Werkstoffkunde 2 (Subject) / Nichteisenmetalle (Lesson)

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• Welche Metalle bezeichnet man als Leichtmetalle und was sind die wichtigsten Vertreter? Als Leichtmetalle bezeichnet man Metalle mit einer Dichte unter 4,5 Mg/m3 Aluminium Magnesium Titan
• Welche technischen Besonderheiten des Aluminiums sind für seine Anwendung vorteilhaft? Korrosionsbeständigkeit sehr gute Umformbarkeit gute elektrische und thermische Leitfähigkeit geringes spezifisches Gewicht
• Welches Reduktionsverfahren wird bei der Herstellung von Aluminium verwendet? Nennen Sie den Namen und die wesentlichen Merkmale (3) Schmelzflusselektrolyse nach dem Kryolith-Tonerde-Verfahren Herabsetzung des Schmelzpunktes von 2000° auf ca. 900° durch Schmelzen mit Kryolith Prozesstemperatur 950°-980° Anode, Kathode aus Kohlenstoff Anode reagiert mit Sauerstoff zu Co2
• Welche 3 Arbeitsschritte gehören zur Wärmebehandlung "Aushärten" von Aluminiumlegierungen? Erläutern Sie diese Arbeitsschritte anhand eines geeigneten Zustandsdiagramms (z.B. Alu-Cu) und eines Temperatur-Zeit-Diagramms. Welche inneren Vorgänge laufen jeweils ab? (8) 1) Lösungsglühen2) Abschrecken3) Auslagern 1) Erwärmung bis in das Gebiet der homogenen α-MK etwas unterhalb der eutektischen Temperatur. Cu ist vollständig gelöst. Glühdauer je nach Art der Legierung, Form und Größe der Werkstücke2) durch schnelle Abkühlung wird die Ausscheidung von Cu verhindert. Homogener Mischkristall mit CU in Zwangslösung, übersättigt. weicher Werkstoffzustand3) Je nach Legierung Warm- oder Kaltauslagerung. Bauteil wird liegen gelassen. Es bilden sich feine Ausscheidungen im Inneren des Korns. -> Hindernisse für Versetzungsbewegungen -> Festigkeit steigt erheblich an
• Was versteht man unter Überalterung bei warmaushärtbaren Legierungen? Was muss beachtet werden, um Überalterung zu vermeiden? Überalterung entsteht durch zu hohe Temperaturen und zu lange Zeit während der Auslagerungsphase. Statt vieler fein verteilter Ausscheidungen erhält man wenige große Ausscheidungen. Teilchenvergröberung. bevorzugt im Korngrenzenbereich statt im Innern. Festigkeit sinkt erheblich. Vermeidung: angemessene Temperatur und Zeit
• Nennen Sie je eine aushärtbare und eine nicht-aushärtbare Aluminium-Legierung Aushärtbar: AlMgSi_Legierung Nicht aushärtbar: AlMn-Legierung
• Welches Herstellungsverfahren kommt zur Herstellung von Profilen aus Aluminiumlegierungen hauptsächlich zum Einsatz? Nennen Sie den Namen und beschreiben bzw. skizzieren Sie das Verfahren. (3) Strangpressen - Metall wird in festem Zustand bei erhöhter Temperatur durch ein Werkzeug gedrückt. Endlose Profile lassen sich kostengünstig herstellen. Vorteile:- niedrige Temperaturen (bis 500°)- niedrige Presskräfte- komplexe Formen möglich Anwendungen: Fensterprofile, Elektromotorgehäuse, Versteifungsprofile im Fahrzeugbau
• Was ist die Ursache für die sehr gute Umformbarkeit von Aluminium? Seine kfz-Struktur
• Welche Eigenschaft von Aluminiumlegierungen nutzt man bei der Anwendung für Leichtbaukonstruktionen aus? Nennen Sie 2 Beispiele für die Anwendung von Aluminiumlegierungen im Leichtbau (3) Das Ausnutzen von Verhältnis Dichte zu Festigkeit, z.B. Flugzeugbau, Fahrzeugbau
• Mehr als 75% der Produktion von Aluminiumgussteilen sind aus Legierungen mit dem Hauptlegierungselement Silizium. Warum sind Al-Si-Legierungen besonders gut als Gusslegierungen geeignet? In welchem Konzentrationsbereich liegen die gebräuchlichen Al-Si-Legierungen? Legierung mit Silizium lassen sich am besten gießen, weil niedrige Schmelztemperatur gute Fließfähigkeit der Schmelze geringe Schwindung geringes Erstarrungsintervall Konzentrationsbereich liegt zwischen 7% und 12%
