Werkstoffkunde II Zusammenfassung: Kunststoffe & Keramik, Zusammenfassungen von Werkstoffkunde

Nur auf Docsity: Lade Werkstoffkunde II Zusammenfassung: Kunststoffe & Keramik und mehr Zusammenfassungen als PDF für Werkstoffkunde herunter! Zusammenfassung Werkstoffkunde II Kunststoffe & Keramik [SS2010 – Prof. Michaeli & Prof. Telle] Nur für Bachelor Wirtschaftsingenieure relevante Themen! Die Zusammenfassung dient lediglich zur Klausurvorbereitung, kann jedoch nicht Vorlesung und Übung ersetzen. Es kann keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit der Angaben gegeben werden. Weiter kann nicht garantiert werden, dass der Stoff in späteren Semestern nicht erweitert, gekürzt oder anderweitig geändert wurde! Eine Veröffentlichung oder kommerzielle Nutzung ist ausdrücklich verboten! 2 Inhalt 1. Kunststoffe ................................................................................................................................................................................................. 3 1.1. Allgemeines ..................................................................................................................................................................................... 3 1.1.1. Hauptgruppen: ...................................................................................................................................................................... 4 1.1.2. Sonderformen ....................................................................................................................................................................... 8 1.1.3. Bindungsmechanismen ..................................................................................................................................................... 9 1.2. Herstellung ....................................................................................................................................................................................... 9 1.2.1. Herstellung synthetischer Kunsstoffe:........................................................................................................................ 9 1.2.2. Recycling ...............................................................................................................................................................................10 1.3. Stoffeigenschaften .......................................................................................................................................................................10 1.3.1. Kurzzeitbeanspruchung: ................................................................................................................................................11 1.3.2. Langzeit Werkstoffprüfung: ..........................................................................................................................................12 1.3.3. Kerbschlagbiegeversuch: ...............................................................................................................................................15 1.3.4. Torsionsschwingversuch: ..............................................................................................................................................16 1.3.5. Feder-Dämpfer-Modelle: ................................................................................................................................................17 1.4. Werkstoffe im Vergleich ...........................................................................................................................................................18 1.5. Aufbereitung .................................................................................................................................................................................19 1.5.1. Zusatzstoffe: .........................................................................................................................................................................20 1.6. Verarbeitung .................................................................................................................................................................................21 