungen unterscheiden I9.51. Besonders gunstige Gleitverhaltnisse lassen sich mit den Kombinationen Z r 0 2 / Stahl und Dispersionskeramik (A120, mit Zusatzen von Z r 0 2 und TiC)/Stahl erreichen. So liegen die Reibungszahlen bei max. p = 0,OS im Gleitgeschwindigkeitsbereich bis 4m/s [9.23]. Vorteilhaft ist auch, dalj im Gegensatz zu metallischen Gleitpaarungen, bei denen sich im Falle der Uberbeanspruchung die Reibungszahlen durch Fressen sprungartig erhohen, bei kritischen Uberbelastungen keramischer Werkstoffe ein relativ langsames Ansteigen der Reibungszahlen beobachtet wird. Generell konnen mit keramischen Gleitpaarungen keine wesentlich hoheren Tragfahigkeiten gegenuber Metallwerkstoffen erzielt werden. Der VerschleiS von Gleitelementen der Paarungen Keramik/Stahl, Keramik/Keramik und Keramik/Polymer ist jedoch gegenuber den rein metallischen Varianten oft deutlich geringer.

9.3

Anforderungen an Walzlagerwerkstoffe

42 1

9.3 Anforderungen an Walzlagerwerkstoffe Wegen der ganzlich anders gearteten Belastung des Werkstoffes in einem Walzlager werden an Walzlagerwerkstoffe auch andere Anforderungen als an Gleitwerkstoffe gestellt. Beim Abwalzen der Kugeln, Rollen oder Nadeln auf den Innen- und AuBenringen des Walzlagers treten nur punkt- bzw. linienformige Beruhrungen auf (Bild 9.17), im Verlaufe derer der Werkstoff hohen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt ist. Die Spannungsspitzen konnen Werte von 1000 bis 3000 MPa erreichen [9.27]. Daruber hinaus werden Walzkorper und Laufflachen auf Reibung und VerschleiB beansprucht. Bei entsprechender Betriebsdauer fuhren der millionenfache Lastwechsel und die Reibung zur Ermudung des Werkstoffes an den Beruhrungsflachen, die mit anschlieBender Zerstorung des Lagers durch Grubchen- und Pittingbildung oder Abblattern und Schalen an den Laufoberflachen verbunden ist.

Bild 9.17 Kugellager (links), Nadellager (Mitte), Rollenlager (rechts)

Damit auch bei auftretenden Spannungsspitzen die Laufflachen sich nur elastisch verformen, mu13 der Werkstoff eine ausreichend hohe Harte und eine sehr gleichmaBige Harteverteilung aufweisen. Einschlusse und Storstellen (nichtmetallische Teilchen, ungleichmanige Carbidverteilung, Poren), vor allem wenn sie in oder dicht unter der Oberflache der Laufbahn in der Zone der groBten Druck-, Zug-, oder Scherspannung liegen, bilden Ausgangspunkte fur Ermudungsbruche und fuhren zur schalenformigen Abtrennung von VerschleiBpartikeln. Besonderes Anliegen der Werkstofftechnik ist es, diese ,,inneren Kerben" in Anzahl und GroBe weitgehend zu reduzieren und ihre Verteilung so gunstig wie moglich zu gestalten. Dabei werden in erster Linie hohe Anforderungen an die Technologie der Stahlerzeugung gestellt. Wichtig ist auch, daB eine sorgfaltige Prufung von Walzlagerstahlen, insbesondere des mikroskopischen Reinheitsgrades auf Einschlusse (Sulfide, Oxide, Silicate u. a.; - siehe hierzu auch Stahl-Eisenprufblatt 1570/71 und DIN 50 602) erfolgt. Neben einer geeigneten chemischen Zusammensetzung und weitgehender EinschluBarmut der Walzlagerstahle sind die Art und Homogenitat des Gefuges, der Eigenspannungszustand und eine gute Bearbeitbarkeit von Bedeutung. Hohe Anspruche sind auch an die Weiterverarbeitung und Warmebehandlung zu stellen. Neben der gewunschten Harte und einer gleichmaljigen Harteverteilung ist der Erhalt einer bestimmten Restduktilitat erforderlich. Angestrebt wird der Aufbau gunstiger Druckeigenspannungen im Gefuge sowie die Vermeidung von Restaustenit, da dieser zur Verminderung der Lebensdauer und einer allmahlichen MaBveranderung fuhren kann. Walzlagerkafige haben die Aufgabe, die Beruhrung der Walzkorper untereinander zu verhindern; sie fungieren als Abstandshalter. Zusatzlich sollen sie die durch Geschwindigkeitsanderungen der Walzkorper hervorgerufenen StoBe aufnehmen. Als Kafigwerkstoffe werden Stahl, Kupferlegierungen, Leichtmetalle und Polymere eingesetzt.

422

9

Gleit- und Lagcrwerkstoffe

9.4 Werkstoffe fur Walzlager Fur die Herstellung von Walzlagern haben sich als Standardwerkstoffe niedriglegierte Chrom- und Chrom-Mangan-Stahle mit schwach iibereutektoidischem Kohlenstoffgehalt bewahrt. In Sonderfallen kommen korrosionsbestandige und warmharte Stahle (Schnellarbeitsstahle) mitunter auch Keramiken. vorzugsweise Si3N,, in Frage. AuBerdem sind legierte Einsatz- und Vergutungsstahle in Anwendung. Um den Schlackegehalt so niedrig wie moglich zu halten, erfolgt die Erschmelzung der Walzlagerstahle generell im Lichtbogenofen. Daran schlieBt sich ein Refining im Pfannenofen an, wodurch bereits gute Reinheitsgrade erreicht werden. die fur die allgemeinen Anwendungen ausreichen. Bei besonders hohen Anforderungen an Reinheit und GleichmaBigkeit des Stahles sind spezielle Technologien wie die Vakuumentgasung, Vakuumschmelzverfahren, Elektroschlacke-Umschmelzverfahren. das StranggieBen u. a. im Einsatz. Sauerstoffgehalte unter lOppm sind heute oft schon die Regel. Auch die fur eine vorzeitige Ermiidung und damit Lebensdauerbegrenzung hauptverantwortliche Menge an Einschlussen konnte kontinuierlich gesenkt werden, wie aus Bild 9.18 zu erkennen ist. In Tabelle 9.10 ist eine Auswahl der wichtigsten fur Walzlager verwendeten Stahle zusammengestellt.

f3ild 9.IX Entwicklung dcs Rcinheitsgrades

1980

1982

1984

1986

1988

I990

v o n durchhlirtendcn Wiilzlagerstihlen (nach [9.25])

9.4.1 Niedriglegierte durchhartende Cr- und Cr-Mn-Stahle Der niedriglegierte iibereutektoidische Cr-Stahl 100Cr6 (s. Tab. 9.10) wird seit seiner Einfiihrung um die Jahrhundertwende [9.30] in nahezu unveranderter chemischer Grundzusammensetzung als Standard-Kugellagerwerkstoff weltweit verwendet. Beziiglich der Reinheit, des Gasgehaltes und der nichtmetallischen

max.0.25

max.0,40

1.3533 0,15/0,20

1.3561 0,4210.48

1.3565 0,46/0.52

1.3541 0.42/0.50

1.3543 0,95/1.10

1.355 1 0,7710.85

1.3553 0.7810.86

17NiCrMo14

4402

48CrMo4

X45Cr 13

X102CrMo17

80MoCrV42-I6

X82WMoCrV6-5-4

GKZ gcgluht

max.1,00

1.3521 0,1410.1Y

17MnCr5

21

max.0.40

1.3537 0,9011 .05

100CrMo7

Anhaltsangahcn

max.0,40

1.3520 0,90/1.05

100CrMn6

I)

0.1 510,35

1.3505 0.90/1.05

100Cr6

max.l.OO

max.0.04

max.0.04

0.2010.40

0,5010.70

0.1510.35

1.3501 0.90/1,05

Si

100Cr2

C

W.-Nr.

Werkstoff

max.0.40

max.0,35

max.1.00

max.1.00

0.50/0,80

0,40/0,70

0,4010.70

1,0/1,30

0,25/0,45

1.0/1,20

0.2510.45

0.2510.45

Mn

Tabelle Y.10 Auswahl von Walzlagerstahlen fnach 19.371)

S max.

Cr

0.04

0,04

0.04

0.04

0,03

0.03

0.03

0,02

0.03

0,02

Warmharte Stahle

0,04

0,04

3.814.5

3,7514.25

16,0118,O

12.5/14.5

0.90/1.20

0.4010.60

1.30/1,60

0.80/1,10

1,6511 ,Y5

1.4011.65

1,35/1,65

0,40/0,60

Nichtrostende Stahle

0.03

0,03

Vergiitungsstahle

0.04

0,04

0,03

0,03 Einsatzstahle

0.03

0,03

0.03

0.03

0,03

0.03

Durchhartende Stahle

P max.

4.7/5.2

4.0/4.5

0,35/0.70

-

0.15/0,30

-

0.15/0,25

-

0,15/0,25

-

-

-

Mo

Chemische Zusammensetzung in Masse-%

-

max. 0.50

max. 1.00

-

-

3,2513.75

-

max. 0,30

1.70/2,00 V 6.00/6,70 W

0.9011,lO V

max. 0.30 Cu

248

248

255

248

255

rnax. 0,30 Cu

rnax. 0.30 Cu

255

241

max. 0.30 Cu

rnax. 0.30 Cu

170

2 1721

rnax. 0,30 Cu

rnax. 0,30 Cu

2172'

max. 0.30 Cu

2072,

max. 0,30 Cu

max. 0.30 max. 0.30

20721

max. 0.30 C u

Sonst.

max. 0.30

Ni

Harte HBIj gegliiht

424

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

Einschlusse wurden jedoch groBe Fortschritte erzielt, wodurch die Lebensdauer der Walzlager auf ein Vielfaches angehoben werden konnte. Der 100Cr6 zeichnet sich durch gute Gluhbarkeit und problemlose Hartbarkeit bei ausreichender Bearbeitbarkeit aus. Der Kohlenstoffgehalt von ca. 1 YO bewirkt zusammen rnit dem Cr-Zusatz die Ausbildung von sehr feinkornigen perlitischen Gefugen und die Ausscheidung von feinverteilten Restcarbiden. Ausgangspunkt fur alle Arbeitsprozesse, spanloses oder spanabhebendes Umformen sowie den nachfolgenden HarteprozeB bildet das voll auf kugeligen Zementit gegluhte Gefuge (GKZ-Gluhung). Es wird deshalb immer eingestellt, wobei die als Keime wirkenden Sekundarcarbide gemeinsam rnit dem Cr-Gehalt beim GluhprozeB das feinkornige Gefuge bedingen. Auch beim Erwarmen auf Austenitisiertemperatur entstehen daher feine und gleichmaBige Austenitkorner, die fur kurze Diffusionswege sorgen und bei der Abkuhlung zusammen rnit den durch Cr stabilisierten und deshalb nicht aufgelosten Carbiden wiederum feine martensitische Hartegefuge bedingen, welche auch bei voller Harte noch eine gewisse Zahigkeit und damit ein sehr gunstiges Walzermudungsverhalten aufweisen [9.31]. Fur den groBten Teil der Anwendungsfalle wird martensitisch gehartet, d. h. Erwarmen auf Austenitisiertemperatur (830-870°C) rnit nachfolgendem Abschrecken, vorzugsweise in 01,fur sehr dickwandige Stucke mitunter auch in Wasser. Fur Teile rnit groBeren Wanddicken kommen die besser durchhartenden Stahle 100CrMn6 oder 100CrMo7 (s. Tab. 9.10) zur Anwendung. Nach dem Harten enthalt das Gefuge des 100Cr6 noch zwischen 7 bis 15 Vol-% Restaustenit [9.31]. Wird der Werkstoff irn Walzlager Temperaturen uber 100°C ausgesetzt, entstehen temperatur- und zeitabhangige MaBanderungen durch Umwandlung der metastabilen Gefugeanteile, die zwischen 10 bis 100pm/100mm liegen konnen [9.32]. Deshalb ist ein Anlassen auf Temperaturen von 150 bis 180°C obligatorisch, urn den Restaustenitanteil zu vermindern und Spannungen abzubauen. Die zur Senkung des Anteils an Restaustenit oft propagierte Abkuhlung auf Temperaturen unter 0 ° C (Tiefkuhlung) verschlechtert beim 100Cr6 die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zahigkeit und Ermudungsfestigkeit nachhaltig und wird deshalb nicht mehr angewendet [9.32]. Eine bereits praktizierte neue technologische Variante ist die Wassernachkuhlung, wobei nach der Austenitisierung die Teile zunachst in 01 abgeschreckt und unrnittelbar danach in Wasser (15-20°C) nachgekuhlt und normal angelassen werden. Bild 9.19 zeigt die verbesserte Mafistabilitat von mit Wasser nachgekuhlten und angelassenen Proben, die unterschiedlich lange bei 220°C ausgelagert wurden, gegenuber dem herkommlich geharteten Material. Neben der martensitischen Hartung wird zunehmend auch bainitisch vergutet, wobei nach der Austenitisierung ein Abschrecken im Warmbad (z. B. Salzbad) rnit einer Temperatur von 210 bis 250°C erfolgt. Das sich ergebende bainitische Gefuge enthalt praktisch keinen Restaustenit und weist deutlich gunstigere Zahigkeitswerte auf. Man erreicht eine um 30% hohere dynamische Bruchzahigkeit und einen betrachtlich vergroRerten Schwellenwert der Spannungsintensitat fur die RiBausbreitung. Verantwortlich hierfur sind die sehr feine Carbidverteilung, die sich im unteren Bainitgebiet einstellt, und die im Randbereich aufgebauten Druckeigenspannungen. Neben 100Cr6 werden vorzugsweise auch die hoherlegierten durchhartbaren Walzlagerstahle in der Bainitstufe umgewandelt. Bei Walzlagereinheiten, die gleichzeitig Bauteilfunktionen ubernehmen und

9.4

Werkstoffe fur Walzlager

425

+ I00

prn/l OOrni kon venbonelle HBrtebehandlung

+80

P,

c 3 +60

C E:

D 3 (D

.,

C

al

+40

m

4

Wassernachkuhlung

+20

+O

I

2

0

4

I

6

h

8

10

Auslagerungsdauer Bild 9.19 MaRanderungen des Stahles 100Cr6 beim Auslagern bei 220°C (nach [9.31])

T

36 MPa .n3" 34 .% al Y

. 9 E

3

s2

32-

Ul

co .Y

9)

30-

E

(D

5 D

28-

26

-

24 820

L

840 850 Austenitisierternperatur

830

860

OC

870

Bild 9.20 EinfluR von Austenitisiertemperatur und Vorverformung auf die Zahigkeit von martensitisch gehartetemstahl 100Cr6 (nach [9.36])

426

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

daher hohe Zahigkeit aufweisen mussen, ist das induktive Harten der Walzlager1a u fba hn an geze i gt . Die Harte wird je nach Anwendungsfall auf 58 bis 65 H R C eingestellt, wobei die hiichsten Harten nur bei idealen Schmierverhaltnissen und sehr hohen Flachenpressungen anzuwenden sind. Die Harte selbst beeinflul3t die Lebensdauer nicht signifikant, vielmehr bieten Werkstoffzustande mit hohem Widerstand gegen plastische Verformung die hochste Ermudungsfestigkeit. Beispielsweise kann durch eine Kaltverformung im weichgegluhten Zustand vor dem Harten eine deutliche Verbesserung der Zahigkeit erreicht werden, wie aus Bild 0.20 erkennbar ist. Die bei der zyklischen Wiilzbeanspruchung im Lager auftretenden hohen Spannungen (bis uber 3000 MPa) verursachen langzcitlich Gefugeanderungen im Werkstoff der Ringe und Walzkorper unterhalb der Laufbahn in der Zone maximaler Beanspruchung. Als Folge einer akkumulierten Mikroverformung bilden sich stark spannungsbehaftete Gefugeorientierungen (Texturen) innerhalb besagter Bereiche aus, die schlieBlich ihre Lebensdauergrenze erreichen und durch RiBausbreitung zu Ermudungsbruchen fuhren. Zusatzliche Stiirstellcn, wie Einschlusse verkurzen diesen Vorgang ganz erheblich. Fur sehr grolk Kugellager konnen durchgehartete Stahle wegen des Auftretens hoher tangentialer Zugspannungen nicht verwendet werden. Einsatzstahle, wie 17NiCrMol4 sind bei mittelgrofien und auch sehr groRen Lagern (z. B. bis 2 5 m und uber 10 m Durchmesser) in Anwendung, wobei bei sehr groBen Durchmessern geteilte Ringe Verwendung finden. Fur GroRlager, wie sie in Baggern, Kranen, Tunnelvortriebmaschinen, Erdolturmen usw. vorkommen. geht man auch von gewalzten Ringen aus Vergutungsstahlen, beispielsweise 48CrMo4 aus. die flammen- oder induktionsgehartet werden [9.33].

9.4.2 Nichtrostende Stahle Da die Korrosionsbestandigkeit der Stahlsorten 100Cr6 und 100CrMn6 relativ gering ist, mussen Lager, die einer starkeren Korrosionseinwirkung ausgesetzt sind, aus nichtrostenden Stahlen hergestellt werden. Hierzu kommen Stahlsorten wie X4SCr13, XX9CrMoV18-1 und X102CrMol7, der weltweit zu den am meisten verwendeten korrosionsbestandigen Walzlagerstahlen zahlt. in Betracht (s. Tabelle 9.10). Sie gehiiren zur Gruppe der perlitisch-martensitischen Stahle. Nach Abschrecken von Austenitisiertemperatur ( 1 020 bis 1080°C)in 01oder an Luft. bei der die vorher in Losung gebrachten Carbide an ihrer Ausscheidung gehindert werden. liegt ein rein martensitisches Gefuge vor. D a sich. bedingt durch den hoheren Kohlenstoffgehalt. bei langsamerer Abkuhlung Chromcarbide ausscheiden, die zur Chromverarmung des Mischkristalls und damit zur Verschlechterung des Korrosionsverhaltens fuhren, weisen diese Stahle allein im geharteten Zustand die notwendige Korrosionsbestandigkeit auf. Um die Ausscheidung v o n Chromcarbiden zu vermeiden, darf nur bis max. 200°C angelassen werden. Nach dieser Behandlung liegt die Harte zwischen 55 und 59 H R C und ist damit etwas geringer als bei den niedriglegierten Chromstahlen. Auch deren Ermudungsfestigkeit wird nicht erreicht. Wegen der Gefahr der Carbidausscheidungen und des damit verbundenen Ruckganges des Korrosionswiderstandes durfen die Walzlagcrbetriebstemperaturen 200°C nicht uberschreiten. Der Anwendungsbereich erstreckt sich von Pumpen fur Flussigkeiten

9.4

Werkstoffe fur Walzlager

427

uber Gerate und Anlagen in der Chemieindustrie bis hin zu Fahrzeugen und Maschinen, die standig im Bereich von Meeresluft eingesetzt werden. Es besteht jedoch keine Resistenz im direkten Kontakt mit Meereswasser. Vielversprechende Ergebnisse wurden auch mit dem pulvermetallurgisch erzeugten Stahl X30CrMoNlS-1, der 0,3% Stickstoff enthalt, erzielt [9.33]. Eine weitere neue Richtung sind die HNS- Stahle (High Nitrogen Steels), die hohe Korrosionsbestandigkeit mit verbessertem Lebensdauerpotential vereinen. Sie weisen bei Kohlenstoffgehalten von nur 0,15 bis 0,30% C und 15% Cr zusatzlich 0,3S bis 0,39% Stickstoff auf und erreichen Harten von 5 8 H R C bei sehr homogenen Gefugen mit feinverteilten Nitriden.