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• Wofür steht der Begriff Eloxieren? Wie unterscheiden sich eine Hartanodisierschicht und eine dekorative Eloxalschicht? = elektrolytisches Oxidieren. Werkstück wird in Elektrolytbad gegeben und gegenüber einer Elektrode anodisch gepolt Hartanodisierschicht: dick und porös (kann Schmierstoffe aufnehmen), guter Verschleissschutzdekorativ: dünn und dicht gegen Umgebungsmedien, guter Korrosionsschutz
• Welche Vor- und Nachteile haben Magnesiumlegierungen gegenüber Aluminiumlegierungen für die Herstellung von gegossenen Gehäusen? Vorteil: leichter, (gut gießbar und Schweißbar) Nachteil: Korrosionsbeständigkeit, schlecht kaltumformbar (wegen hdp-Struktur), niedriger E-Modul, Kriechneigung bereits ab 100°
• Magnesium ist unter den gebräuchlichen Metallen das leichteste, also prädestiniert für den Leichtbau. Was sind dennoch Hauptprobleme bei der Anwendung? Kriechneigung bereits ab 100° (Zulegierung con Cer) außerordentlich korrosionsempflindlich (eloxieren oder Begleitelemente entfernen) leicht entzündlich durch mechanische Bearbeitung relativ geringe Festigkeit (ausscheidungshärtbare Legierungen, Al, Zn) schlecht kalt umformbar aufgrund hdp-Struktur nur durch Gießen zu verarbeiten (teuer, da unter Schutzatmosphäre) Aber Vorteil:durch niedrige Schmelztemperatur im Druckguss vorteilhaft - hohe Ausstoßraten und lange Werkzeugstandzeiten
• a) Wegen welchen technischen Vorzugs wird Magnesium in zunehmendem Maße im Automobilbau verwendet? b) Welches Verarbeitungsverfahren kommt dabei vorwiegend zum Einsatz und was hat das mit der Gitterstruktur des Mg zu tun? a) geringes spezifisches Gewicht b) Mg wird vorwiegend im Druckguss verarbeitet. Kaltumformung ist schlecht wegen hdp-Struktur
• Welche technischen Probleme muss man bei der Verwendung von Magnesium berücksichtigen? Korrosionsanfälligkeit, geringe Festigkeit und Kriechen oberhalb ca. 120°, schlecht kaltumformbar und Gefahr des Entflammens bei mechanischer Bearbeitung
• Was versteht man unter AZ91 und welche Funktion haben die Legierungselemente? MgAl9Zn1: Al und Zn bilden festigkeitssteigernde Ausscheidungen in Mg
• Eigenschaften und 4 Gruppen von Titan schwerstes Leichtmetall, sehr hohe Festigkeitswerte, hoch temperaturbeständig, sehr hohe Korrosionsbeständigkeit,E-Modul 110 GPaSchmelztemperatur: 1670°hdp-Struktur Reintitanα-Titanβ-Titanα/β-Titan
• Welchner technische Bereich ist Hauptabnehmer für Titanlegierungen? Warum sind Titanlegierungen in diesem Bereich besonders interessant? Nennen Sie eine Titanlegierung Luft- und Raumfahrt (Sport, Medizintechnik, Modewerkstoff) Weil wesentlich höherfeste Legierungen, höhere Steifigkeit und gute Warmfestigkeit Ti Al 5 Sn2
• Welcher Unterschied besteht zwischen alpha, beta und alpha/beta Titan a) in der Struktur b) in den Eigenschaften a) α : hdp , β= krz, α/β= Koexistenz von hdp und krz-Körnern b) α= hohe Warmfestigkeit    β= hohe Festigkeit bei geringeren Temperaturen, gute Umformbarkeit    α/β = sehr hohe Festigkeit nach Härtung bei geringem Gewicht
• Besonderheiten alpha Titan hdp-Struktur Durch Legierungselemente höhere Warmfestigkeit Verwendung in Flugzeug-Triebwerken, langsame Eindiffundierung von versprödenden Elementen
• Besonderheiten beta Titan Legierungselemente: Vanadium und Chrom krz-Struktur, besser kaltumformbar, höhere Festigkeit aber relativ schwer
• Besonderheiten alpha-beta-Titan Beispiel: TiAl6Va - Zulegierung von sowohl alpha- als auch betastabilisierenden Elementen Mischgefüge mit alpha-Mk und beta-Mk Festigkeit wie beta-Titan, aber Dichte wie alpha-Titan Aushärtbar Festigkeitssteigerungen durch1) Gitterverzerrung durch Übersättigung mit Fremdatomen2) Bildung fein verteilter Ausscheidungen im Korninnern