1.6.1. Extrusion: ..............................................................................................................................................................................21 1.6.2. Spritzgießverfahren..........................................................................................................................................................22 1.6.3. Eigenspannungen: .............................................................................................................................................................25 1.6.4. Orientierungen: ..................................................................................................................................................................25 1.6.5. Gezielte Nutzung von Orientierungen.......................................................................................................................26 1.7. Dimensionierung .........................................................................................................................................................................26 1.8. Faserverbundkunststoffe (FVK) ............................................................................................................................................27 5  Elastomere:  quellbar, unlöslich, nicht schmelzbar  bei Raumtemperatur: elastisch – weich  Beispiele:  Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)  Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)  Ausgangsprodukt:  unvernetzte Kautschukmischung  Werden im Laufe der Verarbeitung vernetzt. Vernetzung thermisch initiiert, daher genau Temperaturkontrolle notwendig (Flüssigkeitstemperierung).  Thermoplaste:  quellbar, schmelzbar, löslich  bei Raumtemperatur: weich – bis hart – zäh oder hart – spröde  Beispiele:  spröde: PS, PMMA (Plexiglas), PVC-hart  zäh: PA, PC (Polycarbonat), PP, PE-HD  kautschukähnlich: PE-LD. PVC-weich  teilkristalline Thermoplaste:  Verarbeitung: 20-30°C über der Kristallitschmelztemperatur (200-300°C)  Beispiele: Polypropylen  eingetrübt  Kristallisationgrade zwischen 20 und 80 %  Um hohen Kristallisationsgrad zu erreichen:  langsame Abkühlgeschwindigkeit  Zugabe von Nukleierungsmittlen  höchste Umwandlungsrate = Kristallisationstemperatut 6  typisches p-v-T-Diagramm für teilkristalline Thermoplaste:  Stufen der Kristallisation:  Keimbildung  Kristallwachstum (primäre Kristallisation)  Nachkristallisation (sekundäre Kristallisation, Perfektionierung)  Sphärolith:  wächst um Kristallkeim und besteht auch kristallinen und amorphen Bereichen  Wächst solange kugelförmig in die amorphe Umgebung, bis er mit anderen Sphärolithen zusammentrifft. Damit ist die primäre Kristallisation abgeschlossen!  Nukleierung (bei Keimbildung):  Wünschenswert: feines Gefüge bei hohem Kristallisationsgrad  Zugabe von Nukleierungsmittel um die Anzahl heterogener Keime zu erhöhen.  früher einsetzende und raschere Kristallisation  Auch bei langsamer Abkühlung feinkörniges Gefüge mit enger Größenverteilung der Sphärolite. Kristallisationsgeschwindigkeit + Elastizitätsmodul + Kristallisationsgrad + Reißdehnung - Kristallisationstemperatur + Eigenspannung - Keimdichte + Schwindung - Nachkristallisation - Verzug - Sphärolitdurchmesser - Transparenz + Breite der Durchmesserverteilung - Lichabsotptionskoeffizien - Schlagzähigkeit + Wasserdampfdurchlässigkeit - Steifigkeit + Flüssigkeitsdiffusion - Streckspannung + Dichte + Vickershärte + 7  amorphe Thermoplaste:  Verarbeitung: ca. 10°C über der Glasumwandlungstemperatur (200-300°C)  alle ursprünglich glasklar! Keine Kristallisation, sondern Schmelze friert im ungeordneten Zustand bis ein glasartiger Zustand erreicht wird!  typische p-v-T-Diagramm:  Polyvinylchlorid (PVC):  Dipolcharakter  Mischzyklus der PVC-Aufbereitung: 10  Polyaddition (chemische Stufenreaktion)  keine Nebenprodukte  Polyaddukte:  Polyurethane  Epoxidharz (EP)  Polykondensation (chemische Gleichgewichtsreaktion, Stufenreaktion)  Es entstehen Nebenprodukte!  Monomere müssen min. zwei funktionelle Gruppen bestzen (z.B. –OH, -COOH, -CO,...)  