9.4.3 Warmharte Stahle Walzlager, die bei Betriebstemperaturen uber 300 "C laufen mussen, z. B. Lager in Flugzeugturbinen, Strahltriebwerken, Kalanderwalzen usw. werden aus warmharten Stahlen bzw. Schnellarbeitsstahlen hergestellt, die bis zu Temperaturen von nahezu SO0 " C ihre Harte und VerschleiBfestigkeit weitgehend behalten. Hierfur hat sich besonders der Stahl X82WMoCrV6-5-4 bewahrt (s. Tab. 9.10). Bei Erwarmen auf Hartetemperatur (1 180 bis 1230°C) losen sich die Primarcarbide teilweise auf. Nach dem Abschrecken besteht das Gefuge aus Martensit, einem hohen Anteil an Restaustenit (bis 30 Vol-YO)und noch verbliebenen Primarcarbiden (8 bis 13Vol-%). Sehr wichtig ist daher das Anlassen auf 500 bis 580"C, das meist mehrfach erfolgt (s. Bild 4.5 in Abschn. 4.2.7). Dabei tritt ein ausgepragtes Sekundarhartemaximum durch Ausscheidung feinster Sondercarbide auf, wobei gleichzeitig noch Restaustenit und Eigenspannungen im Gefuge abgebaut werden. Wie immer bei Lagerwerkstoffen sind Gefugezustande anzustreben, die hohe Bruchzahigkeit und gunstiges Ermudungsverhalten gewahrleisten. Besonders gute Ergebnisse wurden in dieser Hinsicht mit pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahlen erreicht. Sie werden beispielsweise durch heifiisostatisches Pressen von schnellabgekuhltem, inertgasverdustem Legierungspulver hergestellt und weisen ein bedeutend feineres Gefuge mit sehr feinen und gleichmal3ig verteilten Carbiden auf [9.14].

9.4.4 Keramik Von den zum Einsatz fur Walzlager untersuchten keramischen Werkstoffen, Aluminiumoxid (A120,), Siliciumcarbid (Sic), Siliciumnitrid (Si3N4)und Zirconiumoxid (ZrO,) hat sich bisher nur das Siliciumnitrid durchsetzen konnen. Im Vergleich zu den Stahlen ergeben sich eine ganze Reihe von vorteilhaften Eigenschaften. Besonders zu nennen sind die deutlich hohere Warmfestigkeit (bis 800"C), die hohere Steifigkeit (E-Modul: 310 bis 320GPa), eine hohere Harte (1 300-2000 HV) und VerschleiBfestigkeit, eine niedrige Dichte (ca. 3,2 g/cm3), die zu geringeren Lagermassen und deutlich verminderten Fliehkraften bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten fuhrt, eine niedrigere Reibungszahl, insbesondere bei Mangelschmierung, wodurch die Warmeentwicklung im Lager abgesenkt wird, eine sehr hohe Korrosionsbestandigkeit, keine magnetische Beeinflufibarkeit, ein hoher elektrischer Widerstand und schlieBlich eine antiadhasive Wirkung, die das Fressen und VerschweiBen bei Ausfall der Schmierung verhin-

428

9

Gleit- und Lagerwerkstoffe

dert. Als Nachteile stehen dem die hohere Sprodigkeit und der wesentlich groBere Herstellungsaufwand entgegen. Das Sintern von gepreljten Si3N,-Pulvern (SSN-Siliciumnitrid) ist nur mit Hilfe von A1203-, Y203- und MgO-Zusatzen, die wahrend des Sinterprozesses eine flussige Phase bilden, moglich. Gunstigere Eigenschaften weisen jedoch heil3geprel3tes (HPSN) und heifiisostatisch geprel3tes (HIPSN) Siliciumnitrid auf. Die geprel3ten Rohlinge mussen auf genaue Form- und Marjhaltigkeit bearbeitet werden, was wegen der grol3en Harte und Verschleil3festigkeit hohe Werkzeugund Bearbeitungskosten verursacht. Siliciumnitrid hat sich im Einsatz sowohl bei Vollkeramik- als auch in Hybridlagern (Keramikkugeln und Stahlringe) bewahrt. Wegen der geringeren Fliehkrafte der Keramikkugeln sind Hybridlager fur sehr hohe Drehzahlen geeignet. Bei gleicher Lagerabmessung ist im Vergleich zu entsprechenden Stahllagern eine Drehzahlsteigerung um 65% moglich, wobei sich zusatzlich die hohere Steifigkeit und die geringere Erwarmung vorteilhaft bemerkbar machen [9.27]. Anwendungsfalle liegen bei Spindellagerungen fur HochgeschwindigkeitsWerkzeugmaschinen, Lagern fur Turbomolekularpumpen, Flugzeugtriebwerken, Turbinen u. a. Vollkeramiklager sind in ihrer Bestandigkeit bei hohen Temperaturen und in aggressiven Medien (Sauren, Laugen, Seewasser) unubertroffen. Sie finden daher in der Chemieindustrie sowie als Lager fur Strahltriebwerke und in der Kernkrafttechnik Verwendung. Der Hochtemperatureinsatz wird allein durch die Bestandigkeit der eingesetzten Feststoffschmiermittel (z. B. Graphit, MoS,) begrenzt, die im Walzlagerkafig deponiert werden.

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9.4

Werkstoffe fur Walzlager

429

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430

9

Gleit- und Lagerwcrkstoffe

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10

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung

Alle festen Korper haben eine bestimmte, durch die GroBe des Elastizitatsmoduls ausgedruckte Elastizitat, d. h. das Bestreben, nach Verformung unter Einwirkung auBerer Krafte wieder ihre ursprungliche Gestalt anzunehmen. In dieser Eigenschaft liegt das Wesen der Feder begrundet. Als Federn im engeren Sinne sind Konstruktionselemente anzusehen, die durch entsprechende Formgebung und Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe in der Lage sind, Formanderungen auszufuhren und dabei mechanische Arbeit in potentielle Energie umzuformen und wieder in mechanische Arbeit zuruckzuverwandeln. Diese Eigenschaften lassen den Einsatz von Federn zu als Energiespeicher, zur Milderung von StoBen, als Schwingungselemente, fur kraftschlussige Verbindungen, als Sicherungselemente, zur Abfederung oder Steuerung bewegter Massen sowie (wegen der durch das Hookesche Gesetz gegebenen linearen Abhangigkeit von Kraft- und Formanderung) zur Kraftmessung. Weitere Einsatzmoglichkeiten ergeben sich aus dem Dampfungsvermogen, d. h. der Fahigkeit, einen bestimmten Anteil der aufgebrachten mechanischen Arbeit durch Reibungsprozesse irreversibel in Warme zu verwandeln und damit zu vernichten. Dabei unterscheidet man zwischen einer auf den Werkstoffeigenschaften beruhenden Dampfung (Werkstoffdampfung) und einer konstruktiv bedingten auBeren Dampfung infolge Reibung der Federwindungen aneinander bzw. an angrenzenden Bauteilen (Reibungsdampfung). Federn mit grol3erer Dampfung werden vorzugsweise in dynamisch beanspruchten Konstruktionen zur Schwingungs- und StoBdampfung eingesetzt. Die Einteilung der Federn geschieht nach verschiedenen Gesichtspunkten, z. B. nach der Gestalt (Schraubenfeder, Blattfeder), nach der Beanspruchung (z. B. Zug-, Druckfeder), nach dem Verwendungszweck (z. B. Tragfeder) oder nach dem Werkstoff bzw. Stoff (metallische Feder, Holz-, Gummi-, Gasfeder). Im allgemeinen unterscheidet man hinsichtlich Beanspruchung des Werkstoffes und Konstruktion drei groBere Gruppen (Bild 10.1): Zug- und druckbeanspruchte, biegebeanspruchte und torsionsbeanspruchte Federn, wobei darauf hinzuweisen ist, daB nur bei der Ringfeder eine reine Zug-Druck-Beanspruchung des Werkstoffes vorliegt. Um den Federwerkstoff besser ausnutzen zu konnen, wurden auf der Basis der genannten Grundformen weitere Federtypen entwickelt, die bei gleicher Federkraft eine kleinere Masse und ein geringeres Einbauvolumen aufweisen. Beispiele hierfur sind Federn mit parabolisch ausgewalzten Enden (Parabelfedern), die an Stelle der wesentlich schwereren mehrlagigen Blattfedern eingesetzt werden, oder tonnenformige, kegelstumpfformige sowie hyperbolische Schraubenfedern mit unterschiedlichen Windungsdurchmessern und -ahtanden, die, da sich die Windungen z. T. ineinander legen, extrem niedrige Bauhohen gestatten [10.2].

10

432

_____

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung

_____

~~

I

Elaslfsche Federn ~-

F/ussigkerlsGasledern ledern nur Druckbeanspruchungde; Fedenverksloffes moglich

Feslkorpededem

-Zug.Druckslableder

gerade Bregeledem

gewundene Bregeledem

scherbenfomrge PolymerBiegeiedem Biegeslabieder

e t-

Blallleder

i

Drehslableder

Sondedederarlen

Spiralleder

--t

zylrndrische Schrauben Druckleder Zugieder

Drehschub Scherbenleder

Yegeklumpl ‘eder

Tonnen leder

Tadlen leder

Bild 10.1 Einteilung elastischer Federn (nach (10.1])

Neben diesen in der Regel aus Metallen hergestellten Federn, deren Federung hauptsachlich uber eine bestimmte Form erwirkt wird (Formfederung), gibt es nichtmetallische Werkstoffe, vor allem Elastomere, bei denen der Werkstoff selbst eine groBe Federwirkung (Stoffederung) ausubt. Wahrend metallische Federn nur im Bereich bis zur 0,01% -Dehngrenze elastische Eigenschaften aufweisen, wird bei den Elastomeren noch weit im nichtlinearen Verformungsbereich eine nahezu vollkommene reversible Formanderung beobachtet. Wirkt auf eine Langsfeder eine Last F, so verlagert sich der Angriffspunkt der Last um den Federweg s, und zwar so lange, bis zwischen der angreifenden Kraft und der inneren Reaktionskraft der Feder Gleichgewicht besteht. Die Abhangigkeit der Kraft F vom Federweg s ist in Bild 10.2 dargestellt. Man bezeichnet diesen Zusammenhang als Federkennlinie oder Federcharakteristik. Entsprechend stellt die Federkennlinie der Drehfeder den Zusammenhang zwischen dem auBerem Moment M und dem Verdrehwinkel cp dar. Wie Bild 10.2 auBerdem erkennen laBt, unterscheidet man lineare, progressive und degressive Federkennlinien sowie deren Kombination. Der Anstieg der Kennlinie AF/As bzw. AMlAcp wird Federrate R (auch Federsteife) genannt und zur Charakterisierung der Feder herangezogen. Die meisten Federn haben eine lineare oder annahernd lineare Kennlinie, weshalb die Federrate auch Federkonstunte c genannt wird. Decken sich die Kennlinien bei Be- und Entlastung nicht, so wird ein Teil der aufgenommenen Arbeit in Reibungswarme umgewandelt und als Dampfungsarbeit WD (schraffierte Flache in Bild 10.3) bezeichnet. Meist wird fur die Berechnung eine lineare Federkennlinie angenommen, weil dadurch jede Zusatzbelastung unabhangig von einer bereits einwirkenden Vorbelastung betrachtet werden darf. Angenahert lineare Kennlinien haben beispielsweise zylindrische Schraubenfedern. Progressive Kennlinien, wie bei Gummifedern, gewahrleisten die Begrenzung der Deformation bei plotzlichen Belastungssprun-

10.1

Anforderungen an Federwerkstoffe

433

F

s; cp

Bild 10.2 Federsymbole und Federkennlinie a) Langsfeder b) Drehfeder

1 lineare Kennlinie 2 progressive Kennlinie 3 degressive Kennlinie

gen, wahrend bei degressiven Kennlinien (z. B. einige Bauarten von Tellerfedern) die Krafte gegeniiber ungewollt hohen Verformungswegen begrenzt werden. Fur bestimmte Zwecke werden auch Gas- und Flussigkeitsfedern eingesetzt, bei denen die Kompressibilitat von Gasen, Olen oder anderen Flussigkeiten fur die Fedenvirkung ausgenutzt wird. Problematisch ist freilich, die vollkommene Abdichtung des Stempels uber eine grol3e Anzahl von Abfederungen zu gewahrleisten. Diese Schwierigkeit wird umgangen, wenn als Kompressionsmedium ein Elastomer verwendet wird [10.3].

10.1 Anforderungen an Fedenverkstoffe Eine gute Feder sol1 eine groBe Federkraft (bzw. ein grol3es Drehmoment), eine moglichst lange Lebensdauer und eine hohe Sicherheit gegen Bruch bei eventueller Uberlastung aufweisen. Daruber hinaus sollen die Eigenschaften von Feder zu Feder so gleich wie moglich sein. Die letztgenannte Forderung bedingt enge Toleranzen in der Zusammensetzung des Werkstoffes, den Abmessungen, der Oberflachengute und der Festigkeit. GroBe Federkrafte bzw. groBe Drehmomente erfordern vom Werkstoff eine hohe Elastizitatsgrenze (0,01% -Dehngrenze). Die Formanderung im elastischen Bereich hangt von der GroBe des Elastizitatsmoduls ab, der bei gegebenem Grundwerkstoff nur wenig durch LegierungsmaBnahmen und Warmebehand-

434

10

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung

Tabcllc 10. I Elastizitatsmoduln von Fcdcrwcrkstoffen bei Reumtcmpcratur (nach DIN 2088) E-Modul in GPa

Werkstofl Federstahldraht (patentiert-gezogcn) nach DIN 17 223 Teil I Federstahldraht (vergutctcr Federdraht und verguteter Ventillcdcrdraht) nach DIN 17223 Teil 2 Nichtrostcndc Stahle nach DIN 17 224 X12CrNi 17-7 X7CrNiAI 17-7 XSCrNiMo 18-10 Kupfer-Knctlegierung CuSn6FC)S nach DIN 17 682 federhart gczogen Kupler-Zink-Legierung CuZn36F70 nach DIN I7 682 federhart gezogen Kupfcr-t3eryllium-Legierung CuBc2 nach DIN 17 682 Kupfcr-Cohalt-Beryllium-Lc~icrungCuCoRe nach DIN 176x2

206 200

190

107 1x5 I15 I10 I20 I30

Bild 10.4 Abhiingigkcit dcs E-Moduls von der Tempcratur fur Metalle und Keramik ( n x h E. Houri-

lung beeinflufit werden kann. Tabelle 10.1 enthalt die E-Moduln fur typische Federwerkstoffe bei Raumtemperatur. Bei der Berechnung von Federn, die hoheren Temperaturen ausgesetzt sind, ist zu berucksichtigen, daR der Elasti% tatsmodul bei allen Werkstoffen mit zunehmender Temperatur abnimmt. Fur einige Mctalle sowie Keramik ist dies in Bild 10.4 dargestellt. Besonders zu beachten ist, daB sich bei Polymeren der E-Modul in einem sehr kleinen Temperaturbereich um eine GriiRenordnung andern kann. Der Vo1irmennutzwc)rt q v ( 10.1)

q A - Artnutzwert

gibt das Verhaltnis von Federarbeit W und erfordcrlichem Federvolumen V an und kennzeichnet somit die vom Werkstoff aufnehmbare elastische Energie je Volumeneinheit. Die Werkstoffentwicklung ist auf die Verbesserung des Volumennutzwertes gerichtet. In der Regel geschieht dies uber die Erhiihung der 0.01 % - bzw. 0,2%-Dehngrenze.

10.1

Anforderungen a n Federwerkstoffe

435

Andererseits konnen gemalJ G1. (10.1) Werkstoffe mit erheblich niedrigeren EModuln als Stahl, z.B. die Legierung CuCoBe2 (E-Modul =130 GPa) oder Titanlegierungen (E-Modul = 113GPa) ahnliche Volumennutzwerte erreichen wie hochfeste Stahle, auch wenn ihre Dehngrenzen geringer als die von Stahl sind (Bild 10.5).

1

10

100

1000 MPa 10000

Dehngrenze

-

Bild 10.5 Werkstoffschaubild zur Auswahl von Werkstoffen fur Federn (nach M. Ashhy) Stahl, kaltgewalzt und vergiitet Titanlegierung. ausgehartet x CuBe2. ausgehartet

Hohe Elastizitatsgrenzen konnen bei allen metallischen Werkstoffen uber eine Kaltverfestigung oder bei Stahlen und NE-Metallen geeigneter Zusammensetzung auch mit Hilfe einer entsprechenden Warmebehandlung erreicht werden. Bei stark kaltverformten Stahlen ist eine weitere Erhohung der Festigkeit und insbesondere der Elastizitatsgrenze durch eine Alterungsbehandlung (s. a. Abschn. 3.1.1), in der Literatur oft als Anlassen bezeichnet, moglich. Mit ihr kann in gunstigen Fallen die 0,01%-Dehngrenze um 150 bis 350MPa angehoben werden, was allerdings mit einer Abnahme der Zahigkeitseigenschaften verbunden ist [ 10.41. Durch nachfolgendes Richten oder Winden nimmt die Festigkeit wieder ab, so da13 die beste Elastizitat durch eine abschliel3ende Warmebehandlung erreicht wird [10.1]. Federn konnen im Betrieb hoher belastet werden, wenn durch eine Vorbelastung uber den elastischen Bereich hinaus - das Vorsetzen - am Ende des Herstellungsprozesses eine gunstige Eigenspannungsverteilung eingestellt wird. Dazu werden die Federn entweder mit einer bestimmten Kraft (Setzkraft) oder auf eine bestimmte Lange (SetzmalJ) mehrmals kurzzeitig oder uber eine langere Zeitdauer bei Raumtemperatur vorbelastet. Setzrichtung und Beanspruchungsrichtung miissen dabei gleich sein [10.5], [10.6], [10.7].

