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Grundlagen

01. Was sind technische Stoffe?

Technische Stoffe lassen sich einteilen in Werkstoffe und Betriebsstoffe.

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  • Werkstoffe sind alle festen technischen Stoffe, die durch mechanische und thermische Bearbeitung zu Formteilen verarbeitet werden können: Metalle, Nichtmetalle und Verbundstoffe.

  • Betriebsstoffe sind alle festen, flüssigen und gasförmigen technischen Stoffe, die zum optimalen Betreiben von Maschinen/Anlagen eingesetzt werden. Sie sind in der Regel nicht Bestandteil des hergestellten Produkts, z. B. Schmierstoffe, Kühlmittel, Hilfsstoffe.

02. Wie lassen sich Werkstoffe unterteilen?

Werkstoffe werden unterteilt in zwei Hauptgruppen – Metalle und Nichtmetalle. Daneben gibt es sog. Verbundstoffe: Dies sind Verbindungen aus zwei oder mehreren Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften:

Werkstoffe
MetalleNichtmetalle
EisenmetalleNichteisenmetalleAnorganische WerkstoffeOrganische Werkstoffe
KnetwerkstoffeGusswerkstoffeLeichtmetalleSchwermetalle 
Beispiele
  • Baustahl
  • Werkzeugstahl
  • Sonderstahl
Beispiele
  • Stahlguss
  • Grauguss
  • Temperguss
Beispiele
  • Aluminium
  • Titan
  • Magnesium
  • Beryllium
Beispiele
  • Blei
  • Kupfer
  • Zink
  • Zinn
  • Nickel
Beispiele
  • Glas
  • Keramik
Beispiele
  • Kunststoffe
  • Plaste
  • Gummi
  • Textilien
  • Holz
Verbundstoffe:
Faserverstärkter Verbund, Metall-Matrix-Verbund,
z. B.: Stahlbeton, Hartmetalle, Stahlgürtelreifen, Laminat, Faserverbundstoffe, Kühlmittel

03. Welche Werkstoffeigenschaften werden unterschieden?

Werkstoffeigenschaften
Physikalische EigenschaftenChemische EigenschaftenTechnologische Eigenschaften1Ökologische Eigenschaften
Gliederung:
  • mechanischeEntsprechend dem Rahmenstoffplan werden im Folgenden nur die mechanischen und technologischen Eigenschaften ausgewählter Werkstoffe behandelt.
  • optisch-akustische
  • thermische
  • elektrische Eigenschaften
Beispiele
  • Korrosionsbeständigkeit
  • Hitzebeständigkeit
  • Säure-/Laugenbeständigkeit
Beispiele
  • gießbar
  • umformbar
  • härtbar
  • schnittbearbeitbar
  • schweißbar
Beispiele
  • Rohstoffverbrauch
  • Energieverbrauch
  • Recycelfähigkeit
  • Entsorgungsfähigkeit
  • Schadstoffgehalt
  • Lebensdauer
  • Verletzungsgefahr
  • Wartungseigenschaften

04. Welche mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen gibt es?

Ausgewählte Beispiele:

  1. Die Dichte ρ gibt an, welche Masse jeder cm3 Volumen eines Stoffes hat; die Formel lautet

    $$ρ = \frac{m}{V}$$

    mit:

    m= Masse
    V= Volumen
  2. Elastizität ist die Eigenschaft eines Stoffes, nach Wegfall der Belastung wieder in seine Ausgangsform zurückzukehren.

  3. Plastizität ist die Eigenschaft eines Stoffes, sich in bestimmten Grenzen bleibend umformen zu lassen.

  4. Festigkeit σ ist ein Kennwert für die Belastbarkeit eines Stoffes und wird als Verhältnis von größtmöglicher Belastung F zum Querschnitt A in N/mm2 ausgedrückt. Es gibt unterschiedliche Festigkeitsarten, z. B. Zugfestigkeit, Druckfestigkeit.

  5. Härte ist der Widerstand, den ein Stoff dem Eindringen eines anderen Gegenstandes entgegensetzt (vgl. dazu: A 5.3.1, mechanische Spannung).

  6. Verschleiß ist die Beschädigung der Werkstoffoberfläche durch mechanische Beanspruchung:

    • Haftverschleiß (Adhäsion, Aufbauschneide; Partikel schweißen sich auf der Spanfläche fest),

    • Ermüdungsverschleiß und Kolkverschleiß (Diffusion; Ausbrüche an der Schneidkante),

    • Furchungs-/Freiflächenverschleiß (Abrasion; Abtragen; z. B. Abrundung der Schneidkante).

05. Welche technologischen Eigenschaften der Werkstoffe sind für den Fertigungsprozess relevant?

Die technologischen Eigenschaften charakterisieren das Verhalten der Werkstoffe bei ihrer Verarbeitung. Unter diesem Gesichtspunkt unterscheidet man z. B.:

  1. Gießbare Werkstoffe:

    können in Formen gegossen werden, z. B. Gusseisen, Stahl, Blei, Zinn, Zink.

  2. Umformbare Werkstoffe:

    Umformen ist das Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers (vgl. DIN 8580 sowie ausführlich unter 2.1.3). Man unterscheidet:

    • Kalt umformbare Werkstoffe können bei Raumtemperatur getrieben, gewalzt, gebogen oder gezogen werden, z. B. Stahl, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Aluminium.

    • Warm umformbare Werkstoffe können nach Anwärmen geschmiedet, gewalzt oder gepresst werden, z. B. Stahl, Kupfer, Messing, Aluminium.

  3. Schnittbearbeitbare Werkstoffe können spanabhebend bearbeitet werden durch Sägen, Bohren, Hobeln, Drehen und Fräsen.

  4. Schweiß-/Lötbare Werkstoffe können durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden, z. B. Metalle und bestimmte Kunststoffe.

  5. Härtbare Werkstoffe sind solche, bei denen durch Lösungsglühen mit nachfolgendem Abkühlen eine erhebliche Härtesteigerung erreicht werden kann.

  6. Klebbare Werkstoffe können mithilfe bestimmter Klebstoffe miteinander verbunden werden; die Festigkeit der Klebverbindung ist abhängig von:

    • der Festigkeit des Klebstoffes

    • den Oberflächen-Haftkräften

    • dem Umfang der mechanischen Verankerung des Klebstoffes in den Poren der zu verbindenden Teile.

  7. Beschichtbare Werkstoffe sind solche, bei denen eine Vermehrung des Stoffzusammenhalts durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff erreicht werden kann.