IV. Werkstoffkunde

IV. Werkstoffkunde 

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Werkstoffen muss 

das geeignete Material für jedes Bauteil und Werkzeug so ausgewählt 

werden, dass es seine Aufgabe optimal erfüllt. 

Einteilung der Werkstoffe in Werkstoffgruppen 

Eisen- 

werkstoffe 

Stähle Eisen- 

Guss- 

Werkstoffe 

Metalle Nichtmetalle Verbundwerkstoffe 

Nichteisen- 

metalle 

Schwermetalle 

Leichtmetalle 

Naturwerkstoffe 

KünstlicheWerkstoffe 

Werkstoffkunde © SC 2012

Stähle: 

Werkstoffe 

wie Baustahl, Werkzeugstahl, Vergütungsstahl 

Aus ihnen werden vor allem Maschinenteile hergestellt, die Kräfte 

übertragen: Schrauben, Bohrer und Zahnräder. 

Eisen- und Gusswerkstoffe: 

wie Stahlguss, Gusseisen und Temperguss sind gut gießbare 

Werkstoffe. 

Schwermetalle (Dichte > 5 kg/dm³): 

sind z. B. Kupfer, Zinn, Zink, Chrom, Nickel, Blei 

Besondere Eigenschaften, z. B. Kupfer – elektrische Leitfähigkeit, 

Zink, Chrom und Nickel – korrosionsbeständig. 

Leichtmetalle (Dichte < 5 kg/dm³): 

sind z. B. Aluminium, Magnesium, Titan 

Finden vor allem im Fahrzeugbau und in der Luft- und 

Raumfahrttechnik Verwendung. 

Naturwerkstoffe: 

sind in der Natur vorkommende Stoffe wie z. B. Hartgestein oder Holz. 

Künstliche Werkstoffe: 

dazu gehören: Kunststoffe, Gläser und Keramiken 

Sie sind leicht, elektrisch isolierend und elastisch. 

Verbundwerkstoffe: 

Sind aus mehreren Werkstoffen zusammengesetzt, z. B. 

glasfaserverstärkter Kunststoff. 


Roheisen-Herstellung 

Roheisen ist der Ausgangsstoff für die Stahl- und Gusseisenerzeugung. 

Eisenerze: 

Magneteisenstein Fe3O4 50 – 70% Eisenanteil USA, England 

Roteisenstein Fe2O3 40 – 60% Eisenanteil USA, England 

Brauneisenstein 2 Fe2O3 H2O 30 – 50% Eisenanteil USA, D 

Spateisenstein FeCO3 30 – 40% Eisenanteil Österreich 

Vorgänge im Hochofen: 

Kaltluft 

Winderhitzer 

Gichtgas 

Heißwind 

800 bis 

1300°C 

200°C 

800°C 

1000°C 

1300°C 

1600°C 

Koks und Möller 

Ofenschacht 

Gestell 


Erklärung: 

� Ofen wird schichtweise mit Möller und Koks gefüllt. 

(Möller = Gemisch aus Erz und vor allem Kalk) 

� Die Zuschläge schmelzen zur Schlacke. 

� Die teilweise Verbrennung des Koks liefert die notwendige Auf- 

und Schmelzwärme. 

� Das entstehende Eisen nimmt Kohlenstoff auf. 

� Das Eisen schmilzt und sammelt sich im Gestell und wird durch den 

Abstich abgelassen. 

� Die Schlacke schwimmt auf dem Roheisen. 

Roheisen ist ein Zwischenprodukt!!! 

Es wird für die Stahlherstellung weiterverarbeitet 

oder ist Ausgangsstoff für Eisen-Gusswerkstoffe! 

Die Schlacke wird in der Bauindustrie verwendet! 


Stahl-Herstellung 

Roheisen enthält neben etwa 4% Kohlenstoff unerwünschte oder zu 

hohe Mengen an Eisenbegleitern. Diese müssen verringert werden. 

Diesen Vorgang nennt man Frischen. 

