Metallische Halbzeuge Teil a - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe ...

Metallische Halbzeuge 

MW7 * (4. Sem. Bachelor) 1V + 1P = 2 LP 

Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth 

SS 13 

* 

Modul Materialwissenschaft II, Bachelorstudiengang Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 

* 

Modul Materialwissenschaft, Bachelorstudiengang Berufliche Bildung Fachrichtung Metalltechnik 


1 

Metallische Halbzeuge

Der Dozent: 

Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Glatzel 

• Jahrgang 1960 

• Studium der Physik in Tübingen (Auslandsjahr in 

Corvallis, Oregon, USA) 

• Promotion am Institut für Metallforschung, TU-Berlin, 

Prof. Monika Feller-Kniepmeier 

• post-doc (1 Jahr) an der Stanford University 

• Habilitation an der TU-Berlin 

• Gerhard-Hess Preis der DFG für junge 

Nachwuchswissenschaftler 

• 1996-2003 Prof. für "Metallische Werkstoffe" in Jena 

• seit 01.04.2003 in Bayreuth (Lst. Metallische Werkstoffe) 

Kontakt: Raum 1.04.1, Tel.: (0921) 55-5555 

Ludwig-Thoma-Str. 36b (IMA) e-mail: uwe.glatzel@uni-bayreuth.de 


2 


Empfohlene Literatur 

• W. Bergmann, Werkstofftechnik 1 und 2, Hanser Verlag 

• F. Vollertsen, S. Vogler, Werkstoffeigenschaften und Mikrostruktur, Hauser Verlag, 

München 

• Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer 

• M.Peters, C. Leyens, J. Kumpfert, Titan und Titanlegierungen, DGM Inf.ges. Verlag 

• H. Schumann, Metallographie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 

• H.-J. Bargel, G. Schulze, Werkstoffkunde, VDI-Verlag, Düsseldorf 

• M.A. Meyers, K.K. Chawla, Mechanical Behavior of Materials, Prentice Hall 

• E. Hornbogen, H. Warlimont, Metallkunde, Springer-Verlag, Berlin 

• G. E. R. Schulze, Metallphysik, Springer-Verlag, Wien 

• Folien der Vorlesung unter: 

http://www.metalle.uni-bayreuth.de/de/download/teaching_downloads/Vorl_Werkstofftechn_Halbzeuge/index.html/ 


3 


Inhalt 

0. Grundsätzliches Metalle (Wiederholung) 

1. Leichtmetalle 

• Aluminium 

• Magnesium 

• Titan 

2. Eisenwerkstoffe 

3. Hochtemperaturlegierungen 

4. Vom Halbzeug zum Bauteil - Umformen 

(Urformen wurde in der Einführungsvorlesung behandelt) 


4 


Grundsätzliches 

• Preisentstehung 

• Verfügbarkeit 

• Werkstoff-Kreisläufe 

• Lieferformen von Metallen 

- Bleche, Profile und Blöcke 

- Pulver, Formkörper 


5 


Preisentstehung 

Kosten für 

Weiterverarbeitung 

Verfügbarkeit 

( Vorkommen) 

Kosten für 

Darstellung 

Preis des 

Werkstoffs 

Nachfrage 

Preis in DM/kg 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

Kosten 

Vorkommen 

30 €/kg 

0,63% 

0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

Vorkommen in % 

10 

0 

3 €/kg 

Kupfer 

0,01% 

Titan 

0,1 

0 


6 


Verfügbarkeit und Preisentwicklung 

z.B. Aluminium 

07.09.09: 

1.300 €/t 

4,6 Mio. t Bestand! 


7 


Anteil der Elemente in der Erdkruste 

bezogen auf 10 6 Siliziumatome 

Legierungen auf Basis dieser Elemente werden in dieser 

Vorlesung besprochen 

Eine 

Person aus 

8 Milliarden 

Menschen 

© U.S. Geological Survey Fact Sheet 087-02 


8 


Werkstoffkreisläufe 

Energie 

Rohstoffe 

Emission 

Abwärme 

Sekundäre Rohstoffe 

Recycling 

Deponien 


9 


Lieferformen von Metallen 

Bleche 

Unterschiedlichen Werkstoffe: 

(Baustahl, verzinkter Stahl, Cu, 

Messing, Al) 

Bleche mit strukturierter Oberfläche 

Coils 

Profile 

Blöcke 

Strangpressprofile 


10 

Vergüteter Kunststoffformenstahl 


Lieferformen von Metallen 

Formkörper 

Halbzeuge 

Gesenkschmiedeteile 

Walzwerkserzeugnisse 

Pulver 

Ölpumpe aus Sinterstahl 


11 


Definitionen metallkundlicher Begriffe 

Gefüge: 

Anordnung von Phasen 

und Körnern in einem 

Aggregat, Verteilung 

der Defekte 

Seigerung: 

Bereiche mit unterschiedlicher 

chemischer Zusammen-setzung 

Primäre Cu 2 O-Kristalle im Cu+ Cu 2 O-Eutektikum 

Orientierung: 

Anordnung der das 

Kristallgitter aufspannenden 

Vektoren 

relativ zu einem äußeren 

Vektorensystem 


12 


Leichtmetalle 

Definition: Dichte 4,5 g/cm 3 


13 


Al-, Mg-, Ti-Werkstoffe 

• Magnesium (1,74 g/cm 3 ) 

• Beryllium (1,85 g/cm 3 ) 

• Aluminium (2,70 g/cm 3 ) 

• Titan (4,51 g/cm 3 ) 


14 


Aluminium und 

seine Legierungen 


15 


Aluminium 

Ordnungszahl 13 

Atomgewicht 26,98 u 

Gitteraufbau 

kfz 

Dichte 2,7 g/cm 3 

Schmelztemperatur 659 °C 

Volumenabnahme (flüssig-fest) 6,5 % 

Linearer Ausdehnungskoeffizient (20-100°C) 23,6 10 -6 /K 

Elastizitätsmodul 67 GPa 

Schubmodul 25,0 GPa 

Zugfestigkeit R m 80-100 MPa 

Bruchdehnung ~ 40 % 

Schmelzwärme 390 kJ/kg 

Siedetemperatur 2.500 °C 

Verdampfungswärme 11,4 MJ/kg 

Elektrische Leitfähigkeit 37 10 6 Ω -1 m -1 

Spezifischer elektrischer Widerstand 2,7 10 -8 Ωm 

Wärmeleitfähigkeit 235 W/(mK) 

Oberflächenspannung bei 660°C 0,86 N/m 

Standardpotential -1,67 V 

Vergleiche: 

Fe 

7,9 

210 

Vergleiche: 

Cu ( =8,9) 

58 

1,7 


16 


Aluminium – 

Bayer-Verfahren 

AlO(OH) 

Na 3 AlF 6 

Aluminiumgewinnung nach dem Bayer-Verfahren 

u. Aluminiumelektrolyse 

3 

T Al 2 O 

m 

2050 

C 

Schematischer Ablauf der Aluminiumgewinnung 

aus Bauxit 

Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth 17 


Aluminium – 

Schmelzflusselektrolyse u. Raffination 

Dreischichtelektrolyse 

Schmelzflusselektrolyse, 

Vorgänge 

Zweischichtelektrolyse 

Rohstoff- und 

Energieaufwand 


18 


Al-Schmelzflusselektrolyse 

(werden verbraucht) 

Elektrolyt als niedrig-schmelzendes 

Eutektikum (T m = 935°C, = 2,15 

g/cm 3 ) mit 20% Al 2 O 3 und 80% 

Kryolith (Na 3 AlF 6 ). Kryolith wirkt 

als Katalysator, wird also kaum 

verbraucht. Al mit höherer Dichte 

(2,35 g/cm3 bei 900°C) sinkt nach 

unten und wird alle 1-2 Tage 

abgestochen. Al 2 O 3 wird 

kontinuierlich nachgefüllt. 