436

10

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung

Fur alle festigkeitssteigernden MaBnahmen gilt, daB der Werkstoff auch danach noch eine bestimmte Zahigkeit, d. h. Verformungsreserve, aufweisen muB, um dennoch uber die Elastizitatsgrenze hinausgehende Belastungen durch eine plastische Verformung abbauen zu konnen und somit ausreichende Sicherheit gegen Bruch zu gewahrleisten. Die in dynamisch belasteten Federn hochstzulassige Beanspruchung wird durch die Dauerfestigkeit begrenzt. Alle Ursachen, die einen vorzeitigen Bruch hervorrufen konnen, mussen durch eine entsprechende Kontrolle und EinfluBnahme ausgeschaltet werden. Nicht vollstandig zu vermeiden sind Oberflachenfehler, die bei der Warmformgebung entstehen, wie Riefen, Risse, Verzunderung, eingewalzter Zunder sowie die Entkohlung der Oberflache. In ausgekohlten oder entkohlten Oberflachen kann beim Verguten keine Festigkeitserhohung erreicht werden, so daB der Bruch bereits bei niedrigen Beanspruchungen erfolgt. Es kann dabei zu Dauerfestigkeitsminderungen von bis zu 40% kommen [10.8]. Mit Silicium legierte Federstahle weisen eine starke Neigung zur Randentkohlung auf. Bei verguteten Federn mit einer Zugfestigkeit uber 1200 MPa wirken sich nichtmetallische Einschlusse im Stahl, insbesondere scharfkantige in der Nahe der Oberflache, negativ auf die Dauerfestigkeit aus, indem sie die RiBbildung begunstigen. Gleiches gilt fur scharfe Kantenubergange (z. B. durch Stanzen hervorgerufen). Sie konnen durch Trommeln beseitigt werden. Noch gunstiger ist es, die Kanten mittels Anpragens oder einer spanenden Bearbeitung zu runden [10.9]. Uber eine Verringerung der Oberflachenrauhigkeit ist eine merkliche Steigerung der Dauerfestigkeit zu erzielen. Als in dieser Hinsicht sehr wirksam und praktikabel hat sich das Ziehschalen von Federdraht, mit dem der groBte Teil der von der Herstellung herruhrenden Oberflachenfehler (z. B. Zundernarben) beseitigt wird, erwiesen [ 10.101. Auch mit Hilfe einer Oberflachenverfestigung durch Krigelstrahlen oder thermochemische Oberflachenbehandlung, wie Nitrieren, laBt sich dank der dabei in der Oberflache entstehenden Druckspannungen die Dauerfestigkeit wesentlich verbessern. Eine unter optimalen Bedingungen durchgefuhrte Kugelstrahlbehandlung fiihrt, abhangig von der Federart und -herstellung sowie vom Werkstoff und Oberflachenzustand der Feder, zu einer Dauerfestigkeitserhohung um 30 bis 70%. Mit dem sogenannten Spunnungsstruhlen, bei dem die Feder wahrend des Kugelstrahlens belastet, d. h. gespannt wird, ist eine nochmalige Verbesserung um 10% moglich [10.10]. Da die Dauerfestigkeit auch durch Korrosion beeintrachtigt wird, sind bei nichtkorrosionsbestandigen Werkstoffen entsprechende Korrosionsschutzmafinahmen vorzusehen. Des weiteren ist zu beachten, dalj Federn aus Grunden der Bruchsicherheit grundsatzlich nicht geschweiat werden durfen. Da Federn im Betrieb besonderen Beanspruchungen unterliegen, gibt es neben den ublichen Werkstoffprufungen fur Federwerkstoffe spezielle technologische Prufverfahren, mit deren Hilfe die Qualitat der gefertigten Federn gesichert werden soll. Im Hinblick auf den weiteren Fertigungsprozea werden in Drahtform angelieferte Federwerkstoffe im Wickelversuch, im Hin- und Herbiegeversuch sowie im Verwindeversuch und in Bandform angelieferte Federwerkstoffe, insbesondere bei hoheren Anforderungen an die Umformbarkeit, im Hin- und Herbiegeversuch und im Tiefungsversuch nach Erichsen gepruft. Als weitere technologische Prufungen werden auch die Prufung auf Ruckfederung und der Abkantversuch herangezogen.

10.2

Federstahle

437

Um zu vermeiden, daB im Anlieferungszustand mit Rissen behaftetes Material zu Federn weiterverarbeitet wird, kommt der RiBprufung wie der Oberflachenpriifung iiberhaupt groBere Bedeutung zu. Daruber hinaus werden Prufungen an Federn vorgenommen, wie die Ermittlung der Federkennlinie und der Federkonstanten sowie Dauerschwingversuche.

10.2 Federstahle Die einleitend beschriebenen Anforderungen an Federwerkstoffe werden in hervorragendem MaBe von Stahlen erfullt, so daB der weitaus groBte Teil aller Federn aus diesem Werkstoff hergestellt wird. Durch die Wahl der Zusammensetzung sowie geeigneter Umformungs- und/oder Warmebehandlungsverfahren ist es moglich, die Eigenschaften des Stahles in weitem Umfang den jeweiligen Anforderungen im praktischen Einsatz anzupassen. Federstahle werden hauptsachlich in Form von Stabstahl, Draht oder Band angeliefert und je nach der Stahlsorte, der Federform und den -abmessungen warm oder kalt geformt. Federn kleinerer Abmessungen (hauptsachlich aus Drahten von 0,07 bis 20 mm Durchmesser oder Bandern) werden im patentiert gezogenen und kaltverfestigten Zustand gefertigt, fur Federn mit groBeren Querschnitten erfolgt uberwiegend eine Vergutung. Geschieht die Federherstellung (Formung) bei Normaltemperatur, so entstehen in dem bereits hoch verfestigten Material vorwiegend Biegeeigenspannungen, die die Elastizitatseigenschaften merklich verschlechtern. Aus diesem Grund werden kaltgeformte Federn nach der mechanischen Fertigung bei verhaltnismaBig niedrigen Temperaturen (zwischen 190 und 250"C, in einigen Sonderfallen bis 400°C) spannungsarm gegluht. Der federharte Werkstoffzustand bleibt dabei weitgehend erhalten. Wahrend bei ferritisch-perlitischen Stahlen die fur die Belastbarkeit der Federn erforderliche Festigkeit durch das Verguten erreicht werden kann, ist dies bei den austenitischen Stahlen nur uber eine Kaltumformung (Kaltverfestigung) moglich; Bander durch Kaltwalzen, Drahte durch Kaltziehen. Federn, die korrosiven Einflussen ausgesetzt sind, konnen aus unlegierten oder niedriglegierten Federstahlen hergestellt und anschlieBend mit schutzenden Uberzugen versehen werden (s. Abschn. 7.1.5 und 7.9). Dauerhaftere Losungen werden hingegen erzielt, wenn fur die Federn rost- und saurebestandige Stahle (s. Abschn. 7.10) venvendet werden. Da Arbeitstemperaturen oberhalb 200 " C bereits zu AnlaBvorgangen fiihren, die die Festigkeit erheblich herabsetzen konnen, mussen in diesen Fallen warmfeste Stahle (s. Abschn. 6.1) eingesetzt werden. Fur sehr tiefe Anwendungstemperaturen (unter -35°C) sind die austenitischen Stahle (s. Abschn. 5.3) auf Grund ihrer auch bei tiefen Temperaturen vorhandenen Sprodbruchunempfindlichkeit geeignet. Im Hinblick auf die Einsatzmoglichkeiten erscheint es zweckmaBig, die Federstahle in Stahle fur Federn, die unter Normalbedingungen (im Arbeitstemperaturbereich von -35 bis SO"C), bei hoheren bzw. bei tieferen Temperaturen und in stark korrosiven Medien beansprucht werden, zu unterteilen.

438

10

Werkstoffe f u r f e d e r n d e Beanspruchung

10.2.1 Federstahle fur Normalbeanspruchung Fur Federn, die aus Draht gefertigt werden, kommt in groBem Umfang Federsrrrhldrrrhf aus unlegierten Stahlen, der patentiert (Warmebehandlung, die zu besonders dichtstreifigem Perlit fuhrt, s. Abschn. 3.1.4. I ) und nachfolgend gezogen (kaltverfestigt) wird, in verschiedenen Festigkeitsklassen zur Anwendung. Aus ihm werden im allgemeinen Schraubenfedern (Zug-. Druck und Drehfedern), Federringe und sonstige Drahtfedern hergestellt. Die Wahl der Stahlsorte liegt im Ermessen des Drahtherstellers. J e nach Festigkeitsklasse (Federstahldrahtsorten A, B, C und D) gelangen Kohlenstoffstahle mit 0,4 bis 1,0% C zum Einsatz. Fur die Drahtsorten sind mechanische und technologische Eigenschaften, fur die Drahtsorte D daruber hinaus besondere Gutewerte fur die Oberflachenbeschaffenheit festgelegt. Tabelle 10.2 gibt einen Uberblick uber die vom Durchmesser abhangigen Festigkeitswerte der einzelnen Drahtsorten. Der Draht wird in verschiedenen Oberflachenausfuhrungen, z. B. trockenblank phosphatiert gezogen, naBblank grau gezogen, geliefert. Fur oberflachenveredelte Drahte (verzinkt, verzinnt) sind die mechanischen und technologischen Eigenschaften, MaBgenauigkeit und Oberflachengute gesondert zu vereinbaren. Trrbcllc 10.2 Festigkeitswerte von patentiert-gezogencm Fedcrstahldraht der Drahtsortcn A. R. C und D (nach DIN 17223. Teil 1 (Auszug)) Drahtdurehmesser in mm 0.07

Zugfcstigkeit in MPa f u r dic Drahtsorten

A ~

B

C

D 2800 his 3100

~

1

I720 his I970

1980 his 2220

-

2230 his 2470

2

1520 his 1750

1760 his 1970

1980 his 2200

1980 his 2200

4

1320 his 1520

1530 his 1730

1740 his 1930

1740 his 1930

7

I160 his 1340

1350 his 1530

1540 his 1710

1540 his 1710

I0

1060 his 1230

I240 his 1400

1410 his 1570

1414 his 1570

I090 his 1230

1240 his 1390

1240 his 1390

1020 his 1 150

I160 his 1300

1160 his 1300

16

20

~

~

Fur Federn, die im endgeformten Zustand einer vergutenden Warmebehandlung unterzogen werden. kommen vornehmlich vergiithrrre Sriihle (s. Abschn. 3.1.8) in Betracht. Durch Kohlenstoffgehalte zwischen 0,35 und 0,60% wird beim Verguten die erforderliche hohe Harte und Elastizitatsgrenze und durch Legierungselemente. insbesondere durch Chrom und Molybdan, die notwendige Durchhartung erreicht. In Tabelle 10.3 sind fur unterschiedlich legicrte Federstahle Grenzabmessungen angegebcn, bei denen nach dem Harten im gesamten Querschnitt ein martensitisches Gefuge vorliegt. Dieses ist Voraussetzung dafur, daB die angestrebten Festigkeits- und Zahigkeitswerte nach dem Anlassen uber den Querschnitt gleichmaBig sind und damit eine lange Lebensdauer der Feder erzielbar ist. Bei niedrigen Beanspruchungen. z. B. fur vergutete Fahrzcugfedern. konnen unlegierte Stahle mit mittleren Kohlenstoffgehalten eingesetzt werden. Mit Silicium und Mangan legierte Stahle werden fur biegebeanspruchte Federn, beson-

10.2

439

Federstahle

Tabelle 10.3 Grenzabmessungen fur die Hartbarkeit der Stahle (nach DIN 17 221 (Auszug)) GroRte MaRe bei Mindestwert der Flacherzeug- Rundstahl Harte im Kern nach nissen (Durchmesser)

PS

HI

PS

91

Harten

sz sz

Stahlsorte

LJ3!S09

098 S!q OEH

I 0

E”SS

098 S!q OE8

I0

ders im Fahrzeugbau verwendet. Von den allgemeinen Vergutungsstahlen wurden die hoher siliciumlegierten Stahle, wie SlSi7 und 6SSi7, in der Vergangenheit oft als die typischen Federstahle bezeichnet und auch in grorjeren Mengen eingesetzt. Sie weisen nach dem Verguten ein hohes Streckgrenzenverhaltnis auf, neigen aber stark zur Randentkohlung. Ursache fur die bevorzugte Anwendung dieser Stahle war neben dem etwas niedrigeren Preis im Vergleich zu anderen legierten Vergutungsstahlen die Ansicht, daB mit dem fur diese Stahlsorten typischen, fasersehnigen Gefuge eine bessere Dauerwechselfestigkeit verbunden sei. Es hat sich jedoch gezeigt, darj diese Auffassung unbegrundet ist. Deshalb und wegen des Problems der Randentkohlung kommen gegenwartig, insbesondere fur hochbeanspruchte Federn, vornehmlich mit Chrom bzw. Chrom und Vanadium legierte Vergutungsstahle zum Einsatz, wie z. B. die Stahle 5SCr3 und SOCrV4. Sie sind fur dauerschwing- und torsionsbeanspruchte Schrauben- und Drehstabfedern sowie fur hochbeanspruchte Blatt- und Spiralfedern geeignet. Durch Chrom wird die Durchhartbarkeit verbessert, bei groljeren Querschnitten ist der zusatzlich mit Molybdan legierte Stahl SICrMoV4 zu verwenden (s. Tab. 10.3). Daruber hinaus weisen diese Stahle eine groljere AnlaSbestandigkeit und Warmfestigkeit auf. Si-Cr- und Cr-V-legierte Stahle sind bis 300 “ C anlarjbestandig. Sie konnen deshalb auch bei hoheren Betriebstemperaturen eingesetzt werden. Der Stahl 50CrV4 zeichnet sich durch einen geringen Gehalt an nichtmetallischen Einschlussen aus und ist beim Harten wenig verzugsempfindlich. Zur Herstellung von Blattfedern, Flachformfedern und Spiralfedern kommen kaltgewalzte Stahlbander bis zu S mm Dicke aus unlegierten Stahlen mit Kohlenstoffgehalten zwischen O,S5 und 1,0% sowie niedriglegierten Stahlen, z. B. 50CrV4, zur Anwendung. Sie zeichnen sich durch eine hohe Oberflachengute und Marjgenauigkeit aus. Durch Kaltwalzen und nachfolgendes Harten und Anlassen (Zustand H + A) konnen hohe Werte der Harte, Elastizitatsgrenze und Zugfestigkeit erzielt werden. Die erreichbaren Zugfestigkeitswerte sind abhangig von der Stahlsorte und der Dicke der Stahlbander (Tab. 10.4). Im Hinblick auf den groBen EinfluB, den die Oberflachenbeschaffenheit auf die Dauerfestigkeit ausubt, sollten Federn fur hochste Anspruche moglichst eine polierte Oberflache aufweisen.

440

10

Werkstoffe f u r f e d e r n d e Beanspruchung

Tabelle 10.4 Zugfestigkeit und HLrte von Stahlbandern fur Federn im kaltgewalzten ten + angelassenen Zustand ( H + A ) (nach DIN 17 222 (Auszug))

+ gehirte-

Stahlsorte

Zugfestigkeit MPa

Harte H V

Banddicke hochstens mm

c55 C55E (Ck5.5)

1150 his 1650

340 his 490

2.0

C67 C67E (Ck67)

1230 his 1770

365 bis 525

2.5

c75 C75E (Ck75)

1320 bis 1870

390 bis 555

2.5

ClOlE (CklOl)

I 500 bir 2 100

445 bis 620

2.0

55Si7

1300 his 1800

385 bis 535

2.0

71Si7

1500 his 2200

445 his 650

3,o

67SiCr5

1500 bis 2200

445 bis 650

3.0

50CrV4

1400 bis 2000

415 his 590

3,o

Tabelle 10.5 Zugfestigkeit von (ilschlulJvergiitetem Federstahldraht (nach D I N 17 223 Teil 2 (Auszug)) Zugfestigkeit fur die Drahtsorten

Draht-Nenndurchmesscr mm

MPa VD

VDCrV

VDSiCr

FD

FDCrV

FDSiCr

0.50-0.80

1850-2000

191Ob2060

2080-2230

l900-2lOO

2000-2200

2100-2300

> 0.80-1 ,00

1850- I950

1910-2060

2080-2230

1860b2060

1960-2 160

2 100-2300

> 1.60-2.00

1670-1770

177(b1920

2010-2160

1720-1890

179Ob1970

2000-2180

> 2.70-3.00

1600-1700

1670-1810

1910-2010

1620-1 770

1700-1850

1930-2100

>3.50-4.00

ISSO-l650

1620-1720

1860-1960

1550-1700

162Ob1770

1870-2030

> 4.70bS.00

1540- I640

1570-1 670

1810-1 910

1500- I650

1560-17 10

1830-1 980

> 7.00-8.00

1420-1 520

1420-1520

I7 10-18 10

1400- I550

1480-1 630

1710-1860

> 8.50-10.00

1390-1490

1.390-1490

1670-1770

136Ok15 10

1450-1 600

1660b1X10

> 12.00-14.00

-

-

-

1280-1430

1420-1570

1580b1730

> 15.00-17.00

-

-

-

1250b1400

1400-1 550

1550-1 700

OlschluBverguteter Federstahldraht aus unlegierten oder legierten Stahlen wird fur Federn eingesetzt. die hauptsachlich auf Torsion beansprucht werden (Druck- und Zugfedern). Der Draht wird nach dem Ziehen im Durchlaufverfahren aus dem Austenitbereich in 01 abgeschreckt und unmittelbar danach angelassen. Dadurch erhalt er ein feines Vergutungsgefuge mit hoher Festigkeit (Tab. 10.5). OlschluBvergutete Federstahldrahte werden unterteilt in die Drahtsorten Ventilfederstahldraht (VD) und Federstahldraht (FD), die entweder unlegiert oder mit Chrom und Vanadium (CrV) bzw. mit Chrom und Silicium (SiCr)

10.2

Federstahle

44 1

legiert sind. Wahrend die FD-Drahtsorten bei statischer Beanspruchung einzusetzen sind, werden die unlegierte VD-Drahtsorte bei hoher dynamischer Torsionsbeanspruchung und die legierten VD-Drahtsorten bei sehr hoher dynamischer Torsionsbeanspruchung verwendet. Durch vorheriges Warmsetzen konnen VD-Drahtsorten, insbesondere V D CrV und V D SiCr, bei Temperaturen bis 200°C beansprucht werden. Die Ventilfederstahldrahte haben gegenuber den Federstahldrahten eine hohere Reinheit (geringere Gehalte an P, S und Cu) und bessere Oberflachenbeschaffenheit. Fur letztere erfolgt eine kontinuierliche zerstorungsfreie Oberflachenprufung, bei der Fehlstellen > 40 pm Tiefe farblich gekennzeichnet werden. Eine in der Praxis noch nicht allgemein ausgeschopfte Moglichkeit, die Qualitat des Federstahles uber das ubliche Niveau hinaus zu steigern, bietet die thermomechanische Behandlung (TMB, s. Abschn. 3.1.4.6). Untersuchungen an den Stahlen 55SiMn7 (vorzugsweise fur Kraftfahrzeugfedern) und 50CrV4 haben gezeigt, dal3 sich mit Hilfe einer TMB zum Teil erhebliche Verbesserungen der fur Federn wichtigen Kennwerte erzielen lassen [10.9]: Uber eine Erhohung der Streckgrenze und des E-Moduls (bedingt durch Anisotropieeffekte) wurden bei gleichzeitiger Verbesserung der Kerbschlagarbeit um 60% der Volumennutzwert um etwa 15% angehoben und die Bruchzahigkeit gesteigert.