Roheisen 

Sauerstofflanze 

Schlackenpfanne 

Gießpfanne 

Schrott 

Zuschläge 

Stahlherstellung nach dem LD-Verfahren: 

Das LD-Verfahren ist in Linz und Donawitz 

entwickelt worden und ist das weltweit 

häufigste Verfahren zur Stahlherstellung. 

Vorgang: 

• Kippbares Stahlgefäß, das feuerfest 

ausgekleidet ist. 

• Sauerstoff wird durch ein wasserge- 

kühltes Rohr mit 10 bar Druck auf das 

flüssige Eisenbad aufgeblasen. � 

Reaktion des Sauerstoffs mit den 

Eisenbegleitern � Schmelze kocht. 

• Kalk wird zugegeben � bindet feste 

Abbrandprodukte � bindet unerwünschte 

Eisenbegleiter. 

• Nach 15 – 20 Minuten Blaszeit sind die 

Begleitelemente des Roheisens auf das 

gewünschte Maß reduziert � aus 

Roheisen wurde Stahl. 


Blas-Verfahren 

Herdfrisch- 

Verfahren 

Frischen in 

Vakuumanlagen 

Weitere Verfahren zur Stahlherstellung 

LD-Verfahren 

LD-AC-Verfahren 

Kaldo-Verfahren 

OBM-Verfahren 

Siemens-Martin-Verfahren 

Elektroofen-Verfahren 

Gießstrahlentgasung 

Umschmelzen im Vakuum- 

Lichtbogen 

Sauerstoff wird mit einer Lanze auf die 

Eisenschmelze geblasen – Vergleiche dazu den 

Merkstoff „Stahl-Herstellung“. 

Weiterentwicklung des LD-Verfahrens. 

Schlacke wird während des Vorgangs 

abgegossen und dann wird ein zweites Mal 

Sauerstoff auf die Eisenschmelze geblasen. 

Behälter rotiert während des Blasvorgangs. 

Sauerstoff wird von unten her mit Düsen in die 

Schmelze eingeblasen. 

Zur Herstellung von Qualitätsstahl. Die Kosten 

für dieses Verfahren sind sehr hoch. Daher wird 

dieses Verfahren kaum angewandt. 

Zur Herstellung von Edelstählen. 

Der notwendige Druck wird durch ein Vakuum 

erzeugt, dadurch können unerwünschte 

Begleitstoffe einfach abgepumpt werden. Da der 

Sauerstoff-Anteil aber hoch ist, muss der Stahl 

anschließend durch Desoxidation nachbehandelt 

werden. 


Desoxidation: 

Nachbehandlung des Stahls 

Hohlräume in Gussstücken, die nach der Erstarrung entstehen, nennt 

man Lunker. 

Frei werdender Sauerstoff wird durch Zusatz von Ferrosilicium oder 

Aluminium gebunden, sodass keine Gasblasen entstehen. 

Der Stahl erstarrt beruhigt. 

Vakuumbehandlung: 

Die Entgasung kann auch durch die Vakuumbehandlung erfolgen. Dabei 

wird der Druck über dem flüssigen Stahl vermindert, die Gasteile 

entweichen. 

Umschmelzverfahren: 

Mit diesem Verfahren werden lunkerfreie und reine Edelstähle erzeugt. 


Verwendung der Stähle 

Baustähle Werkzeugstähle 

1) Verwendung: 

zur Herstellung von Maschinen, 

Fahrzeugen und Geräten sowie 

im Stahl- und Behälterbau 

2) Dazu gehören: 

• Allgemeine Baustähle 

• schweißgeeignete Feinkornbaustähle 

• Automatenstähle 

• Einsatzstähle 

• Nitrierstähle 

• Vergütungsstähle 

• Federstähle 

• Sonderstähle 

1) Verwendung: 

Schneidwerkzeuge, Hand- und 

Maschinenwerkzeuge, Spritzgussformen 

2) Dazu gehören: 

• Kaltarbeitsstähle 

• Warmarbeitsstähle 

• Schnellarbeitsstähle 

• Hochleistungsschnellstahl 

(HSS) 

• kobaltlegierter Schnellstahl 

(HSS-E) 

• pulvermetallurgisch 

hergestellter Schnellstahl 

(HSS-E-PM) 


Vergießen des Stahls 

Durch Vergießen erhält der Stahl die Ausgangsform für die Weiter- 

verarbeitung. 