Polykondensate:  Polyamide  Polycarbonate  Molekülmasse (früher Molekulargewischt):  Je höher der Polymerisationsgrad, umso größer ist die Anzahl der Monomereinheiten und umso größer ist die Molekülmasse.  Polymeren kann keine genaue Molekülmasse zugeordnet werden, das die Länge der gebildeten Ketten lediglich von statistischen Ereignissen bestimmt wird.  steigende Molekulargewichte:  chemische Beständigkeit ↑  Festigkeit ↑  Fließfähigkeit ↓  Schmelzviskosität ↑  Kristallisationsgeschwindigkeit ↓ 1.2.2. Recycling  Drei Verfahren um Kunststoffe wieder in ihre Grundsubstanzenn zu zerlegen:  Hydrolyse  Alkoholyse  Pyrolyse  Verbrennung – Energierecycling  Abbaubare Kunststoffe  biologisch, chemisch oder photochemisch abbaubar Kunststoffe 1.3. Stoffeigenschaften  mechanisch  wesentlich durch die Einsatztemperatur bestimmt  rheologisch  optisch  elektrisch 11  thermisch  Dichte  Temperaturleitfähigkeit  Wärmeleitfähigkeit  Wärmeausdehnung  Kein linearer Zusammenhang zwischen aufgebrachter Last und sich einstellender Verformung. 1.3.1. Kurzzeitbeanspruchung:  Kurzzeitzugversuch:  Materialkennwerte:  E-Modul  Sekantenmodul (Verhältnis aus aktueller Spannung und Dehnung)  Tangentenmodul (Steigung bei aktueller Spannung/Dehnung)  Ursprungsmodul (Steigung bei verschwindend kleiner Dehnung)  Zugfestigkeit  Bruchdehnung  Dehngeschwindigkeit: Bei zunehmender Dehngeschwindigkeit verhalten sich Werkstoffe steifer, der E-Modul steigt.  Klassifizierung in spröde, zäh-harte und kautschukähnliche Werkstoffe möglich.  Druckversuch  Entlastung/Belastung:  Viskoelastizität: Mechanische Prüfverfahren langzeit Relaxation Retardation (Kriechen) kurzzeit Kurzzeitzugversuch Biegeversuch Druckversuch stoßartig Schlagbiegeversucht Schlagzugversuch Durchstoßversuch dynamisch Dauerschwingversuch Torsionsschwingversuch 12  Kunststoffprobe wird mit zeitlich konstanter Kraft belastet und nach bestimmter Zeit wieder entlastet.  elastischer Teil: wird spontan gedehnt und stellt sich nach Entlastung spontan zurück.  viskoelastisch: Dehnung nimmt zeitabhängig zu und später wieder ab.  viskoser Teil: Verformungsrest  Beschreibung durch Burger-Modell (Feder-Dämpfer-Modell) Verformungsanteil Phasenwinkel elastisch zeitunabhängig reversibel viskoelastisch zeitabhängig reversibel 45° plastisch zeitabhängig irreversibel 90° 1.3.2. Langzeit Werkstoffprüfung:  Retardationsversuch (Kriechversuch/Zeitstandversuch)  Dehnung zeitabhängig (Zunahme) – Spannung konstant!  Ergebnisse werden als Zeitdehnlinien (Kriechkurven) in einem Diagramm (Zeitstandschaubild) aufgetragen.  Fließen: Entstehung und Wachstum von Mikrorissen  Fließkurven:  Viskosität: Maß für inneren Fließwiderstand in einer gescherten Flüssigkeit  Fließverhalten: 15  Relaxationsversuch  Dehnung konstant – Spannung zeitabhängig (Abnahme)  Relaxation: Absinken der Spannung bei konstanter Dehnung über der Zeit  Modelle: Maxwell, Voigt-Kelvin 1.3.3. Kerbschlagbiegeversuch:  Stoßartig – Charakterisierung des stoßartigen Verhaltens  quantitativer Wert: Kritische Energie (Arbeitsaufnahme, (Kerb-)schlagzähigkeit, Schlagarbeit, Bruchenergie)  Schlagenergie-Anteile:  Biegeenergie des Probekörpers  Rissbildungsenergie am Probekörper  Durchreißenergie des Probekörpers  Fortschleuderenergie des gebrochenen Probekörpers  Reibungsverlust des Pendels  ausgeprägte Abhängigkeit von der Belastungsgeschwindigkeit und der Temperatur T: 16 1.3.4. Torsionsschwingversuch:  Dynamischer Versuch  Kennwerte aus der Abklingkurve der Torsionsschwingung:  Schubmodul: Verhalten in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur  Dämpfung/mechanischer Verlustfaktor d  Torsionspendel: 17 1.3.5. Feder-Dämpfer-Modelle: Ersatzmodelle aus Feder- & Dämpferelementen zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens!  Voigt-Kelvin-Modell:  Relaxationsversuch – bei nicht fließendem Material, da hier alle Verformungen reversibel sind.  Maxwell-Modell:  Kein viskoelastischer Verformungsanteil  Relaxationsversuch – bei fließendem Werkstoff mit irreversiblem Anteil  Burger (4-Parameter-Modell):  Kombination aus Maxwell- und Voigt-Kelvin-Modell 1.4. 