Al 2 O 3 + 3 C 2 Al + 3 CO 

(Kohle) 

1852: 1000 €/kg 1895: 1,1 €/kg 

1964: 0,5 €/kg heute: 2 €/kg 

Nur 5% der Energie wird für die 

Neudarstellung verwendet. 


19 


Aluminiumlegierungen 

Wirkung von Legierungselementen 

Kornfeinungsmittel für Aluminiumguss: Titan, Bor (Vorlegierung mit 5% Ti + 1% B) 

Veredelung der Schmelze: 

Phosphor, Natrium, Strontium 

Wichtigsten Legierungselemente: 

Magnesium, Silizium, Kupfer, Zink, Lithium 

Mangan 

Titan 

Chrom 

Eisen 

Ausscheidungshärtung 

Erhöhung der Rekristallisationstemperatur 

Kornfeinungsmittel, Korrosionsbeständigkeit 

Korrosionsbeständigkeit 

Keimbildner für Mg 2 Si 


20 


Einteilung von 

Aluminiumwerkstoffen 

Aluminiumknetlegierungen (DIN 1725/T1) 

Aluminiumgusslegierungen (DIN 1725/T2) 

aushärtbare 

bzw. 

naturharte 

Legierungen 

zunehmende Legierungsanteile 

Knetwerkstoffe: 

AlMgSi, AlCuMg, AlCuSiMg, AlZnMg, AlZnMgCu, AlLi 

Gusswerkstoffe: AlMgSi, AlCuTi, AlCuTiMg, AlLi 


21 


Einteilung von 

Aluminiumwerkstoffen 

Aushärtbare Aluminiumlegierungen 

Knetwerkstoffe: AlMgSi, AlCuMg 

AlCuSiMg, AlZnMg 

AlZnMgCu, AlLi 

Nicht aushärtbare Aluminiumlegierungen 

Wichtigsten Vertreter dieser Werkstoffgruppe: 

AlMn, AlMg, AlMgMn, AlSi, 

Gusswerkstoffe: 

AlMgSi, AlCuTi 

AlCuTiMg, AlLi 

Neben den Werkstoffnummern (3.0000 - 3.4999 für Al-Legierungen, z.B. 3.3549) 

ist die "AA-Liste" (z.B. AA 5182) der Aluminium Association (USA) das 

gebräuchlichste Legierungsregister. Daneben AC-Legierungen, Handelsnahme der 

Firma ALCAN. 


22 



nach DIN EN 573 

Quelle: Rieg, Taschenbuch der Maschinenelemente 


23 


Aushärtungevorgang bei 

Aluminiumlegierungen (schematisch) 

(~ 450 – 550°C) 

meist der 

entscheidende 

Schritt 

(~ 150 – 300°C) 

(T6 Zustand) 

(T4 Zustand) 

(T4 – T6 Zustand) 

(Zustand O) 


24 


Bezeichnungen ausgehärteter 



25 


Phasendiagramm Al-Cu 

(2.000-Serie) 


26 


Ausscheidungshärten 

Aluminium mit Cu 

Bedingung für eine Ausscheidungshärtung aus fester Lösung ist eine 

abnehmende Löslichkeit mit abnehmender Temperatur. 

Al 2 Cu 

AlCu4Mg1, Dural (Düren 1909, durus = hart) 


27 


Ausscheidungssequenzen im System 

Aluminium-Kupfer (2.000-Serie) 

erstmals erwähnt ~ 1956 

Al 

Schnitt durch Guinier-Preston-Zone I (links) 

und GPZ II (rechts) 

(parallel zur (200)-Ebene) 

Cu 

Reihenfolge: 

1. GPZ I 

2. GPZ II oder '' 

3. ' 

4. (Al 2 Cu) 

Kristallstrukturen: 


28 


Einfluss der Guinier Preston 

Zonen auf die Härte 

Cu-Gehalte zwischen 2% und 4,5%. 

Im Vergleich dazu Lackhärtung im 

Automobilbereich meist 180°C für 

20 min (= 0,014 Tage). 

1 h 


29 


Nicht aushärtbare 


Die Festigkeit dieser Legierungen wird im wesentlichen durch eine 

Mischkristallverfestigung bestimmt. 

Bei Knetlegierungen ist eine Veränderung der mechanisch-technologischen 

Eigenschaften durch Kaltverformen üblich. 

Grad der Verfestigung wird in älteren Normen beschrieben durch die Bezeichnungen 

weich (1,0 x R m ) halbhart (1,2 x R m ) hart (1,4 x R m ) 

(heute teilweise ersetzt durch die „F-Zahl“, d.h. F30 entspricht Zugfestigkeit > 300 MPa ) 


30 


Bruchzähigkeit verschiedener 


80 

Ziel der Werkstoffentwicklung: 

Legierungen mit hoher 

Festigkeit und gleichzeitig 

hoher Bruchzähigkeit 

15 

MPa 

m 

Merke: 

Anteil an unlöslichen 

Bestandteilen beeinflussen 

wesentlich die Rißeinleitung 

und Rißwachstum 


31 


Zustandsdiagramm von 

Aluminium-Silizium (4.000-Serie) 

G-AlSi12 ist eine eutektische Gusslegierung 

mit vielfacher Verwendung als Motorblock, 

Getriebegehäuse, … 

• ausgezeichnetes Formfüllungsvermögen 

• hohe Warmrißbeständigkeit 

• ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit 

(Ausbildung einer SiO 2 -Oberflächenschicht) 

Gestrichelte Linien deuten die Unterkühlbarkeit 

an (für veredelte Legierungen) 

Veredelung bedeuted die Beeinflussung 

des Keimzustandes bzw. der Unterkühlung 

durch Zugabe von Natrium oder Strontium 


32 


Zustandsdiagramm 

Aluminium-Magnesium (5.000-Serie) 

AlMg- Legierungen sind „naturhart“ (d.h. 

nicht aushärtbar) 

• gute Eloxierbarkeit (Einsatz für 

Dekorationszwecke) 

• ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit an 

Luft und Seewasser 

Gefüge von AlMg 3 


33 


Aluminiumwerkstoffe zum Tiefziehen 

Herstellungsweg von Al-Karosserieblechen 

6.000-er Legierung (+ Mg + Zn) 

BDLO = Banddurchlaufofen 

Quelle: Alcan 


34 


Aluminiumwerkstoffe zum 

Tiefziehen 

AlMgSi (aushärtbar) Kriterium AlMgMn (naturhart) 

Keine Lüderslinien (A), B 

 

Festigkeitsänderung nach kathodischer 

Tauchlackierung (KTL) 

 

++ Umformvermögen +++ 

++ Bördeleigenschaften +++ 

BDLO Equipment Glühen BDLO oder Batch 

+++ Korrosionsverhalten +++ 

+++ Warmbeständigkeit ≥ 65 °C Fallweise prüfen 

+++ Crashverhalten +++ 

+++ Sichtansprüche (+) 

++ Max. Umformvermögen +++ 

+++ Potenzial Dickenreduktion + 

+++ Sortenreine Bauweise Recycling ++ 


35 


Umformen – Tiefziehen 


Verwendung von Fließfigurenfreien (fff) – Legierungen für Außenhautanwendungen 

6xxx = fff 

5xxx = Fließfiguren 


36 



Tiefziehteil für den Kfz-Bereich 

Grobkornbildung im Bereich 

schwacher Umformung 


37 


Aluminiumlegierungssysteme zum 

Tiefziehen 

Quelle: Alcan 


38 


Festigkeitsvergleich 

Stahl- ↔ Aluminium-Karrosserieblech 

Zugfestigkeit Normprobe [MPa] 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

DX56D+Z 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

AC120PX 

T6 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

AC120PX 

T4 

maximale Kraft [kN] / Weg bis F max 

[mm] 

Stahlblech mit 0,9 mm Stärke 

im Vergleich zum 

Aluminiumblech mit 1,1 mm Stärke 

in den Zuständen T4 und T6. 