10.2.2 Federstahle fur Beanspruchungen bei hohen Temperaturen Nicht selten sind Federn in Geraten, Anlagen oder Maschinen erhohten Betriebstemperaturen ausgesetzt. In diesen Fallen mussen warmfeste Stahle (s. a. Abschnitt 6.1) zum Einsatz gebracht werden. Als gunstigstes Legierungselement hat sich hierfur Chrom erwiesen. Chrom bildet zusammen mit Eisen und Kohlenstoff Mischcarbide, die die Warmfestigkeit erhohen. Gleichfalls carbidbildend sind die in diesen Stahlen enthaltenen Legierungselemente Vanadium und Molybdan. Bei noch hoheren Anforderungen an die Warmfestigkeit kommt als weiteres Legierungselement Wolfram in Betracht. Als warmfeste Stahle werden vorwiegend Chrom-Vanadium-, Silicium-Chromund Chrom-Molybdan-Vanadium-Stahlegenutzt. Si-Cr- und Cr-V-Stahle, deren obere Betriebstemperaturen bei 300 " C liegen, finden vorwiegend fur die Herstellung von Ringfedern, von Drehstabfedern bis 40 mm Durchmesser, von Tragfedern fur Lokomotiven und von warmfesten Ventilfedern Verwendung. Durch hohere Legierungsgehalte, z. B. beim Stahl 21CrMoV5-11, wird eine groljere AnlaBbestandigkeit und Warmfestigkeit erreicht. Die Hauptanwendungsgebiete sind warmgeformte Federn fur Betriebstemperaturen bis zu 500 "C, wie Ventilfedern von Motoren, Dichtungs- und Rucklaufventilfedern in Lokomotiven oder HeiBdampfschieberfedern. Weitere Anwendungen sind in Dampfturbinen und Triebwerken gegeben. Bei der Werkstoffauswahl ist zu beachten, daB die Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie der E-Modul und der Schubmodul mit zunehmender Temperatur geringer werden, die Neigung der Federn zum Setzen groBer wird. Tabelle 10.6 gibt einen Uberblick uber das mechanische Verhalten in dem fur diese Stahle in Betracht kommenden Arbeitstemperaturbereich. Bei gleichzeitiger Temperatur- und Korrosionsbeanspruchung werden korrosionsbestandige Stahle, auf die im folgenden Abschnitt noch naher eingegangen wird, bis zu Temperaturen von 300 " C eingesetzt. Bei noch hoheren Arbeitstem-

1375

1520

2ICrMoVS-11

X12CrNi17-7Il

1180 930

930

830

830

690

1100 1030 930

1180 1180 1170 1150 1050 780

1180 1030 930

500

176

206

206

206

172

202

202

202

100

Kennwerte be1 Kaunircmperatur im kiiltgcropencn und \pannunpsarm pepluhten Z u t a n d

1375

'1

1320

45CrMoV6-7

400

I65

196

196

196

200

158

181

189

189

300 400

500

172

177 162

71.5

78.5

78,s

78.5

20

70

76.5

76.5

76.5

100

67

74.5

74.5

74.5

200

64

69.5

68

71.5

300

20

300

20

200

G Pa

GPa

mind.

mind.

100

Schubmodul hei "C

Elastizitatsmodul bei " C

Fcstigkeitswcrte im vergiitetcn Zustand

5OCrV4

Stahl

'Iabelle 10.6 Eigenschaften warnifester Federstiihle in Abhiingigkeit von der Temperatur

65.5

68

400

62

500

-1 80...300

-35...500

-35.. .400

-35.. ,300

'>

c

Betriebstemperatur (Richtwert)

10.2

Federstahle

443

peraturen (> 450°C) mu13 auf Superlegierungen (Nickel- bzw. Cobaltbasislegierungen s. Abschn. 6.1.4), z. B. NiCr20TiA1, zuruckgegriffen werden.

10.2.3 Federstahle fur stark korrosive Beanspruchung Bietet die Beschichtung der Oberflache keinen ausreichenden Korrosionsschutz, dann mussen hochlegierte rost- und saurebestandige Stahle (s. a. Abschn. 7.10) als Federwerkstoffe herangezogen werden. Die hierfur hauptsachlich verwendeten Stahle lassen sich in zwei Gruppen zusammenfassen, die vergutbaren (X30Cr13, X35CrMo17) und die austenitischen, nur durch Kaltverformung zu verfestigenden Stahle (X12CrNi17-7, XSCrNiMol8-10). Die letztgenannten Stahle sind nicht magnetisierbar. Lediglich beim Stahl X12CrNi17-7 ist nach starker Kaltverformung infolge der Bildung von Verformungsmartensit eine mehr oder weniger grofie Magnetisierbarkeit zu beobachten. Die austenitischen Stahle haben gegenuber den vergutbaren nichtrostenden Stahlen eine groBere Korrosionsbestandigkeit, erreichen aber deren Festigkeitswerte bei auljerdem geringeren Elastizitats- und Schubmoduln nicht. Die groljte technische Bedeutung kommt den Stahlen X12CrNi7-7 und XSCrNiMol8-10 zu. Auf Grund des hoheren Legierungsgehaltes ist der Mo-haltige Stahl korrosionsbestandiger auch bei hoheren Temperaturen. Der niedrige Kohlenstoffgehalt macht ihn gegen interkristalline Korrosion unempfindlich. Der Stahl X7CrNiA117-7 ist aushartbar, so dalj bei guter Kaltumformbarkeit eine zusatzliche Festigkeitsteigerung durch Ausscheidungsharten moglich ist. Die austenitischen Federstahle weisen eine gute Tieftemperaturzahigkeit auf (s. Abschn. 5.3) und sind bis -200°C einsetzbar. Andererseits sind sie soweit warmfest, dalj Federn aus diesen Werkstoffen Betriebstemperaturen bis zu 300 “ C unterworfen werden konnen (Tab. 10.6). Federdraht und Federband aus austenitischen nichtrostenden Stahlen werden kalt verfestigt oder kaltverfestigt und angelassen ausgeliefert und beim Federhersteller durch Biegen oder Wickeln zu Federn verarbeitet. Dabei ist zu berucksichtigen, dafi der Umformgrad im federharten Zustand begrenzt ist. Zur Verbesserung der mechanisch-technologischen Werte (Abbau von Biegeigenspannungen) werden die Federn abschlieljend bei relativ niedrigen Temperaturen angelassen; hohere Temperaturen hatten einen nicht vertretbaren Festigkeitsabfall zur Folge. In Tabelle 10.7 sind wesentliche Eigenschaften dieser Stahle zusammengefafit. Werden von korrosionsbestandigen Federn noch hohere Festigkeiten und insbesondere eine bessere Dauerfestigkeit gefordert, so sind Maraging-Stiihlr einzusetzen. Tabelle 10.8 enthalt die mechanischen Eigenschaftswerte eines derartigen martensitaushartenden Stahles. Er wird als Draht mit Durchmessern bis zu 4,5 mm geliefert. Die aushartende Warmebehandlung geschieht nach der Formgebung beim Federhersteller, indem der Stahl 1 h auf 450 bis 480°C angelassen und anschlieljend an Luft abgekuhlt wird. Dabei scheiden sich in der weichen martensitischen (Ni-Martensit) Grundmasse feindisperse, meist koharente intermetallische Phasen aus, die die starke Festigkeitszunahme bedingen. Aus der Gruppe der rost- und saurebestandigen Stahle ist der Stahl X12CrNi17-7 am weitesten verbreitet. Federn aus diesem Stahl werden vor allem in der chemischen Industrie und in der Nahrungsmittelindustrie (Milcherhitzer, Getrankeabfullmaschinen, Brotroster) eingesetzt. Federn, die mit aggressiven Medien wie

444

10

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung

Tabelle 10.7 Eigenschaften v o n Federdraht aus nichtrostenden Stahlen irn federhartgezogenen Zustand ( K ) bzw. irn liisungsgegliihten Zustand (nach DIN 17224 (Auszug)) Stahlsortc

Lieferzustand

E-Modul

Schubrnodul

Zugfestigkeit bei einern Durchmesser in rnrn bis 0.2

1 bis 1.5

4 bis 6

G Pa

G Pa

K

1x5

70

2200 bis 2450 1800 bis 2050 1400 bis 1650

XSCrNiMol8-I0 K

180

68

1650 bis 1900 1400 bis 1650 1100 bis 1350

K

195

73

2000 bis 2250 1700 bis 1950 1300 bis 1550

X12CrNi17-7

X7CrNiAI 17-7

MPa

losungsgegliiht

800 bis 1000

Tabelle 10.8 Festigkeitseigensehaften eines rnartensitaushartenden Stahles rnit 0.09% C. 17% Cr. 7% Ni und 1 % Al Zugfestigkeit M Pa Durchrnesser

rnm

1 bis

1,s

Elastizitatsrnodul Schubmodul GPa GPa 4 bis 4,s

1700 bis 1770

1420 bis 1470

nach Warmebehandlung 2060 bis 2160

1720 bis 1770

Anlieferzustand

198

75.5

Waschmittel, Treibstoff, in Beruhrung kommen, mussen aus dem hoher legierten Stahl XSCrNiMol8-10 gefertigt werden. Der Einsatz von martensitaushartenden Stahlen bleibt Sonderfallen vorbehalten, wie in Waagen chemischer Labors oder Ventilen von Hochdruckbehaltern.

10.3 Nichteisenmetall-Legierungen Wegen der guten Korrosionsbestandigkeit werden auch Nichteisenmetall-Werkstoffe, wie Bronze, Messing und Neusilber (s. a. Abschn. 7.5.5,7.5.2 und 7.5.4) zu Federn verarbeitet. Dabei ist jedoch zu bedenken, daB deren Festigkeit wie auch die Elastizitats- und Schubmoduln generell niedriger liegen, so daB, um die gleiche Federkonstante wie bei der Stahlfeder zu erzielen, die NE-Metallfeder in groBerer Abmessung mit entsprechend groBerem Einbauraum und Materialeinsatz hergestellt werden muB. Des weiteren ist der Bereich der nutzbaren Arbeitstemperaturen fur NE-Metallfedern mit -35 " C bis 60°C eng. Die meisten der in Frage kommenden NE-Metallegierungen konnen, wie die austenitischen Federstahle, nur uber eine Kaltumformung verfestigt und in den federharten Zustand gebracht werden. Lediglich die warmaushartbaren Berylliumbronzen zeichnen sich durch eine hohere Festigkeit aus (Tab. 10.9). Federn aus Kupferwerkstoffen werden als Spiral- und Schraubenfedern, besonders aber als Blattfedern in der Elektrotechnik in Schaltern, Relais oder Steckverbindern in groBerem Umfang verwendet. Von ihnen wird neben der Feder-

10.3

Nichteisenmetall-Legierungen

445

Tabelle 10.9 Eigenschaften ausgewahlter NE-Metallfederwerkstoffe (nach DIN 1770 und DIN 17682) Kurzzeichen

E-Modul

Harte HV

GPa

0,2%-Dehngrenze MPa mindestens

Zugfestigkeitl) Elektrische Leitfahigkeit MPa 1oh Sm-1

Kaltverfestigte Legierungen (nicht angelassener Zustand) CuSn6HV180 (Band) 115 CuSn6F95 (Draht)

180 bis 210

9 lo00 bis 1180 9

115

CuSn8HV190 (Band) 115 CuSn8F95 (Draht)

510

190 bis 220

520

7 1OOObis 1180 9

115

CuZn30HV150 (Band) 110

150 bis 180

430

17

CuZn37HV150 (Band) 110

150 bis 180

430

15

CuZn36F70 (Draht)

110

CuNi18Zn20HV160 (Band)

135

CuNi18Zn20F83 (Draht)

135

750 bis930

160 bis 190

430

1.5

3 860 bis 1040

3

Aushartbare Legierungen (ausgeharteter Zustand) CuBe2FB530 (Band)

135

CuBe2F140 (Draht)

135

CuCoBeFSO (Draht) I)

11

260 bis 310

138

1400 bis 1550

12

800 bis 1000 25

Federdraht Durchmesser 0.3 bis 0.8 mm

wirkung, die einen hohen Kontaktdruck und damit eine geringe Temperaturbelastung der Kontakte gewahrleistet, in erster Linie eine gute elektrische Leitfahigkeit verlangt, da sie gleichzeitig als Stromleiter dienen. Eine gute Warmeleitfahigkeit des Federwerkstoffes sorgt auBerdem dafur, da13 im Kontaktbereich eine ausreichende Warmeabfuhr erfolgt. Um den nicht unerheblichen Verbrauch von Kupfer und Zinn fur Federn der Elektrotechnik reduzieren zu konnen, wurden Stahl-Kupfer-Schichtverbundmaterialienentwickelt, bei denen der Stahl die Federeigenschaften gewahrleistet und das Kupfer, dessen Anteil nur noch 20 bis 30% betragt, die Leitung des elektrischen Stromes ubernimmt [10.11]. Der Haupteinsatz der in Tabelle 10.9 aufgefuhrten Legierungen liegt auf anderem Gebiet. Auf sie wurde in Abschnitt 7.5 bereits ausfuhrlicher eingegangen. Die Berylliumbronzen haben mit 17 * 106 S . m-1 die beste Leitfahigkeit und zugleich auch die hochste Festigkeit. Sie finden deshalb vielfach fur Federn in Kontakten und Relais, aber auch dort, wo von der Feder ein nichtferromagnetisches Verhalten gefordert wird, wie in bestimmten Uhren, Anwendung. Ansonsten sind Berylliumbronzen in starkerem MaBe fur die Herstellung funkensicherer Werkzeuge in Gebrauch (s. Abschn. 4.1). Die warmaushartbaren Legierungen CuBe2, CuCoBe2 und CuNi20Mn20 werden bei der Aushartungsbehandlung zunachst losungsgegluht und nachfol-

446

10

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung

gend an Luft oder in Wasser abgeschreckt. In diesem noch relativ weichen Zustand kann der Werkstoff kalt zu Federn geformt werden. AnschlieBend erfolgt das Warmauslagern ( Anlassen auf hohere Temperatur). Da die elektrische Leitfahigkeit der Legierung CuNi20Mn20 mit 2 . 10hS . m-l jedoch sehr niedrig ist, kommt sie fur elektrotechnische Anwendungen nicht in Betracht; sie hat sich vielmehr in gewissen Umfang fur hochbeanspruchte Blattfedern, Spiralfedern und Federn, die bei erhohten Temperaturen eingesetzt werden, eingefuhrt. Neben traditionellen Bronzen werden Legierungen auf der Basis Cu-Ni-Sn angeboten. In diesen ternaren Legierungen mit mehr als 4% Sn bilden sich wahrend eines kontinuierlich verlaufenden Diffusionsprozesses ohne ausgepragte Keimbildung aus einer Phase zwei unterschiedliche Phasen (spinodaler Zerfall). Die hohe Festigkeit dieser Legierungsgruppe nach der spinodalen Entmischung wird der gleichmafiigen Verteilung einer Sn-reichen Phase in einer Cu-reichen Matrix zugeschrieben. Es konnen Festigkeiten in der GroBenordnung der Cu-Be-Legierungen erzielt werden. Die Cu-Ni-Sn Legierungen weisen eine wesentlich bessere Seewasserkorrosionsbestandigkeitauf als die Cu-Be-Bronzen, und mit ihrer Herstellung und Verarbeitung sind nicht die toxikologischen Risiken und Schwierigkeiten, wie sie bei den Cu-Be-Bronzen bestehen, verbunden [ 10.121. Da sich bei konventioneller Fertigung Seigerungen, die sich nachteilig auswirken. kaum vermeiden lassen, wird z. B. die Legierung CuNilSSn8 (Handelsname Pfinodal) auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt und zu Band verarbeitet. Ein Anwendungsbeispiel sind neuartige Steckverbinder mit erhohter Temperaturbestandigkeit [ 10.131. Andere Federlegierungen auf Nickelbasis (hochkorrosionsfest, hochwarmebestandig) sowie auf Cobaltbasis (mit Zugfestigkeiten bis zu 3200 MPa) und Edelmetallbasis (Au, Ag. Pt) sind Sonderfallen vorbehalten [ 10.141. Das Gleiche gilt fur Federn aus FeNi42Cr5, die sich durch eine besonders geringe Temperaturabhangigkeit der elastischen Kennwerte, vor allem des E-Moduls auszeichnen (Invar-Lrgirrirngrn).