20  Herstellen von Polymerblends  Mischen  Füllen  Entgasen  reakt. Aufbereiten  Thermoplaste:  gleichläufiger Doppelschneckenextruder:  kann gut an unterschiedlichste Verfahrensaufgaben angepasst werden, durch modularen Aufbau von Schnecke und Zylinder  gute Mischwirkung  Element für große Scherkräfte: Knetelement  Elastomere (Kautschukaufbereitung):  Oft muss das sehr hohe Molekulargewicht abgebaut und vereinheitlicht werden (Mastikation)!  Maschinen:  Transfermix Extruder (kontinuierliche Arbeitsweise)  Innenmischer (diskontinuierliche Arbeitsweise)  Fertigmischen: Walzwerk oder Einschneckenextruder  Typische Bestandteile einer Gummimischung:  Polymer/Elastomer (Kautschuk)  Vulkanisationsmittel (Vernetzungsmittel)  Füllstoffe  Weichmacher  sonstige Chemikalien 1.6.1. Zusatzstoffe:  Unterscheidung zwischen:  Verarbeitungshilfsstoffe/verarbeitungsfördernde Stoffe  Eigenschaftsändernde Zusatzstoffe  Weichmacher:  Setzen Nebenvalenzkräfte zwischen Polymermolekülketten herab!  Einsatzkonzentration hat Einfluss auf mechanische und thermische Eigenschaften.  Es gibt innere und äußere Weichmacher!  Arten:  niedermolekulare Weichmacher  Migrationsneigung: diffundieren mit der Zeit aus dem PVC heraus und der Kunststoff versprödet.  Polymere Weichmacher  längere Gebrauchsdauer 21  höherer Anteil:  Einfriertemperatur ↓  Zugfestigkeit ↓  Reißdehnung ↑  Stabilisatoren:  z.B. Bleiverbindungen, Metallseifen  Wärmestabiliät  UV-Stabilität  reduzieren den Molekularabbau!  Synergieeffekte: Ein System aus (mehreren) Stabilisatoren hat einen größeren Einfluss, als die Summe der einzelnen Einflüsse jedes Stabilisators erwarten lassen würde.  bei Polyvinylchlorid (PVC):  Materialabbau während und nach der Verarbeitung minimieren  Zerstörung der Makromoleküle des Polyvinylchlorids weitestgehend verhindert.  Aufgaben:  Salzsäure (HCl) absorbieren  Oxidation verhindern  Labile Substituenten stützen (tertiäres Chloratom)  Bildung von Doppelbindungen (Dunkelfärbung) verhinden  Antistatika (elektrischer Oberflächenwiderstand)  Fasern (E-Modul, Festigkeit)  Gleitmittel (Erniedrigung der Reibung)  Farbmittel (Farbe)  Füllstoffe z.B. Kreide (Preis)  Flammschutzmittel (Brennbarkeit)  Ruß:  Beeinflusstbare physikalische Eigenschaften durch Zugabe von Ruß:  UV-Beständigkeit (Stabilität)  elektrische Leitfähigkeit (Mechanik, E-Modul, Festigkeit, Schwindung)  Wärmeleitfähigkeit (Wärmebeständigkeit) 1.7. Verarbeitung 1.7.1. Extrusion:  Einschneckenextruder: 22  Bereiche des Extruders:  Einzugsbereich Feststoff  Aufschmelzbereich (Plastifizierbereich) Feststoff/Schmelze  Schmelzbereich (Meteringzone) Schmelze  kontinuierlicher Prozess  Hauptaufgabe:  Material aufschmelzen  Druck aufbauen (zum passieren des Werkzeugs)  Schmelze homogenisieren  Füll- & Farbstoffe einarbeiten  Konstanten Mateialstrom gleicher Qualität gewährleisten (thermisch, zeitlich & stofflich)  Beanspruchung des Materials:  mechanische Belastung  thermische Belastung  Resultierende Werkstoffveränderung: Molekulargewichtsabbau  Auswirkung auf das Endprodukt: Verschlechterte mechanische Eigenschaften  hergestellte Halbzeuge: Platten, Tafeln, Folien, Profile, Rohre 1.7.2. Spritzgießverfahren  Massenfertigung  diskontinuierlich 25 1.7.3. Eigenspannungen:  wirken im Inneren, ohne dass eine äußere Beanspruchung anliegt.  Entstehen beim Abkühlvorgang, wobei das Bauteil von außen nach innen erstarrt. Dabei behindern die äußeren bereits erstarrten Randschichten die inneren in ihrere Längenänderung.  müssen sich gegenseitig kompensieren – makroskopisch steht das Formteil nicht unter Spannung, daher ergibt sich folgendes Profil:  Wirken sich positiv auf die Biegefestigkeit aus, da Zugbeanspruchung in den Randschichten durch die Druckeigenspannungen kompensiert werden.  Asymmetrische Eigenspannungsprofile führen zum Bauteilverzug.  Nachweis:  über Krümmungsradius  mit polarisiertem Licht  Spannungsrisskorrosion  Röntgenographische Messung 1.7.4. Orientierungen:  Entstehen durch Strömungskräfte/Geschwindigkeitsunterschiede während der Formgebung.  Können mithilfe von polarisiertem Licht sichtbar gemacht werden (doppelbrechend).  Verursachen anisotrope (richtungsabhängige) Produkteigenschaften, sodass mechanische Eigenschaften in Orientierungsrichtung besser und in Querrichtung schlechter werden!  