(Skalen auf Blechdicke bezogen) 


39 


Verformungsanalyse einer gefügten 

Probe im Scherzugversuch 

DC04+ZE75/75 (0,9 mm) 

Stahl 

DC04+ZE75/75 (0,9 mm) 

Stahl 

Aluminium 

Aluminium 

AC120PX (T4) (1,1 mm) AC120PX (T6) (1,1 mm) 

→ Starke Deformation und Spannung im Randbereich 

Zugscherversuch 


40 


Verfügbarkeit und Preisentwicklung 

z.B. Aluminium 

07.09.09: 

1.300 €/t 

4,6 Mio. t Bestand! 


41 


Jährlicher pro Kopf 

Aluminiumverbrauch (2006) 


42 


Aluminium Verbraucher und 

globale Produktion/Recycling 


43 


Aluminium Recycling in Europa 


44 


Aluminiumerzeugung 

und -verbrauch 

Aluminiumverbrauch und -produktion in 

Deutschland seit 1960: 

USA 

China 

Aluminium Verbrauch in 

verschiedenen Branchen (2004) 

Verbrauch an Hüttenaluminium hat 

sich von 1970 - 1990 nahezu 

verdoppelt 


45 


Verwendungsbereiche von 

Aluminiumblechen 

BMW 5-er, März 2003 


46 


Einfache Rechnung: 

Kupfer - Aluminium 

(z.B. elektrische Leitungen in Fahrzeugen) 

Dichteverhältnis Al : Cu = 0,30 

Verhältnis spez. Widerstand Cu : Al = 0,65 

Kostenrelation Al : Cu = 0,28 

Leiter mit gleichem Widerstand: 

1to. 

Cu 6.130 € 

Querschnitt: A Al = 1,55 A Cu 

1to. Al 1.692 

€ 

Volumen: V Al = 1,55 V Cu 

Masse: m Al = 0,46 m Nachteile Aluminium: 

Cu 

Kosten: K Al = 0,13 K Cu 

ρ 

ρ 

ρ 

ρ 

Dichte 

Cu 

Dichte 

Al 

8,9 

 

2,7 

spez. Widerstand 

Cu 

spez. Widerstand 

Al 

g 

cm 

3 

g 

cm 

3 

1,7 

10 

8 

2,7 10 

8 

Ω m 

Ω m 

(Stand: 23.11.2010) 

Kontaktierung (Kriechen von Klemmverbindungen) 

Oxidation ( Kontaktverlust), Korrosion 


47 


Weitere Aluminiumanwendungen 

• siehe Beispielkoffer 

• Prothesen 

• Al-Mg-Verbundkurbelgehäuse 

• Al Si 12 im Druckguss (ca. 800 bar) für Getriebegehäuse, 

Motorblöcke, Zylinderkopf, ... 

• In Überlandleitungen bestehend aus 20 

Aluminiumleitern und 4 Stahlseelen 

(aus Festigkeitsgründen) 

• und viele weitere … 


48 


Zusammenfassung Aluminium 

• Dichte 2,7 g/cm 3 

• kfz-Gitter extrem gute Verformbarkeit 

• am häufigsten verwendetes Leichtmetall (mit großem Abstand) 

• ~ 2 mal teurer als Stahl 

• T m = 660°C, E = 70 GPa 

• Abnehmer: Transport (Auto, Bahn, Flugzeug, Schiff, Fahrrad, … ), 

Verpackung (Lebensmittel), Baugewerbe, Elektronik, sonstiges 

• AlSi12 (4074) oder AlSi9Cu3 für Druckguss Kurbel-, Getriebegehäuse 

• 6.000-er Legierung Karosseriebau 

• Gewichtsersparnis im Vergleich zu Stahl durch größere Querschnitte, 

siehe Beispiel Fahrradrahmen (Folie 105) 


49 


Magnesium und 

seine Legierungen 


50 


Magnesium - Eigenschaften 

Kristallstruktur: 

8 

hdp, mit c:a = 1,627 (im Vergleich zu 3 =1,633) 

Schmelztemperatur: 649°C 

Siedetemperatur: 

Dichte: 

E-Modul: 

Härte: 

Zugfestigkeit: 

Wärmeleitfähigkeit: 

spez. el. Widerstand: 

1120°C (niedrig hoher Mg-Dampfdruck) 

1,74 g/cm³ (leichtestes von den in größeren 

Mengen genutzten Metallen) 

45 GPa 

ca. 40 HB 

ca. 150 MPa 

156 W/m . K 

4,38 µW . cm 

therm. Ausdehnungskoeffizient: 26,1 . 10 -6 K -1 

Bruchdehnung: 1 - 12% 


51 


Magnesium 

Produktion,Verwendung 

Weltjahresproduktion: ca. 250.000 t 

Recyclingquote: ca. 40 % 

Preis: 

ca. 3 €/kg 

50 % des Magnesium wird als Legierungszusatz für Aluminiumlegierungen 

verwendet 

25 % als Mg-Legierung 

15 % in der chemische Industrie und zur Metalldarstellung (z. B. 

Kroll-Prozess zur Ti-Erzeugung) 

10 % zur Entschwefelung und Desoxidation von Stahl und zur 

Erzeugung von GGG 


52 


Magnesium 

Rohstoffe, Lagerstätten, Darstellung 

Wichtigste Erze sind: 

• Carnallit (KCl . MgCl 2 

. 

6H 2 O) mit 8 % Mg 

• Magnesit (MgCO 3 )mit27%Mg 

• Dolomit (CaCO 3 

. 

MgCO 3 )mit13%Mg 

Magnesium ist zu etwa 2,3 % in der 

Erdrinde enthalten und kommt fast überall 

vor. (Auch in Meerwasser ca. 1,3 kg Mg /m³ 

enthalten, Totes Meer deutlich mehr!!!) 

Größte Erzeuger: USA, Russland, Norwegen 

Aufgrund des hohen Energiebedarfs zur Herstellung von Mg erfolgt die Erzeugung vorrangig 

in Ländern, die über billige Energiequellen verfügen. 

Wichtigste Herstellungsroute ist die Schmelzflusselektrolyse (vergleichbar mit der 

Aluminiumdarstellung) aus Magnesiumchlorid (etwa 70 %). Etwa 30 % werden durch 

thermische Reduktion mit Ferrosilizium aus Magnesiumoxid gewonnen. Die thermische 

Reduktion basiert hauptsächlich auf gebranntem Dolomit. 

Das elektrolytisch und thermisch erzeugte Rohmagnesium enthält noch Verunreinigungen und 

wird flüssig mit Flussmittel-Salzen und Chlorgas oder Stickstoff raffiniert. 

Reinst-Magnesium (99,99 %) erzeugt man durch Destillation im Hochvakuum. 