10.4 Polymerwerkstoffe Auch polymere Werkstoffe (s. a. Abschn. 3.4) finden als Feder- und Dampfungselemente Anwendung. Uber eine geeignete Werkstoffauswahl und -modifikation kann ihr elastisches oder schwingungsdampfendes Verhalten variiert werden. Besonders gutc elastische Eigenschaften zeigen glrrs~uservrrstarkteEP- und UPHarze (Abschn. 3.4.3), wobei erstere fur hohe Beanspruchungen besser geeignet sind. Federn aus derartigen Werkstoffen (s. Abschn. 3.4.1) sind durch eine der Beanspruchungsrichtung angepal3te Anordnung der Glasfasern gekennzeichnet. Der Glasgehalt liegt bei 65 bis 70Y0, wodurch Biegefestigkeiten von 1000 MPa und E-Modulwerte von l00GPa erreicht werden konnen. Allerdings ist zu beachten, daB Festigkeit und E-Modul wenig oberhalb der Raumtemperatur bereits stark abnehmen (Bild 10.6). Blattfedern aus glasfaserverstarkten Polymeren werden wegen ihrer Korrosionsbestandigkeit und Wartungsfreiheit in groBerem Umfang in der Papiertechnik (Siebmaschinen, Entwasserungstrommeln) und, da sie Isolatoren und unmagnetisch sind, in der Elektrotechnik eingesetzt. Vernetzre Polyiirefhane weisen eine hohe Dauerelastizitat bei gleichzeitiger starker Schwingungsdampfung auf. Sie werden sowohl im kompakten Zustand als

10.4

Polymerwerkstoffe

447

Bild 10.6 Mechanische Fcstigkeiten und E-Moduln von Blattfedern aus Epoxidharz/Glasgewebe: Glasgehalt 68% (nach K.E Schradrr)

auch mit zelliger Struktur (Schaumstoff) fur Fundamentplatten oder Aufhangungen genutzt. Gegenuber dem fur ahnliche Zwecke eingesetzten Gummi haben diese Werkstoffe den Vorteil einer hohen Alterungsbestandigkeit sowie der Unempfindlichkeit im Kontakt mit Olen, Fetten und Benzin. AuBerdem ist mit der Verwendung von Polyurethanen im Vergleich zu Gummi eine Masseersparnis verbunden. Die Federcharakteristik der vernetzten Polyurethane ist, vor allem fur zellige Strukturen, nicht linear. Die Luftbewegung in den Zellen bewirkt bei hohen Belastungen eine Versteifung des als Feder fungierenden Werkstoffes. Im Temperaturbereich von 40 bis 120°Cverlauft die Dampfung nahezu linear, so daB sich auch bei wechselnden Temperaturen ein konstantes dynamisches Verhalten ergibt. Die konstruktive Ausfuhrung von Federn aus polymeren Werkstoffen weicht meist stark von der metallischer Federn a b (s.a. Bild 10.1). So werden z.B. Schraubenfedern durch zylindrische Formstucke mit tiefen Einschnurungen, bei denen die Gefahr des Ausknickens stark vermindert ist, simuliert. AuBer den genannten Beispielen werden auch Butadien-Elastomere, Siliconkautschuk (s. Abschn. 3.4.4) und PVC-Weich (s. Abschn. 3.4.2) als Dampfungswerkstoffe eingesetzt.

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448

10

Werkstoffe fur federnde Beanspruchung

[ 10.41 Persson, G . : Federstahle und ihre Eigenschaften. Sandvik, Lecture No 62-16 Ty FSI, August 1979 [ 10.51 Wanke, K.: MuB man Eigenspannungen 1. Art bei Federn beachten? Draht 20 (1969) 3, S. 125-129 [ 10.61 Gratzer, J.: Das Setzen von Schraubendruckfedern aus patentiert und federhart gezogenem Rundstahldraht bei Raumtemperatur. Draht 23 (1972) 4. S. 168 und 255 [10.7] Meissner, M . und H.-J. Schorcht: Metallfedern: Grundlagen, Werkstoffe, Berechnung und Gestaltung. Berlin, Heidelberg: Springer-Verl. 1997 [ 10.81 Linhart, K : IFL-Mitt. 7 (1968) S. 268-276 [ 10.91 Schreiher, D.: Untersuchungen uber die Biegewechselfestigkeit und Zugschwellfestigkeit von verguteten, kaltgewalzten Bandern aus Federstahlen unterschiedlicher Oberflachenbeschaffenheit. Estel-Berichte 10 (1975) 3 [10.10] Heinke, G.: Beitrag zum EinfluB der Werkstoffrandzone auf die Dauerfestigkeit kaltgeformter Druckfedern. Kolloquium ,,Werkstoffprufung im technologischen ProzeB". Zwickau: IHS Nov. 1980 [ 10.111 Paul, H . , D. Vetter, W Schiifherger und I? Weher: Schichtverbundwerkstoffe fur elektrische Bauelemente auf der Basis Kupfer-Stahl. Neue Hutte 25 (1980), S. 241 [ 10.121 Louzon, T-J.: Spinodale Legierungen Cu-Ni-Sn: Eigenschaften und Anwendungen. Zinn und seine Verwendung 137 (1983) [10.13] Karpel, S . : Entwicklung spinodaler Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen. Zinn und seine Verwendung 153 (1987) [10.14] Pastuchova, Z.P, und A. G . Rachftadt: Federlegierungen aus NE-Metallen. Leipzig: Dt. Verl. fur Grundstoffind. 1986 [10.15] Werkstoffkunde Stahl. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verl. und Dusseldorf Verl. Stahleisen mbH Band 2 (Anwendung) 1985 [ 10.161 DIN 2088: Zvlindrische Schraubenfedern aus runden Drahten und Staben. kaltgeformte Drehfedern (Schenkelfedern); Berechnung und Konstruktion 1992 [10.17] DIN 1777: Federbander aus Kupfer-Knetlegierungen 1986 [10.18] DIN 17 221:Warmgewalzte Stahle fur vergutbare Federn 1988 [10.19] DIN 17 222: Kaltgewalzte Stahlbander fur Federn 1979 [ 10.201 DIN 17 223: Runder Federstahldraht Teil 1 : Patentiert-gezogener Federdraht aus unlegierten Stahlen 1984, Teil 2: OlschluBverguteter Federstahldraht aus unlegierten und legierten Stahlen 1990 [ 10.211 DIN 17 224: Federdraht und Federband aus nichtrostenden Stahlen 1982 [ 10.221 DIN 17 682: Runde Federdrahte aus Kupfer-Knetlegierungen; Festigkeitseigenschaften 1979

11

Werkstoffe fur Verbindungen

Werkstoffe fur Verbindungen haben die Aufgabe, Bauteile in einer Weise zusammenzuhalten, die die Ubertragung von Kraften sowohl hinsichtlich der erforderlichen Zeitdauer als auch der Beanspruchungshohe gewahrleistet. Haufig sind damit noch weitere Anforderungen verbunden, wie die Dichtigkeit der Verbindungsstelle gegenuber Flussigkeiten oder Gasen, keine negative Beeinflussung des Korrosionsverhaltens der Bauteile in der Umgebung der Verbindung u.a.m. Es ist ublich, die Verbindungen in losbare und unlosbare einzuteilen, d.h. solche, die ohne Zerstorung des Verbindungselements zu beliebiger Zeit wieder aufgehoben werden konnen, und solche, deren Unterbrechung nur uber die Zerstorung von Teilen der durch sie verbundenen Bauteile moglich ist. Die wichtigsten Vertreter der ersten Gruppe und zugleich am haufigsten genutzten Verbindungselemente sind die Schrauben und Muttern. Zur zweiten Gruppe zahlen die Niete, die Kleb-, Lot- und Schweiljverbindungen sowie Mortel und Zement zum Verbinden silicattechnischer Werkstoffe.

11.1 Werkstoffe fur Schrauben und Muttern Von den Werkstoffen fur Schrauben und Muttern werden vor allem eine gute Umformbarkeit und Bearbeitbarkeit sowie eine ausreichende statische und dynamische Festigkeit verlangt. Die Bearbeitbarkeit erstreckt sich sowohl auf die spangebende (Drehen, Gewindeschneiden) wie auch spanlose Formgebung (Pressen, Stauchen, Gewinderollen). Die gute Umformbarkeit ist auch deshalb notig, damit beim Anziehen der Schraube im Gewindeteil auftretende plastische Verformungen ohne Werkstoffschadigung aufgenommen werden konnen. Um zu vermeiden, dalj sich Schraube und Mutter festfressen, sollen sie aus Werkstoffen der gleichen Art, aber unterschiedlicher Festigkeit gefertigt sein. Schlieljlich werden, je nach dem Einsatzfall, speziellere Eigenschaften, wie Rost- und Saurebestandigkeit, Warmfestigkeit, Kaltzahigkeit u.a.m. gefordert. Dies macht auch erklarlich, weshalb fur die Fertigung von Schrauben und Muttern vorwiegend legierte und unlegierte Stahle zur Anwendung kommen.

11.1.1 Metallische Schrauben- und Mutternwerkstoffe Fur die Herstellung von Schrauben und Muttern ist das Kaltstauchen am meisten verbreitet. Als Kriterium fur das dabei erforderliche hohe Formanderungsvermogen wird die Brucheinschnurung herangezogen; Stahle mit Werten von mindestens 60% zeigen das beste Kaltumformungsverhalten. Beispiele von Kulrstauch- und Kaltfliepprepstahlen, die hauptsachlich zur Herstellung von Haft-

450

11

Werkstoffe fur Verbindungen

Tahclle 1 I . I Kaltstauch-, KaltflicBpreR- und Automatenstahlc fur Schrauhen und Muttern (nach DIN 17 I I I . 1651. 1654)

S t a h Imar ke

Schrauben. Mindestwertc MPa Zugfestigkcit

Strcckgrenze h/w. 0.2% -Dehngrcnze

CIIGIC C7RG 1

420

320

C14GIC C3SC

SO0

300

I lSMn30 I ISMnPh30

600

4x0

IYMnR4

XOO

640

32Cr2 34CrS4

1040

040

X4CrNi I X- I2 X4CrNiMol7- 12-2 X2CrNiMoN 17-13-3

SO0

700

210 450

XOO

600

und Kraftschrauben der unterschiedlichsten Kopfformcn herangezogen werden, sind in Tabelle 11.1 aufgefuhrt. Zur Fertigung von Muttern werden auch W~irtm und Kaltl'rc.J3rniirter.~fuhlreingesetzt. Der schwefellegierte KaltpreBmutterstahl C7RG 1 mit Schwefelgehalten zwischen 0.08 und 0,15% gewahrleistet glatte Schlusselfliichen und hohere Standzeiten der Zerspanungswerkzeuge. Die phosphorlegierten Warrnprepniiittersruhle sind besonders zum Warmpressen und Warmstanzen geeignet. Der Phosphorzusatz verbessert die FlieBeigenschaften oberhalb 1000"C wesentlich. Da bei der Warmverarbeitung im Temperaturbereich zwischen etwa 850 und 1050°C Grobkornbildung eintritt. sind die WarmpreBstahle vor der Verarbeitung auf etwa 1200°C zu erwarmen und bei 1150°C beginnend zu verformen. Die Pressung mu13 bei 1000°C beendet sein. AuBerdem wirkt Phosphor dem ,,Schmieren" bei der spanabhebenden Bearbeitung dieser an sich weichen Stahle en t gegen . Die gleichfalls zur Herstellung von Schrauben und Muttern verwendeten Autotizntrnsriihle (s. Abschn. 3.1.9) zeichnen sich durch eine wirtschaftliche spanabhebende Bearbeitbarkeit aus. Wahrend der Stahl 1 lSMn30 fur Teile rnit groBer Kernzerspanung, z. B. Muttern, Anwendung findet, werden die Automatenvergutungsstiihle 46SPb20 und 60S22 fur Schrauben und Muttern eingesetzt. Die nach dcm Verguten erreichbaren Zahigkeitswerte sind geringer als die der entsprechenden unlegierten Vergutungsstahle. Es muB darauf hingewiesen werden. daB bei den Schrauben und Muttern aus Automatenstahlen lediglich ein bestirnmter Festigkeitswert garantiert wird und mit ihrem Einsatz keine daruber hinausgehenden Anforderungen verknupft werden kiinnen. Auf Grund ihrer niedrigen Warmstreckgrenzenwerte sollen die Betriebstemperaturen fur Automatenstiihle in der Regel 100°C nicht uberschreiten. Bei hiiheren Ternperaturen einzusetzende Schrauben und Muttern werden aus warmfesten Stahlen hergestellt (s.a. Abschn. 6.1). Tabelle 11.2 enthalt empfoh-

11.1

Werkstoffe fur Schrauben und M u t t e r n

45 1

Tabelle 11.2 ZweckmaOige Werkstoffpaarungen warmfester Schrauben und Muttern (nach DIN 267) Stahlrnarke Schraube

Mutter

Anhalt fur hochste Betriebstemperatur, "C

C3SE

C3SE. 3SB2

350

24CrMo5

3SB2.24CrMoS

400

40CrMoV4-7

2 1CrMoVS-7

500

X22CrMoV12-1 X 1 YCrMoVNbN11-1

X22CrMoVl2- 1

580

XSNiCrTiMoV26-15

XSNiCrTiMoV26- 15

650

lene Verbindungspaarungen warmfester Stahle fur Betriebstemperaturen von 350 bis 650°C. Bei Betriebstemperaturen oberhalb 600°C werden die Verbindungselemente aus zunderbestandigen Stahlen gefertigt. Der aus der Gruppe der korrosionsbestandigen Stahle (Abschn. 7.10) vielfach genutzte X20CrNi17-2 beispielsweise, dessen Festigkeit im verguteten Zustand 780 bis 930 MPa betragt, ist hoch beanspruchbar und wird fur Schrauben, die in Molkereien, Hefe-, Starkeund Papierfabriken im Kontakt mit Wasser, Dampf und oxidierenden Sauren bestandig sein mussen. verwendet. Eine ahnlich gute Festigkeit und Korrosionsbestandigkeit gegen Wasser, Dampf und schwach alkalische Losungen, aber wesentlich verbesserte Zerspanbarkeit weist der mit 0,lS bis 0,25% Schwefel legierte Stahl X12CrMoS17 auf. Grundvoraussetzung fur die Eignung einer Verbindung unter korrosiver Beanspruchung ist, daB Verbindungselemente und zu verbindende Bauteile moglichst aus dem gleichen oder zumindest aus ahnlichen Werkstoffen (geringer Potentialunterschied) bestehen. Aus diesem Grunde werden im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau, im Bergbau, in der Nahrungsmittel- und Textilindustrie, in denen Aluminium- und Kupferwerkstoffe in vielfaltiger Weise Verwendung finden, auch Schrauben und Muttern aus Aluminium- und Kupferlegierungen in groBerem Umfang eingesetzt. Im ersten Fall verwendet man Legierungen rnit hoherer Festigkeit im kaltgezogenen oder ausgeharteten Zustand, wie AlMgS, AlMgSil und AlCuMgl, von denen die mit Mg bzw. Mg und Si legierten Aluminiumwerkstoffe allgemein fur Schrauben in Leichtmetalltragwerken genutzt werden und Schrauben aus AlCuMgl lediglich zur Verbindung schwermetallhaltiger Aluminiumegierungen dienen. Von den Kupferwerkstoffen finden fur Schrauben vor allem die Messinge CuZn39Pb3, CuZn40MnPb und CuZn37 Verwendung. Sie sind bei hoher Festigkeit gut kaltumformbar und mit Bleizusatz - allerdings unter Einschrankung der Kaltformbarkeit - auch fur alle spanabhebenden Bearbeitungsverfahren gut geeignet. Fur tiefe Temperaturen werden neben Aluminiumwerkstoffen, Messing, Sonderbronzen und Nickellegierungen (s.a. Abschn. 5.4) vor allem Stahle, wie sie bereits eingehender im Kapitel S behandelt wurden, als Verbindungselemente eingesetzt. Als Beispiele gibt Tabelle 11.3 derart geeignete Schrauben- und Mutternstahle wieder.

452

11

Werkstoffe f u r Verbindungen

Tabelle 1 1.3 Werkstoffauswahl von Schrauben fur Tieftemperatureinsatz (nach DIN 267) Anhalt fur ubliche untere Stahlrnarke Grenze der Anwendungstemperatur im Dauerbetrieb 'I

Ausfuhrungsform

c

-60

26CrMo4 X4CrNiMol7- 12-2 X6CrNiMoTi17-12-2

-120

X12Ni

-200

X4CrNi18-10 X4CrNi18- 12 X4CrNiMol7-12-2 X6CrNiMoTi 17-12-2

mit Kopf mit Kopf

ohne Kopf ohne Kopf

11.1.2 Schraubverbindungen an polymeren Werkstoffen Bauteile aus Polymerwerkstoffen werden zumeist durch SchweiBen oder Kleben miteinander verbunden. Wenn diese Verfahren nicht geeignet sind oder losbare Verbindungen bzw. Verbindungen mit Metallteilen gefordert werden, kommen Schraubverbindungen in Betracht. Hierfur ist die Metallschraube das bedeutendste Verbindungselement. 1st die mechanische Beanspruchung gering und werden korrosionsbestandige oder elektrisch isolierende Verbindungen gewunscht, kommen Schrauben aus Polymeren zum Einsatz. Dafur werden fast nur Thermoplaste, vor allem schlagzahe Typen (s.a. Abschn. 3.4.2), die z.T. noch mit Glasfasern verstarkt sind, verwendet, z. B. Hochdruckpolyethylen, Polypropylen, schlagzahe Polystyrene, Polyamide, modifiziertes PVC, Polycarbonat und Polyoximethylen. Schrauben aus Duromeren sind selten. Sie werden durch Spritzpressen oder SpritzgieBen aus gefulltem Phenolformaldehydharz (PF) oder Melaminformaldehydharz (MF) hergestellt. Muttern aus Polymeren sind wenig gebrauchlich. Meist wird das fur eine Verbindung benotigte Innengewinde (Mutterngewinde) direkt in das polymere Teil geformt. Die Herstellung der AuBen- und Innengewinde erfolgt beim Urformen des Materials (Formpressen, Spritzpressen, SpritzgieBen oder Blasformen) mit Hilfe von formgebenden Gewindestiften, -kernen, -ringen oder -backen oder durch nachtragliches Gewindeschneiden. Auf Grund der gegenuber Metallen geringeren Festigkeit und hoheren Kerbempfindlichkeit sowie der groljeren MaBungenauigkeit der Gewinde werden Schraubverbindungen, bei denen sowohl das AuBen- als auch das Innengewinde im polymeren Werkstoff liegt, seltener und nur dann angewendet, wenn nicht zu grolje Krafte aufzunehmen sind und die Haufigkeit des Losens und Wiederanziehens der Verbindung gering ist. Meist ist eines der beiden Gewinde in Metal1 ausgefuhrt. Dazu wird entweder ein metallischer Schraubenbolzen oder eine metallische Gewindemutter wahrend des Urformens in das polymere Formteil eingebettet oder danach eingeklebt bzw. als selbstschneidendes Element eingeschraubt. Auch das Einspritzen von Spezialgewindemuttern (Inserts) in vorgeformte Locher oder das Einbringen und VerschweiBen von Einlegeteilen mittels Ultraschalls ist gegeben.