Blockguss: 

Pfannendrehturm 

wassergekühlte 

Kokille 

Flüssiger Stahl wird in Kokillen (= Gussform) gegossen. Es entsteht ein 

Gussblock von ca. 1m Durchmesser. 

Strangguss: 

Gießpfanne 

Ziel ist, beim Gießen Hohlräume zu vermeiden. Dies geschieht durch 

eine kurze, beidseitig offene, wassergekühlte Kupferkokille. 

Ideal für Schienen, Rohre, Drähte usw. 

Zwischenbehälter 

Kühlkammer 

Treib-Richtmaschine 

Schneidemaschine 


Eisen- und Gusswerkstoffe 

Einteilung der Eisen-Gusswerkstoffe: 

1) Grauguss: im Grauguss ist ein Großteil des Kohlenstoffs (C) in 

Form von blättchenförmigem Grafit eingelagert. 

Verwendung: Schlitten für Werkzeugmaschinen, 

Getriebe- und Kurbelgehäuse 

2) Hartguss: ist hart und druckfest, aber sehr spröde. 

Verwendung: Verschleißteile von Putz- und 

Gießereimaschinen 

3) Sphäroguss: dem Sphäroguss ist kugelförmiges Grafit einge- 

lagert � hohe Festigkeit. 

Verwendung: Zahnräder, Kurbelwellen, Rohr- 

leitungen 

4) Temperguss: die Werkstücke aus Temperguss werden nach dem 

Gießen lange geglüht (=getempert) � lässt sich gut 

schmieden. 

Verwendung: Fahrzeugbau (z. B.Pleuelstangen, 

Lenksäulen) 

5) Stahlguss: ist in Formen gegossener Stahl. 

Verwendung: mechanisch hoch belastete Werk- 

stücke, z. B. Gehäuse von Turbinen, 

Schaufelräder 


Wärmebehandlungsverfahren 

Glühen: 

Durch die Glühbehandlung können innere Spannungen, die durch 

Walzen und Schmieden entstanden sind, beseitigt werden. 

Wärmebehandlung: 

Langsames Erwärmen, Halten auf Glühtemperatur, langsames 

Abkühlen. 

Härten: 

Dient dazu, Stahlwerkstücke hart und verschleißfest zu machen. 

Wärmebehandlung: 

Erwärmen, Halten auf Härtetemperatur, Abschrecken und Anlassen. 

1) Erwärmen auf Härtetemperatur 

2) Halten auf Härtetemperatur 

3) Abschrecken 

4) Anlassen: Erwärmen auf Anlass- 

temperatur 


Weitere Verfahren der Wärmebehandlung: 

Vergüten: 

Das Werkstück erhält eine große Festigkeit und Zähigkeit. 

Verwendung: 

Wellen, Zahnräder und Schrauben. 

Randschichthärten: 

Werkstück rasch Erwärmen und sofort Abschrecken. Tiefer liegende 

Werkstückbereiche bleiben ungehärtet. 

Verwendung: 

Wellen und Bolzen. 

Einsatzhärten: 

Kohlenstoffarmer Stahl wird an der Randschicht mit C angereichert, 

und ergibt einen zähen Kern und eine gehärtete Randschicht. 

Verwendung: 

Wellen, Zahnräder, Bolzen, Zapfen. 

Nitrieren: 

Anreicherung mit Stickstoff zur Härtesteigerung und Erhöhung der 

Verschleißfestigkeit. 

Verwendung: 

Wellen, Zahnräder, Bolzen, Zapfen. 


Legierungs- und Begleitelemente 

Als Legierung bezeichnet man die Vereinigung eines Metalls (=Grund- 

metall) mit einem oder mehreren metallischen oder nichtmetallischen 

Elementen. 

� Verbesserung bestimmter Eigenschaften des Grundmetalls! 

Legierungselemente sind absichtlich zugesetzte Elemente, un- 

erwünschte Elemente (=Verunreinigungen) nennt man Begleitelemente. 