53 


Magnesium 

Schmelzflusselektrolyse 

Anfangsgehalt: 15 % MgCl 2 

Zusätze: Na 2 O, K 2 O, CaO zur 

Schmelzpunkterniedrigung 

Das Mg scheidet sich flüssig an der 

Fe-Kathode ab und schwimmt auf 

dem Elektrolyten. Wegen der 

Sauerstoffaffinität wird das Mg zum 

Abschöpfen mit Schwefelpulver 

abgedeckt und somit eine SO 2 - 

Atmosphäre geschaffen. 

Temperatur: 700 - 750 °C 

Elektrolysezelle zur Gewinnung von 

Magnesium aus MgCl 2 

Die keramischen Trennwände 

verhindern den Kontakt des 

Magnesiums mit dem Chlorgas und 

damit eine Rückchlorierung 


54 


Magnesiumlegierungen 

• Brennbarkeit (Pulver selbstentzündlich und nicht löschbar). 

• reines Magnesium: Problem der Verarbeitbarkeit (praktisch nicht 

kaltumformbar), da hexagonale Kristallstruktur. 

• reines Magnesium schlecht 

gießbar, aber in den 

letzten Jahren enorme 

Fortschritte (die AJ-Legierungen 

mit sehr guten Druckgusseigenschaften). 

Z.B.: AJ52 (Mg Al 5 Sr 2,0) 

AJ62 (Mg Al 6 Sr 2,3) mit 1,8 g/cm 3 

• Kriechen und Sublimation 

BMW 6-Zylinderreihenmotor, 

in Serie ab 2004, 24% Gewichtsersparnis zu Al 

10kg weniger auf Frontachse 


55 


Kurzzeichen der Legierungselemente 

von Mg-Legierungen nach ASTM 

Kurzzeichen Legierungselement Kurzzeichen Legierungselement 

A Aluminium (2,7 g/cm 3 ) M Mangan (7,5 g/cm 3 ) 

B Wismut (9,8 g/cm 3 ) N Nickel (8,9 g/cm 3 ) 

C Kupfer (8,9 g/cm 3 ) P Blei (11,3 g/cm 3 ) 

D Cadmium (8,7 g/cm 3 ) Q Silber (10,5 g/cm 3 ) 

E Seltene Erden (> 6g/cm 3 ) R Chrom (7,1 g/cm 3 ) 

F Eisen (7,9 g/cm 3 ) S Silizium (2,3 g/cm 3 ) 

H Thorium (11,7 g/cm 3 ) T Zinn (7,3 g/cm 3 ) 

J Strontium (2,6 g/cm 3 ) W Yttrium (4,5 g/cm 3 ) 

K Zirkonium (6,5 g/cm 3 ) Y Antimon (6,7 g/cm 3 ) 

L Lithium (0,5 g/cm 3 ) Z Zink (7,1 g/cm 3 ) 


56 


Magnesium - Gusslegierungen 

Die große Erstarrungsschwindung von 4 % macht Mg-Legierungen anfällig für Poren 

und Lunker. Zudem zeichnet sich Mg durch eine niedrige Wärmekapazität 

(ermöglicht kurze Zykluszeiten) und schlechtes Formfüllungsvermögen aus. Deshalb 

wird der größte Teil der Magnesiumlegierungen im Druckguss (90%) verarbeitet. Als 

Tiegelmaterial wird Eisen und als Werkzeugmaterial wird Stahl eingesetzt, da Eisen 

von flüssigem Magnesium nicht angegriffen wird. 

Auswahl einiger genormter Mg-Gusslegierungen 

Kurzzeichen Werkstoffnummer R P0,2 R m A Härte Handelsübliche 

MPa MPa % HB 5/250 Bezeichnung 

G-MgAl8Zn1 3.5812.05 140-160 200-240 1-3 60-85 AZ 81 

G-MgAl9Zn1 3.5912.05 150-170 200-250 0,5-3 65-85 AZ 91 

G-MgAl6 3.5662.05 120-150 190-230 4-8 55-70 A 6 

G-MgAl6Zn1 3.5612.05 130-160 200-240 3-6 55-70 AZ 61 

G-MgAl4Si1 3.5470.05 120-150 200-250 3-6 60-90 AS 41 

G-MgAl6Sr2 ? 130-150 200-250 7-9 55-65 AJ 62 


57 


Magnesium 

Verarbeitung 

Magnesiumschmelze wird zum Schutz vor 

Selbstentzündung mit Schwefel abgedeckt. 

Bei Raumtemperatur ist Magnesium schlecht 

umformbar (Gleiten nur auf Basisebene), bei 

ca. 200°C sprunghafter Übergang zu höherer 

Duktilität (Aktivierung neuer Gleitsysteme). 

Aufgrund ausgeprägter Anisotropie und 

durch Glühen nicht ausgleichbarer Textur 

wird Magnesium nur in geringem Maß als 

Knetlegierung eingesetzt. 

Mg-Legierungen sind sehr gut spanend zu 

bearbeiten. Wegen der Gefahr der Selbstentzündung 

der Späne wird dabei trocken 

oder unter Öl gearbeitet. 


58 


Phasendiagramm Mg - Al 

Zulegieren mit 

leichten Elementen 

(Al, Sr). 

Die Al 12 Mg 17 

intermetallische 

Phase bildet mit der 

Mg-Matrix ein 

Lamellengefüge 


59 


Magnesium 

Anwendungsbeispiele 

Instrumententafel PKW 

Werksmaschine Ralf Waldmann 

1993 mit Mg-Gussfelgen 

Allradgetriebegehäuse 

VW-Käfer (ca. 1940) Motor und Getriebegehäuse 

luftgekühlt! 

Sitzschale PKW 

Flugzeugmotor mit Kurbelgehäuse 

aus Mg-Gusslegierung 

PKW-Lenkrad 


60 


Zusammenfassung Magnesium 

• Dichte 1,7 g/cm 3 

• hdp-Gitter schlechte (keine) Kaltumformbarkeit, 

Warmumformung bei T > 200°C möglich 

• ~ 10 mal teurer als Stahl 

• T m = 650°C, E = 47 GPa 

• nur ca. 25% für Mg-Legierungen, Rest als Legierungselement in 

Aluminium und Stahl 

• AZ 91 Blech, AJ62 BMW-Verbundkurbelgehäuse 

• Gewichtsersparnis im Vergleich zu Stahl nur durch größere 

Querschnitte 


61 


Titan und seine 

Legierungen 


62 


Titan - Eigenschaften 

Kristallstruktur: : hdp, mit c:a = 1,60 

: krz (>882 °C) 

Schmelztemperatur: 1668 °C 

Dichte: 

E-Modul: 

Härte: 

Zugfestigkeit: 

Wärmeleitfähigkeit: 

spez. el. Widerstand: 

4,5 g/cm³ (Leichtmetall) 

105 GPa 

ca. 120 HB 

ca. 350 MPa 

15 W/m . K 

42 µW . cm 

therm. Ausdehnungskoeffizient: 8,35 . 10 -6 K -1 


63 


Titan 

Rohstoffe, Lagerstätten, Darstellung 

Wichtigste Erze sind: 

Haupterzeuger von TiO 2 : 

• Rutil mit bis zu 98 % TiO 2 

• USA (ca. 33 %) 

• Ilmenit (FeTiO 3 ) mit bis zu 65 % TiO 2 

• Westeuropa (ca. 50 %) 

• ehem. UdSSR 

Nur ca. 10 % des TiO 2 wird zu Metall verarbeitet. Der größte Teil wird als weißes Pigment in 

der Farbenindustrie verwendet. 

Die direkte Reduktion zu metallischem Titan ist aufgrund der hohen Bildungswärme des 

Titandioxids (954,5 kJ/mol) und der großen Löslichkeit von Sauerstoff in Titan bisher nicht 

möglich. Großtechnische Herstellung durch Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium 

(Kroll-Prozeß, erst seit 1946). 