• Was sind die Vorzüge / Nachteile von Reinkupfer? ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit (->Wärmetauscher) hohe Korrosionsbeständigkeit (Kupferrohre für Wasserleitungen, Dachrrinnen) kfz-Struktur, sehr leicht umformbar (Rohre biegen, Gas-Wasser) mechanische Eigenschaften nicht so gut (E-Modul 125 GPa, Rm 200-360 MPa, Schmelztemperatur 1083°)
• Welches Problem ergibt sich doch Sauerstoffgehalte im Kupfer? Zum Desoxidieren von Kupfer wird u.a. Phosphor verwendet. Für welche Anwendungen ist mit höheren Phosphorgehalten (-0,4%) desoxidiertes Kupfer geeignet, für welche Anwendung nicht? Problem: WasserstoffkrankheitEntstehung von Rissen und Hohlräumen in sauerstoffhaltigem Cu bei Kontakt mit H2 haltigen Gasen (schweißen, löten)high P : am besten löt- und schweißbarnicht geeignet für elektrische Leitzwecke
• Was ist besonders wichtig für die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers? Reinheitsgrad des Kupfers, da Fremdatome oder Ausscheidungen Stolpersteine für den Stromfluss darstellen
• Was ist die Wasserstoffkrankheit? Und wie kann man Abhilfe schaffen? Kupferschmelzen nehmen leicht Sauerstoff auf. Dieser verbindet sich mit Kupferatomen zu Kupferoxid. Zum Beispiel beim Schweißen diffundiert der Wasserstoff des Brennergases in die Metalloberfläche und leitet eine Reduktion ein, bei der Wasserdampf entsteht. Dieser sprengt das Gefüge= Versprödung des Kupfers Abhilfe: sauerstoffreie Kupfersorten, mit Phopshor für Löten und Schweißen, aber nicht für elektr. Leitfähigkeit
• Die wichtigsten Werkstoffe für elektrische Leitzwecke sind Kupfer und Aluminium. Warum wird für Verkabelung in Gebäuden Kupfer verwendet, für Hochspannungsleitungen dagegen Aluminium? Kupferleitfähigkeit 100%, Aluminiumleitfähigkeit 62% Aluminium ist fast 3x so leicht, deswegen wird es für Hochspannungsleitungen verwendetAluminium ist mit 1 EUR / kg billiger als Kupfer
• Welche Kupfer-Zink-Legierungen (Messing-Sorten) sind gut kaltverformbar, welche gut spanbar? Begründen Sie ihre Antwort anhand der Gefügestruktur gut kaltverformbar: α-Gefügegut spanbar: α+β (Verbesserung durch Zugabe von Pb)α-Mk ist kfz wegen Kornstreckung -> keine Rissbildungα+β ist krz
• Eigenschaften von Messing. Was ist Messing? Messinge sind Kupferlegierung mit Zink als Hauptlegierungselement. Zink bis 36% Anteil löst sich in Cu, bildet homogene α-Mk (kfz wie Cu) -> hervorragende Kaltumformabarkeit. Über 36% Zink-Anteil bildet sich harte, spröde β-Phase. Mischgefüge schlechter kaltumformbar. β-Phase verbessert Warmumformbarkeit und Festigkeit. Verwendung für mechanisch und korrosiv beanspruchte Bauteile - hohe Korrosionsbeständigkeit In Summe: Messing vereint Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit von Kupfer mit Festigkeit und Zerspanbarkeit
• Eigenschaften von Bronze bessere Korrosionsbeständigkeit als Cu und fester und härter als Messing alle hochlegierten Cu-Legierungen außer Messing, meistens Zinn (Sn) je mehr Zinn, je fester auch für Gussverfahren geeignet besonders korrosionsbeständig Aluminiumbronzen (Al fördert Passivschicht)
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• Nennen Sie 3 techn. Eigenschaften des Kupfers (außer elektr. Leitfähigkeit), die für seine Anwendung im Maschinenbau besonders wichtig sind. Sehr gute Umformbarkeit, sehr gute Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit
• Welche Gitterstruktur hat Kupfer und wie wirkt sich das auf seine Eigenschaften aus? kfz ist verantwortlich für die sehr gute Umformbarkeit
• Welches Legierungselement enthalten alle Messingsorten? Warum werden Wasserzähler, Wasserhähne usw. eher aus Messing statt aus Kupfer hergestellt? Zink Messing ist fester und besser zerspanbar als Rein-Kupfer
• Was ist Bronze? Welche Vorteile hat sie gegenüber Messing? Hochlegierte Kupferlegierungen außer MessingBronze enthält meist Zinn als Hauptlegierungselement, kann aber auch Al, Si oder so enthaltenBessere Korrosionsbeständigkeit, höhere Festigkeit