Wir unterscheiden zwischen 

• Legierungen mit Nichtmetallen (z. B. mit Kohlenstoff, Stickstoff, 

Schwefel oder Phosphor…) 

• Legierungen mit Nichteisenmetallen (z. B. mit Aluminium, Kupfer, 

Magnesium…). 


Nichteisenlegierungen 

Durch Legieren lassen sich die Eigenschaften des Grundmetalls gezielt 

verbessern bzw. man erzielt neue Eigenschaften. 

Einteilung der Nichteisenmetall-Legierungen: 

� Gusslegierungen 

� Knetlegierungen 

Chemische Symbole: 

Metalle: Al Aluminium Cu Kupfer 

Mg Magnesium Ni Nickel 

Pb Blei Sn Zinn 

Zn Zink 

Edelmetalle: Ag Silber Au Gold 

Pt Platin 

Legierungsmetalle: Wolfram (W), Kobalt (Co), Chrom (Cr), 

Umwelt! 

Cadmium (Cd)... 

Schwermetalle, wie Cadmium, Blei und Quecksilber 

gefährden die Gesundheit der Menschen, wenn sie 

in feinstofflicher Form in die Luft, den Boden oder in 

das Wasser gelangen! 


Aluminium 


Kupfer 


Titan 


Magnesium 


1) Definition: 

Korrosionsarten 

a) Korrosion = Angriff und Zerstörung metallischer Werkstoffe 

b) korrosive Mittel sind Stoffe, die die Korrosion begünstigen, 

z. B. Wasser, Chemikalien, Raumluft 

2) Arten: 

a) Elektrochemische Korrosion 

Elektrochemische Korrosion feuchter Stahloberflächen: 

In feuchten Räumen oder bei feuchter Witterung wird die 

Oberfläche von Metallbauteilen mit einem Film überzogen. Die 

ganze Stahloberfläche wird dadurch zerfressen. 

Elektrochemische Korrosion an Korrosionselementen: 

Die Korrosion beruht auf denselben Vorgängen, die in einem 

galvanischen Element ablaufen: 

• Besteht aus zwei Elektroden mit unterschiedlichen 

Metallen, die sich in einer elektrisch-leitenden Flüssigkeit 

(=Elektrolyt) befinden. 

• Das unedlere Metall löst sich und wird korrodiert. 

• Es herrscht eine kleine Spannung, die von der Größe des 

Werkstoffes abhängt. 

Mg – Al – Mn – Zn – Cr – Fe – Cd – Co – Ni – Sn – Pb – Cu 

unedel edel 


) Chemische Korrosion 

Bei der chemischen Korrosion reagiert der Werkstoff direkt mit 

dem angreifenden Stoff, ohne Mitwirkung von Wasser. 

Hochtemperaturkorrosion: Diese Korrosion tritt z. B. beim 

Schmieden, beim Glühen und beim Härten von Werkstücken 

auf. 


Gezielte Werkstoffauswahl: 

Unlegierte Stähle, niedriglegierte 

Stähle 

Korrosionsschutz 

wenig korrosionsbeständig, ohne 

Schutz nur in trockenen Räumen 

beständig 

Nichtrostender Stahl im Allgemeinen 

korrosionsbeständig, Gefahr nur 

durch aggressive Chemi-kalien 

Aluminium, Aluminiumlegierungen im Allgemeinen gut 

korrosionsbeständig, Ausnahme: 

Cu-haltige Al-Legierungen 

Kupfer, Cu-Legierugen sehr gut beständig, besonders Nihaltige 

Cu-Legierungen 

korrosionsschutzgerechte Konstruktion: 

• Vermeidung von Kontaktkorrosionsstellen durch gleiche Werkstoffe 

in einer Bauteilgruppe, andernfalls durch Isolierzwischenschichten. 

• Vermeidung von Spalten z. B. durch Verwendung 

Schweißverbindungen statt Schraubverbindungen 

• Schaffung möglichst glatter Oberflächen durch Abschleifen oder 

Polieren. 

• Ausschluss von Spannungsspitzen im Bauteil durch Vermeidung 

von scharfkantigen Kerben oder schroffen Übergängen. 