Die Herstellung des TiCl 4 erfolgt überwiegend nach dem kontinuierlichen 

Wirbelschichtverfahren. Dabei wird Ilmenit oder Rutil unter Zugabe von Koks chloriert 

TiO 2 + 2C + 2Cl 2 ↔ TiCl 4 +2CO 


64 


Titan 

Verfahren zur Herstellung 

Kroll-Prozeß, über 

Mg-Reduktion 

erst ab 1949 

größere Mengen 

Titan zur Verfügung 

Elektolytischer Prozeß 


65 


Titan 

Darstellung (Kroll-Verfahren) 

TiCl 4 

Cl 2 

Mg 

(flüssig) 

Reduktionsreaktor 

Mg 

MgCl 2 

Elektrolyse 

Roh-Titanschwamm 

Zerkleinern 

H 2 O, 

HCl, 

HNO 3 

Laugen 

Vakuumdestillation 

MgCl 2 , 

Mg/Ti-Chloride 

Titanschwamm 


66 


Titan 

Rohblockherstellung 

Unlegierter 

Titanblock 

Titanblock 

nach dem 

Ziehen des 

Tiegels 

Vakuumlichtbogenofen 

max. Blockgewicht 

13 t 

Vakuumlichtbogenofen mit 

abschmelzender Elektrode 


Vakuumlichtbogenofen mit 

Fremdelektrode 

67 

Elektronenstrahlofen 


Tigelloses Umschmelzen 

Da Titan extrem reaktiv ist, kann es nur 

tigellos oder mit Kaltwandtigeln 

umgeschmolzen und gereinigt (d.h. im 

Sauerstoffanteil reduziert) werden. 


68 


Titan - Eigenschaften 

+ ausgezeichnete 

Korrosionsbeständigkeit 

gegenüber oxidierenden 

wässrigen Medien und in vivo 

Implantatmaterial 

+ hohe Festigkeiten 1.000 - 1.400 

MPa (vergleichbar Stahl), 

einsetzbar bis 500°C füllen 

Lücke zwischen Al und 

warmfesten Stählen. 

+ gute Bruchfestigkeit/Dichte 

Verhältnis 

- Preis (~ 20 - 100 x Stahl) 

- Kerbschlagempfindlichkeit Pourbaix-Diagramm von Titan 


69 


Titan 

Verarbeitung, Formgebung 

Gießen 

• hoher Schmelzpunkt und Reaktionsfreudigkeit 

(Ti reagiert mit allen Tiegelmaterialien) und 

Sauerstoffaffinität Elektronenstrahlschmelzen 

in Ti-Tiegeln, Guss in gekühlte Cu- 

Formen oder Graphit. 

• hohe Oberflächenspannung schlechtes 

Formfüllungs-vermögen Vakuumdruckguss. 

Umformen 

Gebräuchlich ist z.B. das 

Warmwalzen „im Hemd“, 

d.h. der Titanblock wird in 

Stahlmantel eingeschweißt 

und gemeinsam gewalzt, 

um Verzunderung zu 

vermeiden 

Rein-Titan und -Titan-Legierungen sind schweißbar (Ar- oder He- 

Schutzgas), - und ( + )-Legierungen verspröden. 


70 


Titan 

Verarbeitung 

Vakuum-Lichtbogenofen zum Umschmelzen, 

Raffinieren, Legieren paketierter Titanschwammblöcke, 

max. Kapazität: 13 t Titan 

Beladen eines Schmiedeofens 


71 


Titan 

Sauerstoffeinfluss 

Titan technischer Reinheit wird aufgrund seiner Festigkeit und 

Korrosionsbeständigkeit im chemischen Apparatebau eingesetzt, z.B. für 

Wärmetauscher, Heizschlangen, Behälterauskleidungen 

700 

40 

Festigkeit in N/mm² 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 

Sauerstoffgehalt in % 

Zugfestigkeit Streckgrenze Bruchdehnung 

Bruchdehnung in % 

Einfluss des Sauerstoffgehalts auf 

die Festigkeit unlegierten Titans 


72 


Titan und seine Legierungen 

Festigkeitsbereich von Rein-Titan: 290 bis 740 N/mm 2 

Merke: 

Eigenschaften werden dabei hauptsächlich durch Abstufung des 

Sauerstoffgehaltes erzielt. Mit 

zunehmendem Sauerstoffgehalt 

nehmen Festigkeit und Härte zu, 

während die Zähigkeitabnimmt. 

Deutsche Titan (ThyssenKrupp Stainless) 

TiAl6V4 

1% Pd 

Palladium- und Nickel-Molybdänlegiertes 

Titan zeichnet sich 

gegenüber unlegiertem Titan durch 

nochmals verbesserte 

Korrosionsbeständigkeit aus. 


73 


Titanlegierungen 

Festigkeitswerte 

Festigkeitswerte ausgewählter Ti-Legierungen 

Legierung R P 0,2 R m A Bruchzähigkeit 

[N/mm²] [N/mm²] [%] MPa 

Ti-5Al-2,5Sn 830 860 15 70 

+β Ti-6Al-4V 1100 1200 6-16 33-110 

β-metast. Ti-10V-2Fe-3Al 1100 1250 6-16 30-100 

m 


74 


Titan - Legierungselemente 

Die Hauptlegierungselemente für Titan teilt man nach ihrer Wirkung auf die Gitterstruktur 

ein: 

-stabilisierend (hcp): Al, Sn, O, N, C 

-stabilisierend (bcc): V, Mo, Cr, Cu, Zr, H 

Dementsprechend unterscheidet man je nach Kristalltyp drei Legierungsgruppen: 

hexagonale -Legierungen 

• mäßig kaltverformbar 

• Diffusionsgeschwindigkeit der 

versprödenden Elemente O, N, C 

geringer als in β-Legierungen 

geeignet für Anwendungen bei 

höheren Temperaturen (z.B. 

Strahltriebwerke) 

Beispiel: TiAl5Sn2,5 

Zweiphasige ( + )-Leg. 

• guter Kompromiß zwischen 

Festigkeit und Dichte 

• aushärtbar 

Beispiel: TiAl6V4 

krz- -Legierungen 

• hohe Festigkeit 

• gut kaltverformbar 

• höhere Dichte wegen der 

zugesetzten Schwermetalle 

Beispiel : TiV13Cr11Al3 


75 


Phasendiagramm Ti - Al 

(Al stabilisiert α-Phase) 


76 


Phasendiagramm Ti - V 

(V stabilisiert β-Phase) 


77 


Ausschnitt aus dem ternären 

Phasendiagramm Ti-Al-V 

TiAl6V4 


78 


TiAl6V4 Mikrostruktur 

verschiedener Anwendungen 

prim. 

sek. + β 

Ausgangsmaterial vor dem Schmieden für Pleuelstangen (Automobil) 


79 




gefertigtes Pleuel 


80 




Verdichterschaufel für Flugturbine (Flugzeug) 


81 




Schienbeinnagel (ca. 35 cm lang) zur Knochenstabilisierung (Mensch) 


82 


Titan - Anwendungen 

links: Rennmotor: Ti Al 6 V 4, 420 g 

rechts: Serienmotor: 25 Cr Mo 4 V, 650 g 


83 

Gewichtsersparnis um 35% 

trotz größerem Volumen 


Projekt mit VW 

(1999 - 2001) 

Problem: Versagen (meist am Ende) einer Tieflochbohrung an 

Versuchspleuel für hochwertige Ottomotoren 

Drill Rotation 

10 µm 

Cross section of the 

connecting rod 

Drill Depth: 0 mm 




84 


Projekt mit VW 

(1999 - 2001) 

Calibration curve 

Pseudo temperature vs. 

drill depth 

Pseudo 

temperature 

versus radial 

distance of the 

drill hole surface 

Sample for 

carrier gas hot 

extraction. 

