Produkt Funktionalität

Die Funktionalität des Gussstücks und seine beabsichtigte Anwendung sind bei der Entwicklung eines neuen Bauteils wichtige Ausgangspunkte. Von großer Bedeutung hierbei sind die folgenden Fragen:

  • Wozu dient das Produkt?
  • Wie fest oder hart muss ein Produkt sein?
  • Muss das Produkt gegen extreme Temperaturen beständig sein?
  • Muss das Material gegen Korrosion beständig sein?
  • Welches Aufmaß muss erreicht werden und welche Maße sind kritisch?
  • Wie muss das Produkt eingebaut werden?

Mit Hilfe dieser wichtigen Fragen kann die Funktionalität eines Produkts festgestellt und anhand dieser wiederum der Entwurf für ein Gussstück erstellt werden. Ausgehend von der Funktionalität kann man die besten technischen Produkte zum günstigsten Produktionspreis herstellen. Es werden die Elemente ermittelt, die funktionell notwendig sind. Dieses Vorgehen ist kennzeichnend für unsere spezifische Arbeitsweise.

Materialauswahl für eine spezifische Anwendung

Auf der Grundlage der Funktionalität eines Produkts wird das Material ausgewählt. Alle Stahllegierungen haben spezifische Eigenschaften. Auf Grund dieser Eigenschaften wird die Stahlsorte ausgewählt, die für die beabsichtigte Anwendung am besten geeignet ist. Bei jedem Produkt kommt es darauf an, dass es strapazierfähig ist und nicht leicht bricht. Die Eigenschaften, die diesbezüglich eine Rolle spielen, nennt man die mechanischen Eigenschaften eines Materials. Neben den mechanischen sind auch thermische und chemische Eigenschaften bei der Auswahl des richtigen Materials von Bedeutung.

Unsere Metallurgen können Sie dabei unterstützen, die für Ihre Anwendung am besten geeignete Stahllegierung auszuwählen.

Mechanische Eigenschaften

Elastizität

Die Elastizität eines Materials gibt an, wie leicht es sich bei Einwirkung einer Kraft in der Länge verändert. Ein Material ist elastisch, wenn es sich bei Einwirkung einer Kraft verformt. Diese Verformung ist nicht dauerhaft. Das bedeutet, dass das Material seine ursprüngliche Form wieder annimmt, sobald die Kraft nicht mehr einwirkt*. Die Elastizität eines Materials wird durch den Elastizitätsmodul ausgedrückt. Dieser wird auch der Youngsche Modul beziehungsweise E-Modul genannt. Die Einheit des Elastizitätsmoduls ist eine Kraft auf einer Oberfläche oder N/m2 oder Pa. Meistens wird die größere Einheit N/mm² = MPa verwendet. So hat Stahl einen E-Modul von 210.000 MPa = 210 G Pa.

* Ein gutes Beispiel aus der Praxis ist das Dehnen eines Gummis. Wirkt auf ein Gummi eine Kraft ein, verändert es sich in der Länge. Nach Aussetzen der Kraft nimmt das Gummi seine ursprüngliche Form wieder an, ohne sich dauerhaft verändert zu haben.

Zugfestigkeit und Streckgrenze

Es ist wichtig, zu wissen, mit welcher Kraft an einem Produkt aus einem bestimmten Material gezogen werden kann, ohne dass dieses bricht. Das Material verformt sich elastisch bis zur Streckgrenze (Re). Danach verformt sich das Material dauerhaft („plastisch“). Die Zugfestigkeit ist die maximale mechanische Spannung, die in einem Material auftritt, wenn es nach der plastischen Verformung bricht.

Unter der Zugfestigkeit von zum Beispiel Stahl verstehen wir die höchste Zugkraft in Newton (N), die auf einen Stahlstab mit einem Querschnitt von 1 mm2 einwirken kann. Wenn die Zugfestigkeit von Stahl beispielsweise 360 N beträgt, heißt das, dass an einem runden Stück Stahl mit einem Querschnitt von 1 mm2 mit einer Kraft von 360 N gezogen werden kann, ohne dass der Stab bricht, bzw. mit 720 N bei einem Querschnitt von 2 mm2. An diesem Stab kann also gerade noch mit einem Gewicht von 36 kg gezogen werden, ohne dass er bricht.

Praktisch gesehen spielt die (0,2%) Streckgrenze eine wichtigere Rolle. Ab der Streckgrenze (Re) verformt sich das Material plastisch. Die Verformung des Materials ist unerwünscht, da sich Funktionalität, Festigkeit und Sicherheit des Produkts in diesem Fall nicht gewährleisten lassen. Die maximale Streckgrenze wird in N/mm² angegeben. Dieser Wert drückt aus, welcher Spannung das Material maximal ausgesetzt werden kann, bevor die plastische Verformung beginnt.

Härte

Die Härte eines Materials ist der Widerstand, den das Material der dauerhaften mechanischen Verformung entgegensetzt. Sie bestimmt entscheidend, in welchem Maße ein Material beständig gegen Verschleiß ist. Zur Bestimmung der Härte gibt es verschiedene Verfahren. Die gängigsten Messmethoden sind:

  • Brinell (Einheit: HB)
  • Vickers (Einheit: HV)
  • Rockwell (Einheit: HRB oder HRC)

Die Härte wird gemessen, indem eine harte Spitze oder eine Kugel mit Standardabmessungen an ein Material gedrückt wird. Anschließend wird die Größe der Vertiefung gemessen, die sich in dem getesteten Material gebildet hat. Während die Messspitze in das Material gedrückt wird, nimmt die Kontaktfläche allmählich zu. Dadurch nimmt der Druck der Spitze auf das Material ab, und zwar bis zu dem Moment, in dem die Spitze nicht weiter in das Material eindringt. Das Ausmaß des Eindrucks gibt den Härtewert an.