11.2

Werkstoffe fur Niete

453

Oftmals sind bei Polymeren andere losbare Verbindungsarten, die Klemmverbindungen (Haften durch Reibung) und Schnappverbindungen (Haften durch elastische Deformation und Hinterschneidungen), einer Schraubverbindung vorzuziehen.

11.2 Werkstoffe fur Niete Obwohl Nietverbindungen mit der Entwicklung der SchweiBverfahren generell an Bedeutung verloren haben, spielen sie auf Einzelgebieten, wie in der Kraftfahrzeug- und Elektroindustrie sowie im Flugzeugbau, noch immer eine wichtige Rolle. Zum Einsatz gelangen vorwiegend Niete kleinerer Abmessungen, die durch Kaltstauchen aus Draht hergestellt werden. Nietstahle Als Nietstahle kommen hauptsachlich unberuhigt und beruhigt vergossene Stahle in Betracht. In Tabelle 11.4 sind die mechanischen Eigenschaften von Nietstahlen zusammengestellt. Daruber hinaus konnen auch Kaltstauchstahle (s. Abschn. 11.1.l) fur die Nietherstellung herangezogen werden. Die Prufung des Ausgangsmaterials auf Oberflachenfehler geschieht durch den Falt- sowie Warm- oder Kaltstauchversuch (s. Tab. 11.4). Tabelle 11.4 Kohlenstoffarme unlegierte Stahle fur Niete (nach DIN 17 111)

Stahlmarke Zugfestigkeit MPa

Mindestwert Streckgrenze MPa

Bruchdehnung Yo

Stauchversuch bei C

CllGl c1l G l C C11G2

330 bis 430

205

30

900 20 YO0

C14GI C14G2 C14G1C

370 bis 460

225

25

900 20 YO0

'I

Leichtmetallniete Fur mechanisch hoher beanspruchte Verbindungen im Leichtmetallbau hat sich das Nieten noch immer als ein zuverlassiges Fugeverfahren bewahrt. Es findet hier haufiger Anwendung, da es die Festigkeit der zu verbindenden ausgeharteten oder kaltverfestigten Aluminiumlegierungen nicht nachteilig beeinflufit, wie das beim SchweiBen oder Loten infolge der im Bereich der Verbindungszone auftretenden Werkstofferwarmung der Fall ist. Tabelle 11.5 enthalt eine Zusammenstellung von Aluminiumbasis-Nietlegierungen sowie Angaben uber deren Anwendung. Bei Nietverbindungen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, richtet sich die Wahl des Nietwerkstoffes in der Regel nach dem Bauteilwerkstoff mit der geringsten Festigkeit. Wie schon bei den Schraubenverbindungen gefordert, sollen auch Niet- und Fugeteil moglichst aus dem gleichen Werkstoff bestehen bzw. ein ahnliches elektrochemisches Potential haben, um Korrosionsvorgange

454

11

Werkstoffe fur Verbindungen

Tahelle 1 1.5 Alurniniurnwerkstoffc. Reispiele fur Zuordnung von Niet- und Fiigcteilwerkstoff (nach [11.1]) Nietwerkstoll

Werkstoff der Fiigeteile

AIY9.5 AlMn AIM@ AIMgS AlMgSiI', AICuMgl')

A1YY.S u. hohere Reinheitsgrade AlY9, AlMn AIMg3, AIMg5, A14.SMn. AlMgSiO.5 AIMgS. A14,SMn. AIMgSil. AIZn4.SMgl AIMgSi0.7. AlMgSiI. AIZn4,SMgl AlCuMgl , AICuMg2, AIZnMgCuO.5

'

1

21

W;irrnau\l;igern d e r genietetcn Konstruktion i u r ErTiclung d e r erfiirderlichen Schcrlc\tigkeit N ~ c rmu13 inncrhalh 4 Stuiidcn nach I.o\ung\$luhung und Ahschrcckung geschlagen werden

einzuschranken. LaBt sich dies bei Nietkonstruktionen aus verschiedenartigen Werkstoffen nicht realisieren. so mussen zur Vermeidung der Kontaktkorrosion besondere MaBnahmen ergriffen werden. Uberwiegt der Anteil der Leichtmetallkomponente in der Verbindung, so sollten Leichtmetallniete verwendet werden, die vorher mit einem Schutzuberzug versehen wurden. Werden keine verzinkten oder vercadmeten Stahlniete benutzt, so ist bei einer Stahl-Leichtmetall-Verbindung der SchlieBkopf grundsatzlich auf die Stahlseite zu setzen und zwischen Leichtmetall- und Setzkopf eine verzinkte oder cadmierte Unterlegscheibe einzufugen. Vollig unzulassig ist es, Leichtmetalle durch Kupfer- oder Messingniete zu verbinden. Wie auch aus Tabelle 11.5 hervorgeht, mussen Niete aus aushartbaren Aluminiumlegierungen nach dem Abschrecken von Homogenisierungstemperatur, also im weichen Zustand, und bevor die Kaltaushartung einsetzt, geschlagen werden. Niete irnd Stifte ciir.s Polynieren

Fur Niet- und Stiftverbindungen von polymeren Werkstoffen untereinander oder mit anderen Werkstoffen werden meist Aluminium-, Kupfer- und Messingniete, vor allem jedoch Stahlhohlniete und Metallkerbstifte verwendet. Durch Unterlegscheiben wird eine Uberbeanspruchung der polymeren Werkstoffe beim Nieten vermieden. Niete und Stifte aus Polymeren werden seltener eingesetzt. Hierfur kommen besonders schlagzahe Thermoplaste, wie sie bereits fur Schrauben (s. Abschn. 11. I .2) genannt wurden, in Betracht. Ihre Verwendung konzentriert sich auf solche Falle, in denen bei geringer mechanischer und thermischer Beanspruchung eine hohe Korrosionsbestandigkeit gefordert wird oder okonom i sch e Vor t e i I e en t st e he n . Nietschlage mussen hinsichtlich Masse ma1 Geschwindigkeit der RiBempfindlichkeit des Polymerwerkstoffes angepaBt werden. Um der Verbindung die notwendige Festigkeit zu geben, wird der Nietkopf kalt gestaucht. Da ein langer Nietschaft so stark federt, daR der SchlieBkopf nicht angeschlagen werden kann. sollte die Nietschaftlange z. B. fur Polypropylen 4d bis 5d (d Nietschaftdurchmesser), fur Polyethylen (hart) 3d bis 4,Sd und bei Polyethylen (weich) Id sein. Wird eine Nietverbindung unter Anwendungsbedingungen thermisch beansprucht. mu13 der Nietschaft vor dem Anstauchen auf eine 20 bis 30 K uber der spateren Anwendungstemperatur liegende Temperatur erwarmt werden. Die

11.3

Klebstoffe

455

Verbindung ist bis zum volligen Erkalten durch einen Niederhalter zu belasten. Warm angestauchte Nietkopfe ergeben spannungsarme und geringer temperaturempfindliche Verbindungen. Fur das Anstauchen von Nietkopfen wird vorteilhaft Ultraschall eingesetzt. Unter Schmelznieten versteht man die viskose Verformung beider Enden eines thermoplastischen Bolzens, die nach Einfuhrung in die Verbindungsbohrungen mit einem Lotkolben erweicht werden. Manchmal wird der Bolzen auch gleich am Formteil bei der Urformung angespitzt und dient so zur einfachen Befestigung von Kleinteilen aus Metall (Kontaktstucke, Federn, Distanzringe u.a.).

11.3 Klebstoffe Klebstoffe sind nichtmetallische Stoffe, die Fugeteile durch Flachenhaftung und innere Festigkeit (Adhasion und Kohasion) verbinden konnen. Die Bindekrafte zwischen einem Fugeteil und der Klebschicht beruhen auf Adhasion. Die molekularen Bindekrafte innerhalb der Klebschicht werden als Kohasion bezeichnet. Im Vergleich zu den anderen Fugeverfahren hat das Kleben in den letzten Jahrzehnten erheblich an Bedeutung gewonnen. Der optimale Einsatz der Klebtechnik setzt die Kenntnis der Vor- und Nachteile dieses Verfahrens gegenuber anderen Techniken (z. B. Loten, SchweiBen, Nieten, Schrauben) voraus. Wesentliche, fur das Kleben vorteilhafte Gesichtspunkte sind eine gleichmaBige Spannungsverteilung uber die gesamte Klebflache, die Verbindungsmoglichkeit von Fugeteilen geringer Wandstarke und die geringe thermische Beanspruchung der Fugeteile. Im allgemeinen konnen relativ hohe dynamische Festigkeiten und Schwingungsdampfung erreicht werden. Die Einsatzmoglichkeiten der Klebstoffe sind sehr vielfaltig. Wichtige Beispiele sind: Verbinden gleichartiger, meist nicht schweirjbarer Werkstoffe (Duromere, glasfaserverstarkte Polymere, Elastomere, Glas, Keramik, ZinkdruckguB, Leichtmetallegierungen); Verbinden von Teilen aus gleichartigen schweiBbaren Werkstoffen, die aus konstruktiven oder fertigungstechnischen Grunden nicht durch Schweirjen gefugt werden konnen (Thermoplast- und Metallteile kleiner Abmessungen, Gehause, Verkleidungen); Verbinden verschiedenartiger oder gleichartiger Werkstoffe zur Realisierung neuer Anwendungsfalle oder aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Metall Glas, Metall - Polymer, Leichtbauplatten, Metallklebetechnik zur Durchsetzung der Leichtbauweise). Als nachteilig sind der zeitlich hohere Verfahrensaufwand (vor allem bei Reaktivklebstoffen), die teilweise aufwendige Oberflachenvorbehandlung der Fugeteile, die geringere thermische Belastbarkeit und verminderte Alterungsbestandigkeit der Verbindung sowie die kostspielige Uberprufung und Berechnung der Klebung zu erwahnen. Je nach Klebgrundstoff enthalten die Klebstoffe eine Reihe von Zusatzen (Klehstoffudditiven), denen unterschiedliche Funktionen zukommen. Durch abgestimmte Veranderung der Anteile lassen sich die Eigenschaften und Anwendungsmoglichkeiten der Klebstoffe in weiten Grenzen variieren. Hierzu zahlen

456

11

Werkstoffe fur Verbindungen

vor allem Losemittel, Harter, Vernetzer, Beschleuniger und Katalysatoren, Weichmacher, Fullstoffe, Pigmente, Haftvermittler (Primer), Netzmittel und Stabilisatore n. Die Einteilung der Klebstoffe kann nach verschiedenen Gesichtspunkten erfolgen. Bei einer Einteilung nach der chemischen Basis des Klebgrundstoffes in anorganische (Wasserglaskitte, Borate usw.) und organische Verbindungen (naturliche und synthetische Produkte) zeigt sich, dal3 die Mehrzahl der gegenwartigen Klebstoffe den synthetischen und organischen Klebgrundstoffen (Polymere: thermoplastische Klebstoffe, Elastomer- und Duroplastklebstoffe) zuzuordnen sind. Naturliche Produkte (Leime, Dextrine, Starke) finden wegen ihrer geringen Alterungs- und Feuchtigkeitsbestandigkeit sowie der niedrigen Festigkeiten im Hochleistungsbereich nahezu keine Einsatzmoglichkeiten. Ihre Anwendungen liegen mit noch erheblichen Marktanteilen vor allem beim Kleben von Holz, Pappe, Papier und anderen porosen Werkstoffen. Haufiger wird nach dem Abbindemechunismus eingeteilt. Hierbei spiegeln sich auch verarbeitungs- und anwendungsspezifische Aspekte wider. Grundsatzlich werden physikalisch und chemisch abbindende Klebstoffe unterschieden. Zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen zahlen die meisten Schmelzklebstoffe, Losungsmittel- und Dispersionsklebstoffe sowie die Haft- und Kontaktklebstoffe. Vielfaltiger ist die Gruppe der chemisch abbindenden Klebstoffe. Hier unterscheiden wir nach der dem Abbindemechanismus zugrunde liegenden chemischen Reaktion wahrend des Polymeraufbaus bzw. der Vernetzung der Klebstoffe: Polymerisationsklebstoffe (z. B. Cyan- und Methacrylatklebstoffe, anaerobe Klebstoffe) Polyadditionsklebstoffe (z. B. Epoxidharz- und Polyurethanklebstoffe) Polykondensationsklebstoffe (z. B. Formaldehydharzklebstoffe) Zusatzlich werden Unterteilungen in kalt-, warm- bzw. heishartende sowie in Ein- und Zweikomponentenklebstoffe vorgenommen. Ausfuhrlicher sol1 auf die Einteilung nach der anwendungsspezifischen Klebstoffart eingegangen werden:

Reukti~)ri~sklebst~ffe binden nach den Prinzipien der Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation ab. Sehr oft fuhren die ausgeharteten Klebstoffe zu unloslichen und vernetzten, nicht schmelzbaren Produkten mit erhohter thermischer Bestandigkeit. Entscheidende Parameter wahrend der Verarbeitung sind Temperatur, Zeit, Druck und Konzentration. Typische Vertreter sind die bekannten Sekundenkleber (Cyanacrylate) sowie Acrylate, Epoxidharze und Polyurethanklebstoffe. In der Regel erzielen die Reaktionsklebstoffe sehr gute Festigkeiten. Methacrylester, die unter AusschluB von Sauerstoff und Anwesenheit von Metallionen ausharten, finden als anaerobe Klebstoffe breite Anwendung bei Metallklebungen. Mit Reaktionsklebstoffen werden die bisher hochsten Klebfestigkeiten erzielt. Auf Grund der ablaufenden chemischen Reaktion bestehen vielfaltige Reaktionsmoglichkeiten mit den zu verbindenden Teilen. Im allgemeinen werden diese Klebstoffe unverdunnt eingesetzt. Viskositatserniedrigende Zusatze werden meist in den Polymeraufbau integriert. Dispersionsklebstoffe sind uberwiegend in Wasser dispergierte Polymere. Nach Applikation des Klebstoffes auf der Oberflache der zu verbindenden Teile erfolgt die Klebstoffschichtausbildung nach dem Abdunsten (Verdampfen) des

11.3

Klebstoffe

457

Dispersionsmittels (Wasser). Die Vorteile dieser Klebstoffe liegen in der Verwendung von Wasser als billiges, nicht brennbares und okologisch unbedenkliches Dispergiermittel. Daraus resultieren gleichzeitig auch die eingeschrankten Anwendungen (verminderte Feuchtigkeitsbestandigkeit, Wasserunempfindlichkeit der Fugepartner). Wichtigste Polymere sind Polyvinylacetate, Polyacrylate und Kautschuke. Hauptanwendungsgebiete sind grofiflachige, flexible Verbindungen. Schmelzklebstoffe sind losungsmittelfreie und feste, vorrangig physikalisch abbindende Klebstoffe, die im geschmolzenen Zustand appliziert werden. Polymergrundstoffe bilden vor allem Polyamide, Polyester und Ethylen-VinylacetatCopolymere. Diese bestimmen wesentlich die erreichbaren Klebstoffeigenschaften. Zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften werden weitere Zusatze wie klebrigmachende Harze, Fullstoffe, Stabilisatoren, Farbstoffe usw. zugegeben. In Kombination mit chemisch reagierenden Stoffen (z. B. Epoxidharzen) spricht man von reaktiven Schmelzklebstoffen. Der Einsatz der Schmelzklebstoffe erfolgt nahezu in allen Industriezweigen. Huftklebstoffe basieren auf einer Vielzahl von polymeren Klebgrundstoffen und verschiedensten Zusatzen, um die Klebschicht dauerhaft klebrig zu gestalten. Diese wichtige Eigenschaft der Haftklebstoffe wird ,,Tack" (Klebrigkeit) genannt. Ihr Haupteinsatzgebiet sind Klebebander (ein- und doppelseitig klebend) und Klebeetiketten rnit teilweise recht hohen Festigkeiten. Die Applikation der Klebstoffe auf die Tragermaterialien erfolgt aus organischen Losungsmitteln, waf3rigen Dispersionen oder Schmelzen. Kontuktklebstoffe beruhen vorwiegend auf Kautschuktypen rnit klebrigmachenden Zusatzen. Die scheinbar trockenen Klebstoffilme werden unter Druck vereinigt. Ihre Auftragung auf die zu verklebenden Fugepartner erfolgt meist aus Losungen (Schlauchreparatur mit einer ,,Gummilosung"). Die rnit Kontaktklebstoffen erzielbaren Klebfestigkeiten sind gewohnlich hoher als bei Haftklebstoffen. Losungsmittelklebstoffe sind in organischen Losungsmitteln geloste Polymere. Die Anwesenheit des Losungsmittels erfordert eine ausreichende Trocknungszeit bzw. -temperatur. Das Losungsmittel ermoglicht bei Polymerwerkstoffen eine Anlosung bzw. Quellung der Fugeteiloberflache, wodurch im allgemeinen eine Verbesserung der Haftung erreicht wird. Okologische Zwange fuhren zu einer Verdrangung dieser Klebstoffklasse. Ein vollstandiger Ersatz des Losungsmittelklebstoffes durch z. B. wal3rige Klebstoffdispersionen ist aber nur bedingt moglich. In der weiteren Klassifizierung der Klebstoffe lassen sich Spezialklebstoffe (hochtemperaturbestandige Klebstoffe, leitfahige Klebstoffe) sowie spezielle Klebstoffolien und -bander auffuhren. Kein Klebstoff ist fur alle Fugeteilpaarungen bzw. Werkstoffe oder Anwendungsfalle umfassend geeignet. Immer sind optimale Bedingungen hinsichtlich Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendung zu finden. Durch gezielte Vorversuche sind die Klebstoffe auszuwahlen. Tabelle 11.6 zeigt eine Auswahl klebtechnischer Losungen fur unterschiedliche Fugeteile. Fur Fugungen mit zwei verschiedenen Werkstoffen konnen aus der letzten Spalte der Tabelle die Klebstoffe ausgewahlt werden, die fur beide Fugeteile geeignet sind. Klebstoffhersteller