Arten:  Faserorientierungen (können nicht relaxieren – sich nicht in Grenzen zurückstellen)  Molekülorientierungen (können relaxieren – Moleküle streben ungeordneten Zustand an)  Kristallorientierungen Eigenschaft Änderung mechanische Eigenschaften quer zur Orientierung ↓ - E-Modul in Orientierungsrichtung ↑ + Wärmeleitfähigkeit in Orientierungsrichtung ↑ + 26 1.7.5. Gezielte Nutzung von Orientierungen  Flachreckverfahren (monoaxial, biaxial) - Makromoleküle werden in Reckrichtung orientiert!  Blasfolienverstrecken  Streckblasen (Flaschen)  Teilschritte:  Spritzgießen  Konditionieren  Umformen  Entformen  Thermoformen  Verfahrensschritte:  Erwärmen  Umformen  Abkühlen 1.8. Dimensionierung Anders als bei der Dimensionierung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen, die gegen Überscheiten einer zulässigen Spannung ausgelegt werden, werden Kunststoffbauteile üblicherweise gegen das Überschreiten einer kritischen Dehnung dimensioniert. Werkstoffgruppe Kritische Dehnung Amorphe Thermoplaste 0,7 – 0,9 % Teilkristalline Thermoplaste 1,5 – 2,5 % Fasergefüllte Duroplaste 0,2 %, 0,4 – 0,6 % Besonderheiten im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen:  Lastabhängigkeit der mechanischen Kennwerte  Zeitabhängigkeit der mechanischen Kennwerte  Temperaturabhängigkeit der mechanischen Kennwerte  deutlich kleinerer Elastizitätsmodul ( 1.000 – 10.000 N/mm²) 27  Auslegungsmethoden: i. Fenite-Elemente-Methode (FEM):  Vorteile:  Keine Einschränkungen bezüglich des Lastangriff  Punkt-, Flächen- & Volumenkräfte, sowie zeitliche Veränderung des Lastangriffs  Beliebig komplexe Geometrien möglich!  geometrische & materialspezifische Nichtlinearitäten als auch Nichtlinearitäten aufrund wechselnder Randbedingungen können betrachtet werden.  Materialmodelle:  linear elastische Modelle  bilineare Modelle  hyperelastische Materialmodelle  viskoelastische Materialmodelle ii. analytische Dimensionierungsverfahren  Kunststofftechnische Konstruktionselemente:  Schnappverbindung (kostengünstige Verbindungsart)  Schnapphaken  zylindrische Schnappverbindungen  Schnappverbindungen mit kugeligen Überdeckungsflächen  Streckgrenze:  Deim kurzzeitigen Einschnappen dürfen teilkristalline Stoffe bis nahe an die Streckgrenze belastet werden, amorphe bis auf etwas 70% der Streckdehnung. 1.9. Faserverbundkunststoffe (FVK)  Verbund aus Polymermatrix und Verstärkungsfasern.  Werkstoffe der Fasern bilden kristalline oder kristallähnliche Strukturen (fest, steif, temperatur- und chemikalienbeständig)  Als alleiniger Konstruktionswerkstoff sind die Fasern zu spröde!  Vorteile gegenüber Metallen:  geringe Dichte  in weiten Teilen einstellbare Steifigkeit, Dämpfung und Wärmedehnung 30  qualitative Darstellung der Spannungs/Dehnungskurve von UD-ES mit begrenzenden Belastungsfällen senkrecht und parallel zur Faserrichtung:  quasi-isotrop: sehr viele Faserrichtungen und nahezu gleiche mechanische Eigenschaften in jede Richtung der Laminatebene  CFK-Bauteile können mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von null realisiert werden.  Die negative Wärmeausdehnunge der Kohlenstofffasern und positive Dehnung der polymeren Matrix heben sich auf. 31 2. Keramik 2.1. Historisches 2.1.1. traditionelle Silikatkeramik  natürliche Rohstoffe (Ton, Quarzsand, Feldspat)  Gefüge: heterogen, porös, Korngröße wenig relevant  Qualität: schwankend Märkte und Margen:  Bau- & Grobkeramik: Mauerziegel, Dachziegel  große Stückzahlen >50 Mio. Dachziegel/Jahr & Werk  billige Rohstoffe 1000kg = 10-2 €  geringe Erlöse 1,2 €/Dachziegel  hohe Energiekosten  hohe Personalkosten  Geschirr, Sanitärartikel:  Rohstoffe: 1000kg = 100-2 €  kleine Stückzahlen 1-10.000 Stück/Jahr und Werk  hohe Erlöse 5-1 €/Teller  konstante Qualität durch Nachbearbeitung  Strategien für den Standort Deutschland:  Erhöhung des Automatisierungsgrades  kontinuierliche Produktion  Erhöhung der Zuverlässigkeit der Produktion 2.1.2. feuerfeste Werkstoffe  natürliche und synthetische Werkstoffe  Gefüge: heterogen, 15-17 vol-% Porösität, sehr grobkörnig  Qualität: mittel, hohe Reinheiten, grobkörnig (1 1 )  besondere Eigenschaften (Hochtemperaturbeständigkeit)  Märkte:  Energietechnik (Gasturbine, Verkokung)  Glaserzeugung  Feuerbeton  Matallurgie (Eisen und Stahl)  Industrieofenbau  Müllverbrennung 32  Margen:  mittlere Rohstoffe 1000kg = 20-1 €  mittlere Stückzahl >100.000 Steine/Jahr & Werk  mittlere Erlöse 1000-2 €/t  geringe Personalkosten durch hohe Automatisierung  gleichbleibend hohe Qualität  hohe Automatisierung 2.1.3. Hochleistungskeramik  Rohstoffe:  synthetische Werktstoffe (reine und komplexe Oxide, Nichtoxide)  verfeinerte, gereinigte natürliche Rohstoffe  Pulver: definierte Korngröge und Kornform, große Homogenität  Gefüge: extrem homogen, Porosität und Korngröße anwendungsbezogen  Qualität: extreme Reinheiten, Strukturkeramik extrem feinkörnig (1 )  hohe Wertschöpfung, außer bei konventioneller Elektronik (sehr hohe Stückzahlen)  speziell entwickelt und optimiert  Technische Keramik (weitgehend durch Kunststoffe ersetzt):  Elektrokeramik: Porzellan  Chemokeramik: Steinzeug (Abwasserwirtschaft)  Abwasserwirtschaft: Steinzeug  Hochleistungskeramik:  Funktionskeramik (Biokeramik) → Resistenz!  Strukturkeramik → mechanische Eigenschaften! Werkstoffklasse, die für spezifische technische Anwendunggebiete speziell entwickelt und optimiert wird! (Brennstoffzelle, Ventile für Chemipumpen, Lambda-Sonde)  Märkte & Margen:  mechanische Anwendungen:  sehr teure Rohstoffe 1kg = 5-1000€  kleine Stückzahlen 10.000 Stück/Jahr & Werk  mittlere Erlöse 100€/Teil  extrem hohe Qualitätsanforderungen 35  Sehr starke Bindungen (ionische, kovalente und untergeordnet auchmetallische Bindungsanteile):  hoher Schmelzpunkt,  chemische Beständigkeit,  hoher E-Modul (Steifigkeit)!  hohe Härte  fehlende Verformbarkeit bis zum Bruch (Sprödigkeit)  weites Sprektrum der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit 2.3. Formgebung  Prozesskette:  Pulveraufbereitung (Zerkleinerung, Homogenisierung)  Formgebung  Sintern (Brand) 25% der Kosten  Nachbearbeitung 50% der Kosten Kein Recycling! Irreversibel! 2.3.1. Pulveraufbereitung Trockenaufbereitung:  Walzenschüsselmühle  Gegenstommühle „Jet-Mühle“ Nassaufbereitung von Suspensionen:  Trommelmühle  Rührwerkskugelmühle (Attritor) 36 Zerkleinerung:  durch Abrasion  durch Spaltung Bewirkt Erhöhung der Oberfläche!  Grünling: ungesinterter (unverfestigter) Pulverformkörper  Pulver:  nanokristallin:  Beginnt bereits bei Raumtemperatur spontan Sinterhälse auszubilden  schädlich für die Formgebung, da man diese Teilcheketten knacken muss  feinkörnig  höherer Dampfdruck als grobkörnige  freie Weglänge für Oberflächendiffusion gering  Materialtransportmechanismen wirksamer!  grobkörnig 2.3.2. Formgebung  Nassformgebung über Pulversuspensionen < 25% Flüssigkeit  Schlickerguss (Impeller, kermische Ventile) 37  Vorteile  hohe Stückzahlen  mittlere Präzision  wenig Nachbearbeitung  geringe Werkzeugentwicklungskosten  Nachteile:  Formen verschleißen schnell  eigene Formbauwerkstatt erforderlich  schleche Oberflächengüte  langwieriger Rücktrocknungsprozess (bis 3 Tage)  sensible Prozesswasserführung  Folienguss (Brennstoffzellen, Leiterbahnen)  Vorteile:  kontinuierlische vollautomatische Produktion  hohe Präzision  Nachteile:  Folien verziehen sich beim Trocknen und Sintern  Grün-Folien altern  sensiblie Prozesswasserführung  Feuchtformgebung < 5-25% Flüssigkeit  Strangpressen  Vorteile:  kontinuierliche Produktion  fast vollständig automatisierbar  Nachteile:  Mundstücke und Schnecken verschleißen schnelle  mittlere Oberflächengüte  mittlere Präzision  Nachbearbeitung erforderlich  Verzug beim Trocknen und Brennen  nur recht einfach Geometrien 40  Sintern: Summe aller physikalisch-chemischen Vorgänge die im Formkörper ablaufen  Wärmebehandlung unterhalb des Schmelzpunktes  Verringerung des Porenvolumens (Schwindung)  Verfestigung des Körpers durch Sinterhalsbildung und Ausbildung von Korngrenzen  Beschleunigung durch Druck: Nützlich beim Materialtransport und der Verdichtung!  Was wird gesintert?  Materialien mit hohem Schmelzpunkt  Kombinationen von Materialien mit stark unterschiedlichem Schmelzpunkt  Stoffe die scih in der Schmelze entmischen  wenn poröse Bauteile erwünscht sind  wenn bei Schmelztemperatur chemische Reaktionen auftreten  reinste Stoffe 41 2.4.1. Materialtransportmechanismen: in ihrem Einfluss auf das Gefüge aufgelistet mit zunehmender Temperatur Wärme wird nur benötigt, um den Materialtransport zu aktivieren!  