Dependence of 

oxygen 

concentration on 

drill depth. 


85 


Titan - Anwendungsmerkmale 

Die Anwendungen von Titanlegierungen können grob in drei Kategorien unterteilt 

werden: 

• Anwendungen, bei denen gute Struktur- und/oder Temperatureigenschaften von Titanlegierungen 

im Verhältnis zu ihrer geringen Dichte erforderlich sind. Tatsächlich ist das 

Verhältnis zwischen den Festigkeitseigenschaften und der Dichte das höchste bei den 

metallischen Bauteilen. 

• Anwendungen, bei denen ein sehr hoher Korrosionswiderstand gegen bestimmte 

aggressive Medien, wie in der chemischen Industrie, verlangt wird. 

• Spezielle Anwendungen, die auf den einzigartigen Eigenschaften von Reintitan und 

Titanlegierungen basieren. 


86 


Titan - 

Einsatz im Automobilbau 

Einsatzgebiete: 

z. B. Abgasanlagen, Bremssysteme, Pleuel, Ventile, Federn 

Werkstoffauswahl: Reintitanwerkstoff 12 (3.7025) und RT 15 (3.7035) 

Auswahl entsprechend dem Umformgrad zur Herstellung 

des jeweiligen Bauteils. 

Als Verformungsverfahren dünner Bleche oder 

dünnwandiger Rohre aus TiAl6V4 wird in der Luftund 

Raumfahrt in vielen Fällen die superplastische 

Umformung, auch häufig in Verbindung mit dem 

Diffusionsschweißen, angewendet. 


87 


Titan im Flugzeug 

Der verbaute Titananteil moderner Großraumflugzeuge macht 

bis zu 20% Ihres Gesamtgewichts von ca. 300 t aus. 


88 


Titan-Fahrwerk 

Titanlegierungen sind heute 

unverzichtbarer Werkstoff für 

Fahrwerke moderner Flugzeuge 


89 


Titan 

Einsatz in der Medizintechnik 

Einsatzgebiete: 

Anforderungen: 

Werkstoffe: 

Gelenkersatzteile für Hüfte, Knie, Wirbelsäule, Ellbogen und Hand 

Fixiermaterialien für Knochen, wie Nägel, Schrauben, Muttern/Platten 

Zahnimplantate und Teile für die kieferorthopädische Chirurgie 

Herzschrittmachergehäuse und künstliche Herzklappen 

chirurgische Instrumente für die Herz- und Augenchirurgie 

Bauteile in schnell laufenden Blutzentrifugen 

Die als Dauerimplantate in den menschlichen Körper einzubringenden 

Implantatwerkstoffe müssen u.a. biokompatibel, korrosionsbeständig, 

gewebeverträglich, vital und elastisch sein. 

Für Implantate/sonstige Teile, die keiner großen Belastung im menschlichen 

Körper unterworfen sind, kommen überwiegend die unlegierten 

Titansorten und für Endoprothesen und Instrumente überwiegend 

Titanlegierungen zum Einsatz. 

Im Dentalbereich werden sowohl die Reintitanwerkstoffe (3.7025) und 

3.7035 als auch die Titanlegierungen wie z.B. TiAl6V4 (3.7165) als 

Implantatmaterial/zahntechnischen Prothetik eingesetzt. 


90 


Titan 

Einsatz in der Medizintechnik 

Vorteil der Titanwerkstoffe im Dentalbereich 

Völlige Geschmacksneutralität und für Patienten, die mit Allergien oder toxischen 

Reaktionen auf die verschiedenen Dentallegierungen reagieren, ist Titan eine ausgezeichnete 

Alternative. 

Legierungsentwicklung: TiAl5Fe2.5 - speziell für Dauerimplantate (Ergänzung zu 

TiAl6V4) 

• hervorragende Gewebeverträglichkeit 

• ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht 

• Dauerfestigkeiten von über 700 N/mm 2 

Entwicklungsziel:Ersatz des im elementaren Zustand toxische Element Vanadium durch 

geeignete körperverträgliche Elemente! 

Bei der Legierung TiAl5Fe2.5 ist dies durch Substitution mit Eisen 

erreicht worden, ohne die guten statischen und dynamischen Eigenschaften 

negativ zu beeinflussen. 


91 


Verformung im hexagonalen Kristallsystem 

(Be, Mg, Ti, Co, ... ) 

Gleitrichtung 

{1101}- 

Pyramidalebene 

{0001} 

Basisebene 

{1010}- 

Prismenebene 

Abhängig vom c:a-Verhältnis werden 

verschiedene Gleitsysteme bei der 

Verformung wirksam. Aus der Forderung 

nach dichtester Packung läßt sich ein c:a- 

Verhältnis von 1,633 ableiten. Je näher der 

tatsächliche Wert liegt, desto eher werden 

alle unabhängigen Gleitsysteme aktiviert. 

Darüberhinaus erfolgt bei entsprechend 

niedriger Stapelfehlerenergie auch eine 

Verformung über Zwillingsbildung, bzw. 

setzt Zwillingsbildung ein, um neue 

Gleitsysteme in eine für die Verformung 

günstige Lage zu drehen. 


92 


Titan 

Umformeigenschaften 

Grundsätzliches 

- und /-Titanlegierungen lassen sich bei RT nur bedingt umformen 

Grund: hohes Streckgrenzenverhältnis von meist über 90 %. 

Geringe Gleichmaßdehnung, d. h. die plastische Verformungsfähigkeit ist auf 

einen sehr engen und technisch kaum nutzbaren Bereich eingeschränkt 

Lösung: Bei Temperaturen über 500°C verbessert sich sowohl das Streckgrenzenverhältnis 

als auch das Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Streckgrenze, so daß 

Bleche aus legiertem Titan überwiegend warm umgeformt werden 

Merke: Bei Wärmebehandlung ist grundsätzlich zu beachten, daß eine hohe Reaktionsfreudigkeit 

zu Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff besteht. 

Möglichst kurze Erwärmungsdauer in neutraler oder leicht oxidierender 

Atmosphäre (um Wasserstoffaufnahme zu verhindern). 

Eine Wasserstoffaufnahme tritt bereits bei Temperaturen ab 500 °C auf 


93 


Titan - Warmumformung 

• Warmumformung findet oberhalb der Rekristallisationstemperatur 

statt. 

• Einzuhaltende Temperaturbereich wird durch die Gefügeanforderungen, 

den Umformwiderstand und die Neigung zur 

Rissbildung begrenzt. 

• Schmiermittel sind Glasmischungen mit ausgewählten 

Erweichungsbereichen oder Fett-Graphit-MoS 2 -Schmiermittel. 

• Üblicherweise erfolgt nach dem Umformen ein Weichglühen bei 

T= 650 - 800°C. 

• Glühzeiten sind abhängig vom Umformgrad/Bauteildicke. 


94 


Wissenswertes zur Wärmebehandlung 

Titan 

Wärmebehandlung 

Oberhalb 700°C führen Sauerstoff + Stickstoff verstärkt zur Bildung von Zunderschichten, 

unter gleichzeitiger Diffusion von Sauerstoff in die Werkstückoberfläche (-case) 

Merke: 

"-case" hat eine Verringerung der Zähigkeitseigenschaften und der 

thermischen Stabilität des Titanwerkstoffes zur Folge 

Im Gegensatz zu Sauerstoff und Stickstoff kann der eindiffundierte Wasserstoff 

durch eine Vakuumglühung wieder weitgehend entfernt werden 

Wärmebehandlung mit Schutzgas- (nur Edelgase) und Vakuumöfen (elektrisch 

oder gasbeheizte Luftöfen. 