458

11

Werkstoffe f u r Verbindungen

Tabelle 1 I .6 Klebtechnische Losungen fur unterschiedliche Fiigeteile Fiigeteil

Kurzzeichen

Oberflachcnvorbehandlung

Klebstoffe

Polyethylcn

PE

Entfetten. Belien. Beflammen. Plasma. Corona

Haftklebstoffe, Kontaktkleb\toiie. Epoxidharze. Polyurethane

Polypropylen

PP

Entfetten. Beizen, Beflammen, Plasma, Corona

Haftklebstoffe. Kontaktklebstoffe. Epoxidharze, Polyurethane

Polystyren

PS

Schleifen, Schmirgeln, Entfetten

LGsungsmittelklebstoffe, Epoxidharze, Polyurethane. Methacrylate, Cvanacrvlate

Polycarbonat

PC

Schleifen. Schmirgeln. Entfetten

Epoxidharze. Methacrylate

AcrylnitrilStyren-

ABS

Schleifen. Schmirgeln. Entfetten

Haftklebstoffe. Kontaktklebstoffe. Epoxidharze. Polyurethane. Cyanacrylate

Polymethylmeth- PMMA acrylat

Schleifen. Schmirgeln. Entfetten

Methacrylate. EpoxidharLe

Po I ya m i d

PA

Schleifen, Schmirgeln. Entfetten

Epoxidharze. Polyurethane. Mcthacrylate. Cyanacrylate

Faserverstiirkte Polyester

UP (GFK, CFK)

Schleifen, Schmirgeln, Entfetten

Haftklebstoffe. Kontaktklebstoffe. Epoxidharze. Polyurethane, ungesattigte Polyester

Faserverstiirkte EpoxidharLe

EP (GFK. CFK)

Schleifen. Schmirgeln. Entfetten

Epoxidharze, Polyurethane. ungesattigte Polyester

Cilas

Entfetten

Epoxidharze. Polyurethane. ungesattigte Polyester. Silikonharze

M e t al Ie

Schleifcn. Schmirgeln. Sand- Epoxidharze. Polyurethane. anaestrahlen. Entfetten. Bcizen. robe Klebstoffe Silicatisieren

Holz

Schleifen

Copolymer

Naturklebstoffe. Dispersionsklebstoffe. Kontaktklebstoffe, Schmelzklebstoffe. Reaktivklebstoffe

bieten fur unterschiedliche Anwendungsfalle und Werkstoffpaarungen Klebstoffauswahltabellen an. Eine wichtige Voraussetzung fur die Eignung des Klebstoffes ist die Benetzung bzw. Berirtzhcirkrit der zu verbindenden Fugeteiloberflachen. Die Oberflachenspannung des Klebstoffes muB kleiner oder gleich derjenigen des zu benetzenden Fugeteils sein. Die Benetzbarkeit allein liefert aber noch keine hinreichende Aussage fur die erreichbare Hu,ftfestigkrit. Diese wird ausschliefllich durch die zwischen Klebstoff und Fugeteil wirkenden Wechselwirkungen bestimmt. Hierbei wird zwischen chemischer Hauptvalenzbindung und zwischenmolekularer Bindung unterschieden. Die Bindungen uber Hauptvalenzen erzielen griil3ere Haftfestigkeiten. Im allgemeinen sind umfangreiche Oberflachenvorbehandlungen erforderlich. Dazu zahlen nicht nur eine mechanische Sauberung oder Entfettung, sondern auch chemische, thermische oder elektrische Vorbehandlungen,

11.4

Zusatzwerkstoffe fur das Loten

459

Tabelle 11.7 Ubersicht zu den wichtigsten Vor- und Nachbehandlungsmoglichkeiten fur zu verklebende Fugeteiloberflachen

I Nachbehandlungen

Vorbehandlungen mechanische

Schmirgeln Schleifen Bursten Sandstrahlen

chemische

Beizen Anodisieren Fluorieren

thermische

Beflammen Plasmabogen Silicoater

elektrische

Coronaentladung Niederdruckplasma

Grundieren Phosphatieren/Chromatieren Haftvermittleranwendung

I

die die Fugeteiloberflache gezielt verandern. Weitere nachgeschaltete Behandlungen sollen die Oberflachenaktivitat unterstutzen bzw. erhohen. In Tabelle 11.7 sind verschiedene Behandlungen zusammengestellt.

11.4 Zusatzwerkstoffe fur das Loten Lotverbindungen werden mit Hilfe eines als Lot bezeichneten Zusatzwerkstoffes hergestellt. Seine Schmelztemperatur liegt niedriger als die der zu verbindenden Werkstoffe, so daB diese beim Loten vom schmelzflussigen Lot benetzt, selbst aber nicht aufgeschmolzen werden. Eine gute Benetzung des Grundwerkstoffes ist fur die Qualitat der Verbindung von entscheidender Bedeutung, da diese hauptsachlich uber Diffusionsprozesse entsteht (Bild 11.1). Damit das Lot nicht am Flieljen gehindert wird, ist eine entsprechende Oberflachenvorbereitung vonnoten. Dazu werden nach dem Saubern der Oberflache sog. FluJj’mittelaufgebracht, die entweder dem Lot beigegeben oder vor dem Loten auf dem Grundwerkstoff aufgebracht werden. Von diesen werden auf der Oberflache verbliebene Oxidschichten reduziert sowie deren Neubildung auf Lot und Grundwerkstoff wahrend des Lotens verhindert. Als Folge der erwahnten Diffusionsvorgange vollzieht sich in der Grenzflache Lot/Grundwerkstoff eine Legierungsbildung, die schon ausreicht, wenn sie sich auf eine Schicht von nur wenigen Atomgitterabstanden erstreckt. Die Tiefe der im Zuge der wechselseitigen Diffusionsreaktion entstehenden Legierungszone ist sowohl von der jeweiligen Lot-Grundwerkstoff-Kombination als auch von der angewendeten Lottechnologie abhangig. Geschieht die Eindiffusion der Lotbestandteile bevorzugt entlang der Korngrenzen des Grundmetalls (Bild 1 1.2), so kann Liitbruchigkeit auftreten, die noch durch lange Lotzeiten, erhohte Lottemperaturen und groBe Lotmengen begunstigt wird. Entsprechend kann ihr uber eine Erniedrigung der Arbeitstemperatur (Verminderung der Diffusionsgeschwindigkeit) und eine Warmebehandlung des Grundwerkstoffes (Abbau der Eigenspannungen) entgegengewirkt werden.

460

11

Werkstoffe fur Verbindungen

Bild 11.1

Bild 11.2

Bild 11.1 AgSnOJn,03-Kontakt (oben) rnit anplattierter Feinsilber- und B-Cu8OAgP-Schicht, durch Widerstandscrwarmung auf Kontakttrager aus CuZn3O (unten) aufgelotet. Urn eine ausreichende Lot-Bindung zwischen dem Kontakt und dern Kontakttrager zu gewahrleisten. rnuR eine Feinsilberzwischenschicht angebracht wcrden. Bild 11.2 Hartlotvcrbindung von X4CrNiMo17-12-2 (links) mit 12SMnPb30 (rechts). Lotwerkstoff B-CuYY. Durch Uberhitzung Eindiffusion des Cu in die Korngrenzen des Autornatenstahles (LotriRbildung). REM-Aufnahme. Ruckstreuelektronen-Ordnungszahlkontrast

Von groBem EinfluB auf den Lotvorgang und die Gute der Lotverbindung ist, wie aus dem Vorhergesagten schon geschluljfolgert werden kann, die Wahl einer optimalen Arbeitstemperatur. Sie ist die Temperatur, die mindestens an der Beruhrungsflache von Lot und Grundwerkstoff herrschen muB. Sie liegt oberhalb der Solidustemperatur des Lots und kann mit dessen Liquidustemperatur ubereinstimmen. In Abhangigkeit von der Arbeitstemperatur T A unterscheidet man Weichfote(TA < 450°C) und Hurtfote (TA > 450°C). Die in der Praxis angewendeten Lottemperaturen liegen in den meisten Fallen oberhalb der Arbeitstemperatur. Wird die hochstzulassige Lottemperatur uberschritten, kann sowohl eine Schadigung des Lots (Verdampfen von Legierungselementen), des FluBmittels (nachlassende Wirkung durch Absattigung und Zersetzung) als auch des Grundwerkstoffes (Grobkornbildung) die Folge sein.

11.4.1 Weichlote Weichlote fur Schwermetafle sind meist Blei-Zinn-Legierungen, die teilweise noch geringe Zusatze an anderen Metallen enthalten. Das binare Zustandsdiagramm Blei-Zinn weist ein bei 183°C schmelzendes Eutektikum mit 61,9% Sn und 38,1% Pb auf. Als Lote kommen hauptsachlich Legierungen mit Pb-Anteilen von mehr als 38,1% in Betracht. Einige Sonderweichlote sind allein auf Bleibzw. Zinnbasis aufgebaut. In Tabelle 11.8 sind charakteristische Eigenschaften sowie Beispiele der Verwendung von Weichloten zusammengefafit. Fur spezielle Anwendungsfalle, wie Schmelz-, Kessel- und Verzogerungssicherungen, warmeempfindliche Teile oder Lotungen, bei denen die angrenzenden Werkstoffe nicht beschadigt werden durfen (Isolierungen, Gewebe u.a.), verwendet man Lote mit Solidustemperturen unterhalb 183"C. Zur Anwendung kommen hier die unter der Bezeichnung Woodmerufl (50% Bi, 12,5% Cd, 12,5% Sn, 25% Pb, Schmelzpunkt 60"C), Roses Metull (52% Bi, 32% Pb, 16% Sn, Schmelzpunkt 96°C und Nrwronmeraff (53% Bi, 21% Cd, 26% Sn, Schmelz-

11.4

Zusatzwerkstoffe fur das Loten

46 1

Tabelle 11.8 Weichlote fur Schwermetalle. Anwendungsbeispiele und Eigenschaften (nach DIN E N I S 0 3677, DIN EN 29453, [11.2]) Lot

Anwendungbeispiel

Eigenschaft

S-Pb69Sn30Sb1

Kuhlerbau, Schinierlot

S-Pb58Sn40Sb2

Klempnerlot, Kuhlerbau

S-Sn60Pb40Sb

Feinblechpackung, Klempnerarbeiten

Lote mit hoheren Sn-Gehalten zeichnen sich durch gutes FlieBverhalten und kurze Erstarrungszeiten aus

S-Pb70Sn30 S-Pb60Sn40 S-Sn60Pb40Sb

Zinkblechlotungen Zinkblechlotungen, Verzinnungen Industrie-Feinlotungen

Durch Verminderung des SbAnteils wird die Benetzbarkeit des Lotwerkstoffs verbessert

S-Pb92Sn8

FeinblechDackungen

S-Sn60Pb40

Elektroindustrie, Redruckte Schaltungen

S-Sn63Pb37

gedruckte Schaltungen, Verzinnung

Verwendung von Sb-armen Loten, wenn die Bildung intermetallischer Phasen wahrend des Lotprozesses vermieden werden muR

S-Sn96Ag4

Warmwasserinstallation, Kaltetechnik, Feingerate- u. Medizintechnik

Lot hoherer Festigkeit, haufiger Einsatz als Reparaturlot

S-Pb98Ag2

Elektromotorenbau, Kaltetechnik

S-Sn95Sb5

Kaltetechnik, Zinnwaren

Fur niedrige Betriebstemperaturen geeignet

S-Sn50Pb32Cd18

Elektrotechnik, Elektronik, Lotungen an temperaturempfindlichen Bauteilen

~

~~

niedrige Solidustemperatur, dunne Silberauflagen werden beim Loten weniger angegriffen, hohere mechanische Festigkeit als die einfachen SnPb-Lote

punkt 103°C) bekannten Legierungen. Zu dieser Gruppe zahlt auch die in Tabelle 11.8 angefuhrte Legierung S-Sn50Pb32Cd18, die hauptsachlich in der Kondensatorenfertigung eingesetzt wird. Als Weichlote fur Aluminium und Aluminiumlegierungen kommen Lote auf der Basis Cadmium-Zink (S-Cd80Zn) bzw. Zinn-Zink (S-Sn90Zn, S-Sn60Zn) bei vorzugsweiser Verwendung fur Reiblotung in Betrachtung. Die Solidustemperaturen liegen in etwa denselben Bereichen wie die der Weichlote fur Schwermetalle, die Liquidustemperaturen im Mittel jedoch hoher. Bekannt sind fur Aluminiumwerkstoffe weiterhin Lote aus Zink-Aluminium (S-Zn95A1, Schmelztemperatur 385 "C) und das in Tabelle 11.8 angefuhrte Lot S-Sn50Pb32Cd18 mit einer Schmelztemperatur von 145 C.

11.4.2 Hartlote Wie schon erwahnt, sind Hartlote Lotwerkstoffe, deren Arbeitstemperaturen oberhalb 450°C liegen. Als solche kommen Kupferbasislegierungen sowie Silberlote und Aluminiumhartlote zum Einsatz. In Tabelle 11.9 sind Vertreter der Hartlote auf Kupferbasis aufgefuhrt. Um das Ausdampfen des Zinks und eine durch Eindiffusion von Wasserstoff verursachte Porositat der Lotnaht zu verhindern, enthalten die Messinglote einige Zehntel Prozent Silicium. Auch bei silberhaltigen Messingloten, in denen 5%

462

11

Werkstoffe f u r Verbindungen

Tabclle 1 1.Y Hartlote auf Kupferbasis. Arbeitstemperaturen und zu lotende Cirundwerkstoffc (nach D I N E N I S O 3677. DIN 8.513, [11.2])

Lot

Arbeitstemperatur in "C

Fur folgende Grundwerkstoffe geeignet

B-CuhOZn

YO0

Stahl. TemperguR, Kupfer, Kupfer-Knctlegierungen mit Solidustemperaturcn >YSO"C, Nickel und Nickel-Knctlcgierungen

B-CUYY (CU> 99%)

I100

unlegierter Stahl

B-CUY~P

710

Kupfcr. Messing

(59 . . . 62% Cu; 0.1 . . . 0.3% Si; Rest Zn)

(7,.5-8,S% P)

Kupfer durch Silber ersetzt werden, ist der Zinkabbrand eingeschrankt. Werden an die Lotstelle hinsichtlich Festigkeit und Korrosionswiderstand hohere Anforderungen gestellt, bieten sich Neusilberlote (46 his 50% Cu: 8 his 11% Ni: 0 , l bis 0 3 % Si, Rest Zink) an. Mit dem Lot B-Cu92P konnen an Kupferwerkstoffen fluBmittelfreie Lolungen vorgenommen werden. Das Lot hat ein gutes FlieBvermogen und zeichnet sich, auBer gegenuber schwefelhaltigen Medien, durch eine gute Korrosionsbestandigkeit aus. Wegen der Bildung sproder Phasen ist es fur das Loten von Eisenwerkstoffen sowie Nickel und Nickellegierungen aber nicht geeignel. Die Silberlote weisen gegenuber den Kupferbasisloten eine Reihe von Vorteilen auf, wie wenig oder gar kein Nacharbeiten, relativ niedrige Arbeitstemperaturen, universelle und leichte Anwendbarkeit, hohe Festigkeit der Lotverbindung bei ausreichender Verformbarkeit sowie gute Korrosionsbestandigkeit und Benetzbarkeit, denen zufolge sie insbesondere in Verbindung mit der Automatisierung des Lotvorganges bei Massenlotungen groBere Bedeutung erlangt haben. Silberlote sind Silber-Kupfer-Legierungen, deren Silbergehalt mindestens 12%, in der Mehrzahl der Falle aber 20 his SO% betragt. In diesem Legierungsbereich fallen die Kupferanteile von SO% auf 24% ah. AuBerdem enthalten die Silberlote noch Zink sowie Cadmium, Mangan oder Nickel. Eine Ausnahme bildet das zinkfreie Lot B-Cu80AgP mit 1SYo Silber, 5% Phosphor und 80% Kupfer (Tabelle 1 1.10). Lotwerkstoffe auf Basis Silber-Kupfer-Zink haben eine erhohte Zeitstandfestigkeit, auf Grund der sie bis zu Betriebstemperaturen von etwa 300°C eingesetzt werden konnen. Durch den Zusatz von Cadmium wird die Arbeitstemperatur erniedrigt. Nickel und Mangan verbessern die Benetzbarkeit beim Loten hochlegierter Stahle. Bevorzugte Anwendungsgebiete von Silberloten sind in Tabelle 1 1.10 zusammengestellt. Fur Betriebstemperaturen oberhalb 400°C werden Lote verwendet, die auch als Hochtemperaturlote bezeichnet werden. Zu ihnen gehoren Lote auf der Basis Silber-Mangan (85% Ag, 15% Mn) und Silber-Kupfer (92,5% Ag, 7,5% Cu), die his zu Temperaturen von 600°C ausreichende Festigkeit haben. Durch den Zusatz von Palladium konnen die Eigenschaften dieser Lote noch wesentlich vcrbessert werden. Der niedrige Dampfdruck der Silber-Palladium-Kupfer-Lote macht sie auch fur Lotverbindungen, die unter Vakuum stehen, besonders geeignet, man bezeichnet sie deshalb auch als Vakiiiinzlote. Hurrlote f i r Aluminiitnz und Aluminiumlegierungen sind auf Aluminiumbasis, wie B-A188Si, aufgebaut. Die Arbeitstemperaturen liegen zwischen 500 und

11.4

Zusatzwerkstoffe fur das Loten

463

Tabelle 11.10 Silerlote, zu lotende Grundwerkstoffe und Anwendungsbeispiele (nach D I N E N I S 0 3677, DIN 8513, [11.2]) Lot

Fur folgende Grundwerkstoffe geeignet

B-Cu5OZn AgCd TA= 800°C

Stahle, TemperguR, Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel, Nickellegierungen

B-Cu40ZnAgCd TA= 750°C

Stahle, TemperguB, Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, auch Kombinationen

B-Ag30CuZnCd TA= 680 " C

Stahle, TemperguR, Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel, Nickellegierungen

Werkstiicke rnit engem Lotspalt

B-Ag40ZnCdCu TA= 610°C

Kupfer, Kupferlegierungen, Gold-, Platinlegierungen, Dublee, Silberplattierungen, chemisch bestandige Stahle

Werkstiicke mit engem Lotspalt, Massenfertigung erhitzungsempfindlicher Werkstiicke

B-Ag49ZnCuMnNi TA= 690°C

Hartmetalle, chemisch bestandige Stahle, Wolfram- und Molybdan-Werkstoffe

groBe und kleine Lotungen

B-Ag44CuZn TA= 730°C B-Cu41ZnAg TA= 780°C B-Cu55ZnAg

Hauptanwendungsgebiete

Werkstiicke rnit breitem Lotspalt

Bandsagenlotungen Stahle, TemperguB, Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel, Nickellegierungen

groRe Lotungen

B-Cu38ZnAg TA= 750°C

Hartmetalle, chemisch bestandige Stahle

groRe und kleine Lotungen

B-Cu80AgP TA= 710°C

ohne FluRmittel: Kupfer und Kupferlegierungen rnit FluBmittel: Messing. Bronze. RotauR

kleine Lotungen (sprode Lotnaht) Ro hrverbindungen

B-AgSOCdZnCu TA= 640°C

Kupfer und Kupferlegierungen, Lotungen kleiner Teile Silber und Silberlegierungen (Kontaktnetze, Messerhefte)