Hohe Temperaturen notwendig, damit die Materialtransportmechanismen in Gang kommen, muss Schwingungsenergie aufgebracht werden (Aktivierungsenergie: Lösen der chemischen Bindungen), damit die Atome/Ionen ihre augenblickliche Position verlassen können.  Verdampfung und Kondensation  schädlich  Verlust an Triebkraft ohne Schwindung  Bildung von Teilchenketten  Öffnung neuen Porenraumes (gut, wenn man poröse Sinterkörper braucht)  keine Verdichtung – Teilchenverschlankung und Kettenbildung  erste Verfestigung durch Sinterhalsbildung  Oberflächendiffusion  (Oberflächen-)Spannungsdifferenzen als Triebkraft  Korngrenzendiffusion  (Grenzflächen-)Spannungsdifferenzen als Triebkraft  Korngrenzen wandern immer in Richtung ihrer Krümmungsradien  Volumendiffusion  effektivster Mechanismus des Materialtransportes in Festkörpern  bei Temperaturen in der Mitte des 2. Sinterstadiums  Regeln:  Ionen diffundieren besonders schnell in Glas  Kationen und Anionen diffundieren in einem Kristall unterschiedlich schnell (Ausname: Sauerstoff-Ionenleiter)  Die Schwindungsrate skaliert mit 1 2 , d.h. eine kleine Korngröße trägt sehr stark zur Schwindung bei! 42 2.4.2. Triebkräfte  chemische Energie  Erniedrigung des chemischen Potenzials durch:  chemische Reaktionen,  Oxidation,  Korrosion,  etc.  elastische Energie Mahlen, Heißpressen (Druck aufbringen)  Erniedrigung des elastischen Potentials durch:  Ausheilen von Gitterdefekten,  Spannungen und Dehnungen  Oberflächenenergie A (Wichtigste Triebkraft!!) Mahlen, feine Pulver synthetisieren  Erniedrigung der Gesamtoberfläche durch Korn-/Porenwachstum  Grenzflächenenergie (Sinteradditive)  Verringerung der Grenzflächen durch Kornwachstum  Hauptphänomene des Sinterns  Kornwachstum  Porenschwund  Porenwachstum  Teilchenumorientierung 45  Porenschwund:  Poren:  nach innen gerichtete Zugspannungen  streben Kugelform an, wegen der Erniedrigung der Oberfläche relativ zum Volumen  maximale Größe  Porösität:  Insgesamt ist das Ziel des Sinterns die Verringerung der Gesamtporösität!  geschlossene Porösität: Porenraum hat keine Verbindung zur Außenwelt  offene Porösität: Porenraum der mit Gasen durchströmbar oder mit Flüssigkeiten infiltrierbar ist  Verändernug der Porosität mit höheren Temperaturen: 2.4.5. 3. Sinterstadium: Endstadium (keine weitere Temperaturerhöhung)  Restschwindung (Porenschluss, Kornwachstum, evtl. Porenwachstum)  Volumendiffusion:  Langsamster Prozess! Benötigt die meiste Aktivierungsenergie!  Ionen diffundieren besonders schnell in Glas  Kationen und Anionen diffundieren unterschiedliche schnell  Sauerstoff diffundiert meist am langsamsten (Ausnahme: Sauerstoff-Ionenleiter) 46  Kornwachstum:  Alle Punktkontakte der (im idealfall kugeligen) Pulverkörner wachsen zu Korngrenzen mit Sinterhälsen aus, die Sinterhälse werden durch Porenschwund zu Porenkanälen und schließlich zu geschlossener Porösität an Tripelpunkten. Bei einer idealen dichtesten Kugelpackung gleichgroßer Kugeln, besitzt jede Kugel 12 nächste Nachbarn. Wenn jeder Kontaktpunkt zu einem Sinterhals und später zu einer Korngrenze auswächst, müsste aus der zentralen Kugel ein reguläres Polyeder mit 12 Flächen entstehen. Aus Gründen der Symmetrie und mit dem Ziel einer optimalen Raumerfüllung ist die allerdings nicht möglich. Es entsteht ein Kompromiss-Körper, der sogenannte Kubokataeder, eine Kombination aus Würfel (6 Flächen) und Oktaeder (8 Flächen), also ein 14Flächner. Diese Form lässt sich dreidimensional lückenlos stapeln!  6 Würfelflächen + 8 Oktaederflächen = 14 Flächen = Tetrakaidekaeder  Problem:  nicht alle Teilchen Kugelförmig  nicht alle Teilchen gleich groß  Koordianationszahl nicht immer gleich 12  Folge:  irreguläre Kuboktaeder  gekrümmte Korngrenzen  elastische Spannungen bei gekrümmten Korngrenzen führen zu Korngrenzenwachstum und Kornwachstum! 47  nützlich für Verdichtungsprozess:  wandernde Korngrenzen können auch Poren treffen und Ausheilung durch Grenzflächendiffusion (kinetisch leichter als Volumendiffusion)  schädlich für mechanische Eigenschaften  wegen 1/ (Griffith-Gleichung) – wenn sonst keine Defekte da sind, ist die Korngröße der Defekt!  