Korrosionsschutz während der spanenden Fertigung: 

Gleich nach der Fertigung muss das mit dem Kühlschmierstoff dem 

Werkstoff anhaftende Wasser entfernt werden. Dies geschieht durch 

Tauchen in Korrosionsschutzöl. 

Korrosionsschutz auf Eisen-Werkstoffen: 

Je nach den erforderlichen Eigenschaften der zu schützenden 

Werkstückoberflächen und den angreifenden korrosiven Stoffen kommen 

unterschiedliche Beschichtungen zum Einsatz: 

Korrosionsschutz blanker Stahlteile: 

Geschliffene oder polierte Flächen werden eingeölt oder eingefettet 

(Korrosionsschutzöl oder Korrosionsschutzfett), wie z. B. bei 

Gleitbahnen, Spindeln, Zahnräder, aber auch Messwerkzeugen. 

Korrosionsschutz durch chemische Oberflächenbehandlung: 

Beim Brünieren entstehen durch Tauchen in heiße Salzbäder 

tiefschwarze Eisenoxidschichten, die anschließend mit 

Korrosionsschutzöl behandelt werden (Anwendung z. B. bei 

Werkzeugen. Zum Phosphatieren wird das Stahlbauteil in ein heißes 

Zinkphosphat-Bad getaucht. Dadurch entsteht nicht nur ein 

Korrosionsschutz, sondern auch ein korrosionsmindernder Haftgrund 

für Anstriche, wie z. B. bei PKW-Karosserien. 

Korrosionsschutzanstriche: 

Korrosionsschutzanstriche werden z. B. auf Maschinengehäusen, Blechverkleidungen oder 

Stahlkonstruktionen angebracht. Die zusammenhängende Schicht schützt das Bauteil meist für viele 

Jahre vor dem Kontakt mit der Umgebung. Das Aufbringen des Schutzanstriches kann durch 

Streichen, Spritzen oder Tauchen erfolgen. 


Korrosionsschutz auf Aluminium-Werkstoffen: 

Die natürliche Korrosionsbeständigkeit des Aluminiums kann durch 

anodische Oxidation zusätzlich verbessert werden. Dazu wird das 

Bauteil als Anode in ein Schwefelsäure-Elektrolyse-Bad gehängt. Auf 

dem Aluminium bildet sich eine harte, korrosionsbeständige, fest 

haftende Oxidationsschicht aus Al203. Diese ungefähr 20 µm 

(Nanometer) dicke Eloxalschicht ist durchscheinend, sodass das 

Aluminium seinen ursprünglichen Glanz behält. 


Kunststoffe 

Kunststoffe sind synthetisch erzeugte, organische Werkstoffe (aus 

Rohstoffen wie z. B. Erdöl). 

Eigenschaften: 

Günstige Eigenschaften: Ungünstige Eigenschaften: 

• geringe Dichte 

• elektrisch isolierend 

• wärmedämmend 

• gut umformbar und bearbeitbar 

• einfärbbar 

• korrosionsbeständig 

Einteilung der Kunststoffe: 

1) Thermoplaste: 

Sie sind warm umformbar und schweißbar 

• Polyethylen (PE) 

• Polypropylen (PP) 

• Polystrol (PS) 

• Polyvinylchlorid (PVC) 

2) Duroplaste: 

• keine hohe Festigkeit 

• z. T. unbeständig gegen 

Lösungsmittel 

• geringe Wärmebeständigkeit 

• z. T. brennbar 

• Problemmüll, da nur teilweise 

wiederverwertbar (Recycling) 

Sie sind unschmelzbar, nicht schweißbar, nicht verformbar, unlösbar 

• Phenolharz (PF) 

• Melaminharz (MF) 

• Harnstoffharz (UF) 

• ungesättigte Polyesterharze (UP) 

• Epoxitharze (EP) 

• Silikonharze (SI) 

3) Elastomere: 

Sind gummiartige Kunststoffe, z. B. für Fahrzeugreifen, Schläuche, 

Gummifedern... 

• Synthesekautschuk

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