Verschleißfestigkeit

Een slijtvast staal is een staalsoort met een hoge weerstand tegen slijtage door wrijving. De slijtvastheid wordt verhoogd door het materiaal te harden. Een materiaal met hoge hardheid zal een materiaal met lagere hardheid doen slijten.

Sprödigkeit und Zähigkeit

Die Sprödigkeit eines Materials bezeichnet seine Eigenschaft, ohne viel Dehnung zu brechen. Ein spröder Bruch ist ein Bruch, bei dem das Material wenig Energie benötigt, um zu brechen. Sprödes Material bricht bei einer bestimmten Zugspannung sofort.

Die Zähigkeit eines bestimmten Materials sagt etwas über die Art und Weise aus, in der dieses unter mechanischer Belastung bricht. Zähes Material verformt sich unter zunehmender mechanischer Spannung schließlich plastisch. Danach kann die Belastung noch weiter zunehmen, ohne dass es sofort zum Bruch kommt. Zähes Material verformt sich stark, bevor es bricht. Die Zähigkeit gibt auch an, wie groß der Widerstand gegen den Fortschritt von Kerben und Rissen ist.

In der Praxis wird die gewünschte Bruchzähigkeit eines Materials mit dem Kerbschlagwert angegeben. Wenn Anforderungen an das Material gestellt werden, zählen dazu neben der Festigkeit häufig auch ein Kerbschlagwert bei einer bestimmten Temperatur. Der Kerbschlagwert gibt die Energie an, die nötig ist, um einen Stab zu brechen. Zähe Materialien haben folglich einen höheren Kerbschlagwert als spröde.

Die gemessene Zähigkeit eines gegebenen Materials ist – außer von dem Material selbst – abhängig von der Dicke des Werkstücks, der Temperatur, der Geschwindigkeit der Verformung und dem Vorhandensein von Kerben oder Rissen.

Chemische Eigenschaften

Korrosionsbeständigkeit

Korrosion (besser bekannt als „Rost“) ist die Zersetzung von Metallen durch Einwirkung ihrer Umgebung.

Sobald Metalle in Kontakt mit Luft kommen, gehen sie eine Verbindung mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff ein. Dieser Prozess wird Oxidation genannt. Rost ist das rotbraune Material, das entsteht, wenn Eisen mit Sauerstoff bei Vorhandensein von Wasser reagiert. Rosten ist der häufig verwendete Begriff für eine Form von Korrosion eisenhaltiger Materialien wie Stahl.

Korrosion führt zu einem Verlust an Festigkeit, da die Korrosionsprodukte (Oxide und Salze) viel schwächer sind als das Metall. Die Korrosionsprodukte bröckeln ab und die Metalle werden dünner. Rost kann sogar Löcher in Produkte fressen.

Nicht rostender Stahl, der auch Edelstahl oder Stainless Steel (SS) genannt wird, ist eine Stahllegierung, die gegen Korrosion beständig ist. Edelstahllegierungen bestehen u.a. aus Nickel (Ni) und Chrom (Cr). Durch Zusatz von Chrom zu einer Stahllegierung wird an der Oberfläche eine Chromoxidschicht aufgebaut. Dadurch wird die Oberfläche beständiger gegen Korrosion. CIREX berät Sie gerne zu den Anwendungsmöglichkeiten und Eigenschaften von Edelstahllegierungen.

Säurebeständigkeit

Die Säurebeständigkeit ist der maximale Säuregehalt, den ein Material absorbieren kann, ohne im Laufe der Zeit zu verschleißen. Sie drückt das Maß aus, in dem ein Material gegen saure Flüssigkeiten beständig ist. Denken Sie hierbei etwa an Flüssigkeiten wie Natriumchlorid.

CIREX kann Sie im Hinblick darauf beraten, welche Materialien zur Verwendung in einem sauren Milieu geeignet sind. Dabei können wir Ihnen auch eventuell erforderliche Oberflächenbehandlungen empfehlen.

Thermische Eigenschaften

Dehnungskoeffizient

Stahl dehnt sich, genau wie die meisten anderen Materialien, bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. Das Maß, in dem sich ein Material zusammenzieht oder ausdehnt, wird durch den thermischen Dehnungskoeffizienten angegeben. Der thermische Dehnungskoeffizient wird pro °C ausgedrückt.

Die meisten Materialien dehnen sich bei Erwärmung aus, haben also einen positiven Dehnungskoeffizienten. Bei höheren Temperaturen vibrieren die Moleküle stärker, wodurch sie mehr Raum einnehmen (das Volumen wird größer). Je stärker die Atome aneinander gebunden sind, desto niedriger ist der Dehnungskoeffizient. Stahl hat im Allgemeinen einen hohen Dehnungskoeffizienten.

Hitzebeständigkeit

Von hitzebeständigem Material sprechen wir, wenn die Stahllegierung auch unter Einwirkung von sehr hohen Temperaturen ihre mechanischen Eigenschaften beibehält. Hitzebeständige Stahlsorten sind sehr beständig gegen Oxidation und den Einfluss heißer Gase und Verbrennungsprodukte bei Temperaturen von über 600 °C. Diese Metalle behalten ihre Form, ihre Funktionalität und ihr Aufmaß auch dann bei, wenn sie sehr hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Legierungselemente, die die Hitzebeständigkeit fördern, sind u.a. Nickel (Ni) und Chrom (Cr).

Dank des Vorhandenseins von Nickel und Chrom sind die meisten Edelstahlsorten auch hitzebeständig, allerdings in weniger starkem Maße als hitzebeständige Stahlsorten.