• Was ist CuZn39Pb3? Was bewirkt der Zusatz von Blei?Wofür wird diese Legierung verwendet? (Begründung anhand der Gefügestruktur) Kupfer-Zink-Blei-Legierung39%Zink, 3%BleiBlei als zusätzlicher Spanbrecher und Festschmierstoff wird verwendet für Formdrehteile aller ArtGefügestruktur: krzBlei scheidet sich an den Korngrenzen ab, da es im α-Kristall unlösöich ist und wirkt somit kornfeinend und spanbrechend
• Nickel und Nickellegierungen - Eigenschaften kfz -> sehr gut umformbar sehr gut korrosionsbeständig auch bei hohen Temperaturen gute Warmfestigkeit E-Model so hoch wie Stahl 210.000 MPa ferromagnetisch
• Hochwarmfeste Nickellegierungen Kombination hohe Schmelztemperatur sowie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen -> Turbinenschaufeln in Flugzeug-Triebwerken, aber auch sehr fest Chrom verbessert Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit durch MK-Bildung Aluminium verbessert Oxidationsbeständigekeit und Festigkeit durch Ausscheidungen Titian bildet auch Ausscheidungen und thermisch stabile Carbide -  hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen Kobalt und Molybdän steigern Warmfestigkeit
• Hartmetalle - hohe Einsatztemperaturen -> Zerspanungswerkzeuge bestehen meist aus 90% Wolframcarbid und 10% Cobalt Herstellung: Hartstoffpulver wird geformt und gesintert
• Welche Nachteile in den Gebrauchseigenschaften haben Al-Gusslegierungen gegenüber Al-Knetlegierungen? Geringere Festigkeit, spröder
• Was für eine Legierung ist AlSi12 und wofür wird sie verwendet? 12% Silizium, Rest Aluminium Gusslegierung
• Welchen besonderen Vorteil hat Magnesium ggü. allen anderen gebräuchlichen Metallen? Sehr geringes spezifisches Gewicht (1,7 Mg/m3)
• Was versteht man bei den Magnesiumlegierungen unter HP-Legierungen und welche Eigenschaften zeichnen sie gegenüber anderen Mg-Legierungen aus? HP = High Purity Legierungen, d.h. sehr geringe Anteile an korrosionsfördernden Begleitelementen wie Fe. Dadurch nimmt die Korrosionsbeständigkeit zu
• Bei welcher Beanspruchungsart haben Mg-Legierungen eine besonders gut Leichtbaueignung? Widerstand gegen Beulen bei Druck, Biegebeanspruchung
• Welche Eigenschaften zeichnen Titan aus? Sehr hohe Festigkeit bei geringem spezifischen Gewicht
• In welche Gruppen teilt man Titan nach dem Gefügezustand ein und welche Gitterstrukturen haben diese? α - hdpβ - krzαβ - hdp+krz
• Warum werden Hüftgelenkimplantate z.T. aus Titan hergestellt? Titan ist korrosionsbeständig im Körper und ruft keine Abwehrreaktionen des Körpers hervor. Titan hat zudem eine hohe Dauerfestigkeit bei Wechselbelastung und ist relativ leicht.
• Bei welcher Versagensart weist Titan eine besonders gute Leichtbaueignung auf? Widerstand gegen Bruch bei Zugbeanspruchung
• a)Nennen Sie typische Einsatzgebiete für Bronze und Messing b)Welche Vorteile zeichnen diese Werkstoffe ggü Stahl aus a) Mechanisch beanspruchte Bauteile in korrosiver Umgebung. Bronze hat eine etwas bessere Korrosionsbeständigkeit und Festigkeitb) Bessere Korrosionsbeständigkeit besonders in saurer Umgebung. Automatenlegierungen: gute Zerspanbarkeit
• a) Woraus bestehen Hartmetalle? b) Wofür werden sie eingesetzt? c) Wie werden sie hergestellt? a) Hartstoffpulver (meistens Wolframcarbid) in metallischer Matrix (meistens Cobalt) b) Werkzeuge für die Metallbearbeitung c) Hartstoffpulver wird mit Metallpulver durchmischt und dann gesintert
• a) Wofür werden Nickel-Superlegierung verwendet? b) Welche Anforderungen muss dieses Metall erfüllen? c) Welchen Vorteil hat es, wenn die Verbrennungstemperaturen gesteigert werden können? a) Flugzeugturbinen b) hohe Warmfestigkeit, gute Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen, Zunderbeständigkeit c) Der Wirkungsgrad der Turbine steigt

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