Wichtig: Bei gasbeheizten Öfen ist ein Luftüberschuss von etwa 10 - 15% einzustellen. 

Aufgrund der Gefahr einer Wasserstoffaufnahme und einer örtlichen Überhitzung 

des Materials ist eine unmittelbare Berührung des Wärmebehandlungsgutes 

mit der Gasflamme zu vermeiden. 


95 


Titan 

Wärmebehandlung 

Darüber hinaus bildet Titan mit bestimmten Metallen, wie z. B. Nickel und 

Kupfer, niedrigschmelzende Phasen, die bei den Wärmebehandlungen 

üblichen Temperaturen zu lokalen Aufschmelzungen führen können. 

Immer den Kontakt mit diesen Metallen durch z. B. Chargiergestelle 

vermeiden! 

Spannungsarmglühung: - unlegiertes Titan zwischen 500 und 600 °C 

- + Legierungen zwischen 600 und 675°C 

- Legierungen zwischen 700 und 750°C 


96 


Titan-Feinguss 

Vorteil des Feinguss: 

Gießtechnische Fertigung komplizierter Innenkonturen, Hinterschnitte oder gekrümmte 

Flächen, die mit anderen Fertigungsverfahren nur aufwendig realisierbar sind. Gießtechnik 

mit „Endmaß“, d. h. Reduzierung des Nachbearbeitungsaufwandes (z. B. Spanen) 

Werkzeugbau Wachsmodell Modellmontage 

Keramikbeschichtung der „Trauben“ 

Entwachsen und Brennen der „Trauben“ 


97 


Titan 

Literaturhinweise 

Literaturhinweise 

H. Bühler "Umformeigenschaften von Titan und Titanlegierungen" Bänder, Bleche, Rohre 6 (1965) Teil 1: H. 11, 

S. 625/30 und 667 Teil 2: H. 12, S. 677/84 

U. Zwicker "Titan und Titanlegierungen" Kap. 16.1 - Warmumformung Springer-Verlag 1974, S. 469/80 

H. Wilhelm "Das Umformverhalten von Blechen aus Titan und Titanlegierungen im einachsigen Zugversuch und 

beim Tiefziehen" Bänder, Bleche, Rohre 16 (1975), S. 421/26 und S. 473/76 

H. Wilhelm "Das Verhalten von Blechen aus Titan und Titanlegierungen beim Biegen im V-Gesenk" Bänder, Bleche, 

Rohre 7 (1976), S. 284/88 

A. Hegazy "Untersuchungen zur Warmumformbarkeit der Titanlegierung TiAl6V4" Aluminium 59 (1983), H. 6, S. 

451/55 

R. Kopp "Einfluß des mehrmaligen Erwärmens beim partiellen Schmieden von Werkstücken aus TiAl6V4" Metall 

37 (1983), H. 4, S. 345/49 

H. Wagner "Beitrag zum Kaltfließpressen von Titan" VDI-Fortschr.-Ber. VDI-Reihe 2, Nr. 101, (1985) 

D. Ward "Superplastic forming of titanium alloys" Metals and Materials, September 1986, S. 560/63 

K. Kutzsche "Umformfestigkeit von Titan" Neue Hütte 35 (1990), S. 149/51 

D. Dunst "Analysis of Experimental and Theoretical Rolling Textures of Two-phase Titanium Alloys" Zeitschrift 

für Metallkunde (1996), H. 6, S. 498/507 

M. Peters, C. Leyens und J. Kumpfert "Titan und Titanlegierungen", DGM-Verlag (1996) 

G. Lütjering, J. Albrecht (eds.) "Proc. 10. World Conf. Titanium", Wiley VCH (2004) 


98 


Zusammenfassung Titan 

• Dichte 4,5 g/cm 3 (schwerstes Leichtmetall) 

• hdp-Gitter (α-Titan) bei RT schlechte (keine) Kaltumformbarkeit 

β-Transustemperatur bei 880°C (krz) gut verformbar. α, β und α/β 

Legierungen möglich extrem weites Eigenschaftsspektrum 

• > 10 mal teurer als Stahl 

• T m = 1670°C (durch T β oft nicht entscheidend), E = 105 GPa 

• sehr weit verbreitet: Ti-6Al-4V 

• Einsatztemperatur begrenzt auf max. 550°C 

• Deutliche Gewichtsersparnis im Vergleich zu Stahl möglich, da 

gleiche Zugfestigkeit 

• Luft- und Raumfahrt, Medizin, Rennsport (Hochpreissegment) 


99 


Beryllium 

Be kann bei 1% der Männer und 4% der Frauen Immunreaktionen 

hervorrufen, deren lungenschädigende Wirkung erst nach vielen 

Jahren (25-35) auftritt (Staub und Aufnahme über die Haut). 

extreme Sicherheitsmaßnahmen. 

Be sehr gutes Festigkeit/Dichte Verhältnis und hohe Wärmekapazität 

( Bremsscheiben für Sondereinsätze). 

Nachteile: spröde, toxisch 


100 


Recycling der Leichtmetalle 

Schmelzwärme 

[kJ/mol] 

Bindungsenthalpie 

[kJ/mol] 

Al 11 1.676 Al 2 O 3 

Be 8 608 BeO 

Mg 8 602 MgO 

Ti 19 980 TiO 2 

Fe 14 823 Fe 2 O 3 


101 


Vergleich der Leichtmetalle 

mit Stahl 

Faserverstärkte 

Kunststoffe 

gleiches E/-Verhältnis 

Be Mg Al Ti Stahl 

Dichte 19% 24% 22% 35% 58% 100% 

E-Modul 10% 135% 21% 34% 55% 100% 

Zugfestigkeit 54% 44% 32% 26% 100% 100% 

Bruchdehnung 

(bezogen auf Stahl) 

therm. 

Exp.koeff. 

13% 0-26% 35% 150% 190% 100% 

2-250% 107% 226% 208% 73% 100% 

Gewicht einer Feder m ~ G Titan-Feder nur 35% des Gewichts einer Stahl-Feder 


102 


low-cost--Titan 

Achsschraubenfedern aus Titan 

Federstahl 

Titan 

Quelle: Prof. Christ, Siegen 

Serieneinsatz im Lupo FSI, 40% Gewichtsreduzierung. 

Geringeres Elastizitätsmodul günstig da (G für und die Masse jeweils ca. 

einer Feder gilt: 

55% der Stahl-Werte) 


m ~ G 

103 


Werkstoffgerechte 

Konstruktion 

Material 

E-Modul/Dichte 

[MPa·m 3 /kg] 

Zugfestigkeit/Dichte 

[kPa·m 3 /kg] 

Stahl (40 NiCrMo 8-4) 27 230 

Al (7075-T6) 26 180 

Ti 6Al 4V 25 250 

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe 

(auf Festigkeit optimiert) 

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe 

(auf E-Modul optimiert) 

92 780 

134 460 


104 


Beispiel Fahrradrahmen 

© Meyers, Chawla: Mechanical Behavior of Materials 

T 1 

T 2 

M 1 

Anforderungen an Fahrradrahmen: 

•Gewicht 

• Steifigkeit 

Starke Verwindungen des 

Fahrradrahmens benötigen zusätzliche 

Energie, die dann dem Vortrieb nicht 

mehr zur Verfügung steht. 