600 "C. Die Aluminium-Silicium-Lote zeichnen sich durch eine gute Korrosionsbestandigkeit aus. Sie werden in Verbindung mit Schwermetallzusatzen auch fur Reparaturlotungen an GuBstucken verwendet. 11.4.3 Lote fur Werkstoffverbunde Die ErschlieBung neuer Anwendungsgebiete fur nichtmetallische Werkstoffe und die Nutzung bestimmter Eigenschaften von Glas, Keramik- oder Kohlenstofferzeugnissen macht es haufig erforderlich, die der speziellen Verwendung nicht genugende Festigkeit, Zahigkeit oder Bearbeitbarkeit dieser Materialien

11

464

Werkstoffe fur Verbindungen

Tabelle 1 1 . I 1 Lote zum Verbinden verschiedenartiger Werkstoffe (nach DIN EN I S 0 3677, EN 29453, DIN 8513. r11.21) Werkstoffkombination Metall

-

Lot

Hartmetall B-Ag4YZnCuMnNi

Eigenschaft

Verwendung

geringe Arbeitstempe- Bohrer, Drehratur, gute Benetzungs- meiBel, Fraser fahigkeit, hohe Festigkeit, fur alle Hartmetalle geeignet

Ag(87%)-Mn(lO%)Co(3%)

fur mechanisch und thermisch hoch beanspruchte Werkzeuge

Bu-Cu99

fur zahere Hartmetalle

B-Cu38ZnAg Metall - Keramik

Silberlote

gute Verbindung rnit molybdanbeschichteten Keramikoberflachen

Elektronik, luftdichte Stromeinfiihrungen in metallische Gehause

Pb-Sn-Lote

gute Verbindung mit eisenbeschichteten Keramikoberflachen

S-SnSOPb32Cd18

gute Verbindung mit silberbeschichteten Metalloberflachen

Metall - Glas

ln(50%)-Sn(S%)-Lot, In-Lote, Bi(S4%)-Sn(26%)-Cd(20%)Lot, Bi(50%)-Pb(31,3%)Sn(18,7%)-Lot Sn-Pb-Lote

Lote mit hoher Duktili- Elektronik, tat auf metallisierte Geratetechnik Glasoberflachen

Metall - Graphit

Ti(48”/,)-Zr(48’/,)-B(4%)-Lot

hoher Korrosionswider- Lotverbindunstand gegeniiber fliissi- gen in der Reakgen Metallen tortechnik

Pd-Ni-Cr-Lote Ni-Cr-B-Lote Au-Ni-Cr-Lote

Neigung zur Carbidbildung, verbunden rnit guter Benetzung

Mo-Lot

WarmeausdehnungsHerstellung riRkoeffizient wie Graphit freier Verbindungen

Beanspruchung bei hohen Temperaturen

durch einen Verbund rnit metallischen Werkstoffen auszugleichen. In diesen Fallen hat sich neben dem Kleben (s. Abschn. 11.3) das Loten als Fugeverfahren vielfach bewahrt. In Tabelle 11.11 sind metallische Lotwerkstoffe fur Kombinationen von Metall rnit Hartmetall, Keramik, Glas oder Graphit sowie Hinweise zu Eigenschaften und Anwendung zusammengestellt. 1st die Benetzung der nichtmetallischen Verbindungsteile durch das Lot mangelhaft, konnen auf diese vorher geeignete Metalluberzuge aufgebracht werden.

11.5

Zusatzwerkstoffe fur das Schweiljen

465

Bei der Auswahl von Loten zur Verbindung verschiedenartiger Werkstoffe ist fur die Gewahrleistung ausreichender Korrosionsbestandigkeit der voneinander abweichende elektrochemische Charakter sowie zur Vermeidung hoherer Eigenspannungen (Lotbruchigkeit) die unterschiedliche Warmeausdehnung der in die Verbindung eingehenden Werkstoffe zu beachten. Auch uber eine gunstigere konstruktive Gestaltung der Verbindung sowie durch niedrige Lottemperaturen und die Wahl eines Lotes mit groBem Verformungsvermogen (Spannungsabbau) kann dem Auftreten von Eigenspannungen entgegengewirkt werden.

11.4.4 Glaslote Fur das Verbinden von Glas mit Metal1 und Keramik sowie dieser Stoffe untereinander werden in zunehmendem MaBe auch Glaslote verwendet. Die geforderte Erweichungs- bzw. Lottemperatur richtet sich nach der Temperaturbestandigkeit und der Anwendungstemperatur der Bauteile. Die Lotglasschmelze sol1 die zu fugenden Teile gut benetzen, aber moglichst nicht durch Kontaktreaktionen verandern. Die Viskositat bei der Lottemperatur betragt 10' bis 10' Pas. Das Warmeausdehnungsverhalten mu13 angepal3t sein, A a I 7 . 10-7 K-1. Die niedrigsten Lottemperaturen, 400 bis SOO"C, erreicht man mit bleireichen Glasern des Systems PbO - Z n O - B203,dem man zur Verbesserung der Bestandigkeit noch S i 0 2und A1203zusetzen kann. Diese Lotglaser haben einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten von 8 bis 14.104 K-1. Benotigt man eine niedrigere Warmedehnung, so kann man bis zu 40% feingemahlenen Inertstoff mit geringer Warmedehnung, wie PEukryptit oder Cordierit zusetzen, und man erhalt Compositlote. Erniedrigend wirkt auch eine gezielte Kristallisation zinkoxidreicherer Bleizinkboratglaser. Die Kristallisation erfolgt wahrend der Warmebehandlung beim Fugen. Die Erweichungstemperatur ist dann hoher als beim Basislot, so da13 die Verbindung bei einem zweiten Lotvorgang aufrecht erhalten wird. Lotglaser werden nach dem Schmelzen in Wasser abgeschreckt, fein gemahlen und mit Olen und Losungsmittel zu einer Paste verarbeitet, die auf die zu fugenden Teile aufgetragen wird. Der Lotvorgang erfolgt meist in einem elektrisch beheizten Durchlaufofen. Hauptanwendungsgebiete sind die Vakuumtechnik die Halbleiterverkapselung und das Verbinden von Prazisionsteilen.

11.5 Zusatzwerkstoffe fur das SchweiRen Zur Herstellung unloslicher Verbindungen zwischen metallischen oder nichtmetallischen Konstruktionsteilen wie auch zum Aufbringen von Oberflachenschichten (s.a. Abschn. 8.2.4.2) durch SchweiBen werden je nach dem angewendeten SchweiBverfahren geeignete Zusatzwerkstoffe benotigt, die in Form von Drahten und Pulvern eingesetzt werden. SchweiBdraht findet als Zusatzwerkstoff oder Elektrodenkerndraht fur das Verbindungs- und AuftragschweiBen sowie zum Aufbringen von Spritzschichten Verwendung. Seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften sind im allgemeinen von untergeordneter Bedeutung, da das Material beim SchweiBen umgeschmolzen oder in den teigigen Zustand (Polymere) gebracht wird. Lediglich von den Unterpulver- und SchutzgasschweiBdrahten mussen zur Gewahrleistung eines einwandfreien Drahtvorschu-

466

11

Werkstoffe fur Verbindungen

bes bestimmte Festigkeitswerte erreicht werden. Von groBer Wichtigkeit ist dagegen die chemische Zusammensetzung sowie ein moglichst geringer Gehalt an Verunreinigungen. Grundsatzlich gilt, daB die chemische Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes der des zu schweiflenden Grundwerkstoffs soweit entsprechen soll, daB im SchweiBgut die fur den Einsatzfall geforderten Eigenschaften erreicht werden. Bekanntlich wird die SchweiBbarkeit von Stahl mit steigenden Kohlenstoffgehalten schlechter (s.a. Abschn. 3.1.5). Der Kohlenstoff begunstigt im SchweiBgut die Entstehung von Harte- und Warmrissen und verringert die Zahigkeit. Deshalb liegt die obere Grenze des Kohlenstoffgehaltes von Schweiljstahldraht in den meisten Fallen bei 0,lO bis 0,12%0.Silicium wird vor allem als Desoxidationsmittel zugesetzt, erhoht aber auBerdem die Festigkeit und verringert die kritische Abkiihlgeschwindigkeit. An der oberen Grenze liegende Siliciumgehalte (bis 1,4%) befinden sich - wegen der Reaktion des Schutzgases C 0 2 im Lichtbogen - in Zusatzdrahten fur das Metall-Aktivgas-SchweiBen (MAG-SchweiBen) beispielsweise von unberuhigten Stahlen zur Absicherung der Desoxidation und der Verhinderung der Porenbildung im SchweiBgut. MAG-Drahte fur wetterfeste Stahle sind zusatzlich mit Kupfer und Nickel legiert. Macht sich zur Verhinderung der Bildung von Poren eine sehr intensive Desoxidation erforderlich, wie das z. B. beim SchweiBen rostbehafteter Stahle der Fall ist, mussen aluminiumund titanlegierte Zusatzwerkstoffe verwendet werden. Mangan erhoht vor allem die Festigkeit der Schweiherbindung und verringert die kritische Abkuhlgeschwindigkeit. Beim Elektroschlackeschweifien (ES-SchweiBen) ist der Mangangehalt der SchweiBdrahte im allgemeinen hoher als im Grundwerkstoff, bei SchweiBdrahten fur das MAG-SchweiBen liegt er zwischen 1 und 2%. AuBer der Festigkeit verbessern Zusatze von Chrom den VerschleiBwiderstand der Schweiherbindung und setzen ebenso wie Nickel in Zusatzwerkstoffen fur das GasschweiBen (G-SchweiBen) die Uberhitzungsempfindlichkeit des SchweiBgutes herab. Daruber hinaus wirkt das Nickel kornfeinend und zahigkeitserhohend, so daB die mit nickellegierten Drahten geschweinten Nahte auch tiefen Temperaturen ausgesetzt werden konnen. Durch Molybdanzugaben wird neben der Kornfeinung und der Erhohung der Warmfestigkeit hauptsachlich eine Verbesserung der Korrosionsbestandigkeitder Verbindungszone beim SchweiBen von austenitischen Chrom-Nickel-Stahlen angestrebt. SchweiBdrahte (Elektrodenkerndraht) fur das LichtbogenschweiBen (E-SchweiBen) haben aul3erdem eine Umhullung, die wichtige Funktionen zu ubernehmen hat, wie die leichte Ziindung und Stabilisierung des Lichtbogens, das Auflegieren der SchweiBnaht sowie die Bildung eines Schutzgasmantels und einer Schlakkendecke, die das SchweiBbad vor dem Luftzutritt schiitzen. Die gleiche Aufgabe wie die Elektrodenumhullung haben beim Unterpulverschweinen (UP-SchweiRen) und ES-SchweiBen die SchweiJlpulver, die gemeinsam mit entsprechenden SchweiBdrahten zum Einsatz kommen. SchweiBpulver sind Mischungen auf Basis SO2,MnO oder A1203mit Zusatzen weiterer Oxide und gegebenenfalls auch metallischer Anteile, die sowohl fur das Verbindungsals auch AuftragschweiBen verwendet werden konnen. Bei der Kombination von SchweiBdraht und -pulver ist davon auszugehen, daB die Giite der SchweiBnaht metallurgisch gesichert ist; zu diesem Zweck konnen hochlegierte Pulver mit unlegiertem Draht und umgekehrt verschweiBt werden. Auch beim SchweiBen von polymeren Werkstoffen, das in den meisten Fallen als HeiBgasschweiBen geschieht, hat der Zusatzwerkstoff im Prinzip die Zusammen-

11.5

467

Zusatzwerkstoffe fur das SchweiRen

setzung des Grundwerkstoffes, enthalt aber in einigen Fallen, wie z.B. PVCSchweiBdraht, mehr Weichmacher. Der erhohte Weichmacheranteil verbessert die Plastizitat des Zusatzwerkstoffes soweit, daB der bis zum teigigen Zustand erwarmte SchweiBdraht ohne Schwierigkeiten in die SchweiBfuge gedruckt werden kann. 11.5.1 Zusatzwerkstoffe fur das SchweiOen von Stahl Zum SchweiBen von Allgemeinen Baustahlen sowie der schweirjgeeigneten Feinkornhaustahle (s.a. Abschn. 3.1.5 und 3.1.6) werden niedriggekohlte Drahte (C 5 0,2%) von Elektro- und Konverterstahlguten gehobener Reinheit (P, S 5 0,03%) verwendet, die legierungstechnisch dem SchweiBverfahren und dem zu schweiBenden Grundwerkstoff angepaBt sind. Als wichtige Beispiele aus dieser Gruppe seien genannt fur G-SchweiBen: E-SchweiBen: UP-SchweiBen: ES-SchweiBen:

C8G2W, 9MnNi4,17MnNi4 CSElW, ClOWSi, 11MnSi6 ClOW, ClOWSi, 11MnSi6,11Mn4Al 11Mn4Al

Tabelle 11.I2 Chemische Zusarnmensetzung von SchweiRzusatzwerkstoffen fur Allgemeine Baustahle und schweiRgeeignete Feinkornbaustahle (nach DIN 17 145) Stahlsorte

Chemische Zusammensetzung. Masse% Bereich oder Hochstwert C

Si

Mn

P

S

Al,,,

Cr

Mo Ni

1 IMn4AI

0.07-0.1s

0.15

0,80-1,20

0.030

omo

0.04

0.15

-

0.15

10MnSiS

o.om.12

n,so-o,m

i,no-i,30

0,025

0.025

0,02

n,is

0.15

o,is

11MnSi6

n,07-0,14

0,7o-i.n0

1.30-1,60

n,m

0.02s

0.02

o,is

0.15 0.15

10MnSi7

n,07-0,14

0,80-1,20

I,~O-I,YO 0,025 0.02s

0.03

n,is

n,is

0.15

9MnNi4

n,ns-n,is

o,os-0,20

n,~s-i,2s

n,m

0.020

0,03

0,20

-

0.35-0.60

17MnNi4

0,14-0,2s

0.10-0,3s

0,80-1,20

n,m

0.02s

0,03

0.20

-

O,~S-O,YO

13Mn12

n.m-0.16

ws-0.x

2,7s-3,25

0.025

0.025

0.03

0.15

-

0.1s

1 INiMn5-4 0.07-0,IS

0.15

0.80-1.20

0.015

0.01s

0.03

0.20

-

1.10-1-60

11NiMnY-4 0.07-0.1s

0.15

0,80-1,20

0.01s

wis

n,m

0,20

-

2.00-2.sn

468

11

Werkstoffe fur Verbindungen

Angaben uber die chemische Zusammensetzung der angefuhrten sowie weiterer haufig genutzter Zusatzwerkstoffe fur die genannten Stahlgruppen enthalt Tabelle 11.12. Grundsatzlich ist zu beachten, daB die chemische Zusammensetzung des SchweiBgutes durch Wechselwirkung des SchweiBstabes oder -drahtes mit der aus Umhullung oder Pulver entstehenden Schlacke und dem gegebenenfalls im Schutzgas vorhandenen Sauerstoff modifiziert wird. Beim SchutzgasschweiBen (MAG/Metallaktivgas/-, MIG/Metallinertgas/- und WIG/Wolframinertgas/-SchweiBen)ist zur Sicherung der abschirmenden Wirkung des stromenden Gases Luftzug, z. B. durch Umhausung der SchweiBstelle, zu vermeiden. Andernfalls entstehen in der entsprechenden Lage Poren, wie in Bild 11.3 am Beispiel einer MAG-SchweiBung gezeigt. In Bild 11.4 ist das typische GuBgefuge des fehlerfreien SchweiBgutes der darunterliegenden Lage und das gegenuber dem Grundwerkstoff durch den thermischen Zyklus des Prozesses modifizierte Gefuge der nahtnahen WarmeeinfluBzone wiedergegeben.

Bild 11.3 Makroaufnahme MAG-SchweiBung. V-Naht, 12-mm-Blech, unlegierter Baustahl O.lS”/o C. Porenbildung in Mittellage durch Zugluft. Nahtnahe WarmeeinfluRzone (WEZ) erkennbar. Atzung 5% alk. H N 0 3

Bild 11.4 Gefuge der SchweiRverbindung a ) Ubergang vom SchweiBgut mit Widmannstattenschem Gefuge zurn uberhitzten Grobkornbereich der W E Z b) Ubergang vom Grobkorn- zum Feinkornbereich der W E Z c) Ubergang vom Feinkornbereich der W E Z zurn unbeeinfluBten Grundwerkstoff

11.5

Zusatzwerkstoffe fur das SchweiBen

469

Fur das SchweiRen der wetterfesten Baustahle sind die Zusatzwerkstoffe der Feinkornstahle des gleichen Streckgrenzenniveaus geeignet. Um die Farbnuancen des Rostes von Naht und Grundwerkstoff anzupassen, konnen zum SchweiBen der Decklage artahnliche Zusatzwerkstoffe venvendet werden. Zum SchweiRen thermomechanisch behandelter sowie wasservergiiteter Stahle mit angehobener Streckgrenze, der Stahle mit gewahrleisteter Tieftemperaturzahigkeit oder Warmfestigkeit stehen gleichfalls spezifische Zusatzwerkstoffe als Stabelektroden, Massiv- oder Fulldrahte zur Verfugung. Als Beispiel sind in Tabelle 11.13 im Falle der warmfesten Stahle die Zusammensetzung der

Tabelle 11.13 Chemische Zusammensetzung der SchweiRstabe, SchweiBdrahte und Drahtelektroden zum SchutznasschweiRen von warmfesten Stahlen (nach DIN 8575, 111.31) Chemische Zusammensetzung, Masse% (Bereich oder Hochstwert)

Kurzname

S

Cr

Mo

V

andere

0,90- 0,02 1,30

0,02

-

0,400,60

-

-

0,02

0,02

0,300.60

0,5G 0,201.00 0.40

0,500,SO

0,8O- 0,02 1,20

0,02

1,OO- 0,401,30 0,60

-

-

0,5& 0,80

0,SO- 0,02 1,20

0,02

2,303,OO

0,901,20

-

-

0,10

SG CrMo 5

0,030,lO

0,300,60

0,300,70

0,02

0,02

5,506,50

0,500,80

-

-

SG CrMo 9

0,030,lO

0,4O- 0,400,SO 0,80

0,02

0,02

8,5010,o

0,801,20

-

-

0,200.60

0,02

0,02

10,512.0

0,801,20

0,200.40

Ni