M 2 

F 1 

F 2 

Aluminium-Fahrradrahmen gelten als 

steifer, Stahlrahmen als komfortabler, 

obwohl 

E St = 210 GPa ≈ 3·E Al = 70 GPa 


105 


Aluminium Stahl 

Fahrradrahmen 

Biegespannung eines Rohres mit Radius r 

und Stärke t: 

I ... Trägheitsmoment 

M ... Biegemoment (~ Gewicht des Radfahrers) 

 

M r 

I 

mit der Dauerfestigkeit D und dem Trägheitsmmoment 

für ein dünnwandiges Rohr I = ·r 3·t, ergibt sich: 

aus Festigkeitsüberlegungen gilt: 

Konstruktion 

m 

L 

 

2 

 

r 

t 

 

M 

2 M 

r 

max 

D 

max 

 

 

D 

r 

2 

t 

Material 


106 



Fahrradrahmen 

Der Krümmungsradius k eines Stabes unter Biegebeanspruchung 

ist gegeben durch die Bernoulli-Euler 

Gleichung, Verschiebung u und E-Modul: 

1 

k 

 

2 

d u 

2 

dx 

 

M 

E I 

 

 

M 

E r 

3 

t 

oder 

k 

~ E r 

3 

t 

dann gilt aus Überlegungen zur elastischen Verbiegung 

des Rohres 

Konstruktion 

m 

L 

 

2 

 

r 

t 

 

2 M 

r 

max 

2 

k 

 

E 

Material 


107 



Fahrradrahmen 

Ähnliche Gleichungen lassen sich für die 

Torsionsbeanspruchung herleiten. Das Gewicht des 

Fahrers (und damit M) wird als konstant angenommen. 

Ebenso wird eine Obergrenze der maximal zugelassenen 

Krümmung festgelegt. Die Größe m/L soll unter 

Berücksichtigung der Festigkeits- und Steifigkeitskriterien 

optimiert werden. 

Ashby Plots D / und E/ 

1 

r 

 

 

D 

k 

2 

r 

 

E 


108 


Auf Dichte bezogene 

Dauerfestigkeit e und Steifigkeit 

CFRP ist somit der beste 

Werkstoff. 

Kommt der Rohrradius als 

freier Parameter hinzu, ändert 

sich das Bild. Die Festigkeit 

skaliert mit r, die Steifigkeit 

mit r 2 . 

Wichtig: die Kombination 

verschiedener Materialeigenschaften 

bestimmt das 

optimale Material. 


109 



AA 7075 T6, 3.4365 

AlZnMgCu1,5 

Stahl, 1.6562 

(40 NiCrMo 8-4) 

B 

[MPa] 

D 

[MPa] 

 

[g/cm 3 ] 

E 

[GPa] 

G 

[GPa] 

500 220 2,7 70 27 

1 350 600 7,8 210 83 

Ti 6Al 4V, 3.7165 1 000 600 4,5 120 45 

Ausgangspunkt: Stahlrahmen mit Radius r = 12,5 mm, Wandstärke t = 1,25 mm 

Alternativ: Aluminiumrahmen (Ausscheidungsgehärtet AA 7075-T6) 


110 



Variante A: 

Bedingung gleicher Radius 

r Al = r St = 12,5 mm 

gleiche Festigkeit 

St Al Ti 

/ D [10 -6 s 2 /m 2 ] 13,0 12,3 7,50 

/E [10 -9 s 2 /m 2 ] 37,1 38,6 37,5 

Das Masse zu Längenverhältnis ist dann 

Wandstärke t Al ist dann 

tSt 

St 

t 

Al 

2,73 tSt 

3,41 mm 

1,06 

Das Verhältnis der Krümmungsradien ist: 

Al 

m 

 

L 

 

m 

 

L 

m 

 

L 

m 

 

L 

2 M 

rSt 

2 M 

r 

Der Stahlrahmen ist circa um das gleiche Verhältnis schwerer und steifer. 

k 

k 

St 

Al 

St 

Al 

St 

Al 

 

 

E 

 

 

E 

Al 

Al 

 

Al 

1,06 

 

 

 

 

 

 

 

 

D 

 

 

D 

38,6 

37,1 

 

 

 

 

 

 

St 

Al 

 

1,10 

13,0 

12,3 

1,06 


111 



Variante B: Erhöhung der Steifigkeit beim Aluminiumrahmen Verdopplung des 

Rohrdurchmessers des Aluminiumrahmens: 

r Al = 25 mm, bei gleichem Gewicht, d.h. die Wandstärke t Al wird halbiert. Die 

Wandstärke ist dann immer noch t Al = 1,7 mm = 1,4·t St größer als die des 

Stahlrahmens mit r St =12,5 mm und t St =1,25 mm. 

Der Rahmen wird 33% steifer, da das Verhältnis der Krümmungsradien: 

k 

k 

Al 

St 

 

E 

E 

Al 

St 

r 

r 

3 

Al 

3 

St 

t 

t 

Al 

St 

 

70 

210 

4 

1,33 

Dieselbe Vorgehensweise beim Stahl- und Titanrahmen ist begrenzt, da die 

Wandstärke des Stahlrahmens bei r St = 25 mm mit t St = 0,63 mm in den Bereich 

weniger 1/10 mm kommt. Beulen können schon durch Druck der Finger entstehen. 


112 



Variante C: Verdopplung des Rohrdurchmessers des Aluminiumrahmens im 

Vergleich zum Stahlrahmen (r Al = 25 mm) unter weiterer Reduktion des Gewichts, 

durch Verringern der Wandstärke. 

Welche Gewichtsverringerung lässt sich durch einen Aluminiumrahmen mit 

doppelten Rohrradius erzielen? Bedingung: gleiche Festigkeit wie Stahlrahmen. 

Festigkeitskriterium: 

Der Al-Rahmen wiegt nur 47% des Stahlrahmens! 

t 

Al 

0,47 r 

 

r 

Al 

St 

t 

 

St 

Al 

 

St 

0,47 t 

 

2 

St 

Al 

 

St 

0,68 t 

St 

0.85 mm 

m 

 

L 

x 

m 

 

L 

Al 

St 

 

2 M 

rAl 

2 M 

r 

St 

 

 

 

 

 

 

 

 

D 

 

 

D 

 

 

 

 

 

 

Al 

St 

12,3 

0,47 

213,0 

Steifigkeit: 

k 

k 

Al 

St 

 

E 

E 

Al 

St 

r 

r 

3 

Al 

3 

St 

t 

t 

Al 

St 

 

70 

210 

80,68 

1,81 

Der Al-Rahmen ist halb so 

schwer und fast doppelt so steif! 


113 


Weitere Kriterien bei der 

Herstellung von Fahrradrahmen 

• Schweißbarkeit !! 

(z.B. Sc-haltige Al-Legierungen) 

• Verarbeitungsmöglichkeit !! 

(z.B. Innen-Hochdruck-Umformung (IHU), Strangpressen 

• Preis (im Hochleistungssportbereich kein Kriterium) 


114 


Beispiel variable Wandstärke 

Außendurchmesser 50,8 mm 

Wandstärke 0,89 mm ± 0,08 mm 

Durch die größere Fertigungsfreiheit 

(biegen, ziehen, IHU) und bessere 

Schweißbarkeit sind Aluminium-Rahmen 

zur Zeit leichter als Titan-Rahmen. 

Außerdem ist das Problem der zu dünnen 

Rohrwandstärken beim Ti ähnlich wie 

beim Stahl. 


115

Metallische Halbzeuge Teil a - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe ...

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?