mehrphasige Sintersysteme wirken Kornwachstumshemmend  Körner einer Zweitphase stehen der Korngrenzenwanderung der Matrixphase im Wege  Korngrenzen müssen umgangen oder geschnitten werden  Porenschluss:  Poren senden Leerstellen aus – Leerstellenquellen  Korngrenznen vernichten Leerstellen – Leerstellensenken 50 Niedrige Grünkörperdichte bei Schlickerguss!  metallurgischer Prozess:  Formgebung bei hoher Temperatur über die Schmelze, danach Verformung bei Raumtemperatur: 51  Qualitätsicherung beim Rohstoff (Korngröße etc.), nach dem Sintern (Risse, Verzug) und nach der Hartbearbeitung sinnvoll.  Wertschöpfung steigt am Ende steil an, da die vorhergehenden Prozessschritte nicht zu sinnvoll veräußerbaren Zwischenprodukten führen.  Warum kein Guss?  Sprödigkeit  keine plastische Verformbarkeit  Rohstoffe:  Natürliche Rohstoffe:  Reinheit abhängig von Lagerstätte  Korngröße muss durch mechanische Zerkleinerung eingestellt werden  Zerkleinerung:  höhere spez. Oberfläche  bessere Dispersion  bessere Homogenisierung  Synthetische Rohstoffe:  chemische Fällungsprodukte definierter Reinheit  Preis steigt exponentiell mit Reinheit  Korngröße „von unten her“ einstellbar  nanoskalige Pulver ohne Zerkleinerung herstellbar  für feinkörnige und homogene Gefüge:  feine Pulver  enge Korngrößenverteilung  homogene Packungsdichte  für inhomogene Gefüge mit Grobkorn- und Feinkornanteil:  Pulver mit verschiedenen Maxima der Korngrößenverteilung (bimodale/trimodale Verteilungen)  Grobkorn mit Feinkorn mischen  Aufmaß wegen Schwindung beim:  trocknen (1-3%) bzw. Entbindern (15-17% Spritzguss, 1-2% Pressen)  Sinterprozess (12-15%)  Hartbearbeitung (je nach Oberflächengüte)  Abbruch nach Ende des Anfangsstadiums:  Weitere Verdichtung nach -Gesetz bei den verfügbaren Aktivierungsenergien  keine Grenzflächen- oder Volumendiffusion  offene Restporosität  besser weiter heizen 52  Bei Abbruch der Temperaturerhöhung in der Mitte des Schwindungsstadiums:  Weitere Verdichtung nach -Gesetz bei den verfügbaren Aktivierungsenergien  keine weitere Beschleunigung der Verdichtung  Enddichte bleibt geringer  geschlossene Restporosität  Filterwerkstoffe mit großen Oberflächen:  Abbruch am Ende des 1. Stadium  Nutzung der Verdampfung/Kondensation und Oberflächendiffusion zur Ausbildung definierter offener Porösität  Leichter wasserdichter Sinterkörper:  Abbruch am Ende des 2. Sinterstadiums  Nutzung des Porenschlusses zur Ausbildung definierter geschlossener Porösität  Schnelles Aufheizen zur Grenzflächendiffusion:  Schnellere und effizientere Verdichtung  Triebkräfte werden nicht für Verdampfung und Oberflächendiffusion verschwendet  homogenere Gefüge  kleine Poren  höhere Enddichten  geringere erforderliche Maximaltemperaturen  Korngrenzen:  strukturell undefiniert  hohe Verunreinigung  bilden Art Glasphase, welche überhalb der Glastransformationstemperatur (bei Oxiden ca. 800°C) zu erweichen beginnt → viskose Verformung  für Hochtemperaturanwendungen nur reine Rohstoffe  weniger resistent gegen Korrosion (als Körner)  Keramiken werden entlang der Korngrenzen chemisch gespalten  grobkörnige feuerfeste Keramiken besser als feinkörnige (mehr Korngrenzen)  Gibbs-Thomson-Gleichung:  Es existiert eine Triebkraft um Unebenheiten auszugleichen.  Eine Ergebung besitzt einen größeren Dampfdruck als eine ebene Fläche, diese wiederum einen höheren als eine Vertiefung (Kavität).  Konvexe Oberflächen: Körner (im Idealfall kugelig)  Druckspannung in Richtung Mittelpunkt  Konkave Oberflächen: Sinterhälse (Kavitäten, Poren)  Zugspannungen 55  Energiebilanz beim Risswachstum:  Linear-elastische Bruchmechanik:  scharfe Kerben – Rissspitzenradius → unendlich hohe Spannungen Spannungssingulatität:  In das umliegende Gefüge klingt diese Spannung mit ab.  Spannungsintensitätsfaktor  Griffith-Gleichung/Irwin Beziehung:  Festigkeit (Bruchspannung)  Bruchwiderstand (kritischer Spannungsintensitätsfaktor)  Defektgröße (Riss, Kerbe, Pore, ...)  Geometriefaktor  Riss läuft Katastrophal, wenn:  Für Druckspannungen gilt: Druckfestigkeit = 15 * Zugfestigkeit 56  Um Festigkeit zu erhöhen:  Bruchzähigkeite erhöhen  Defektgrößen verringern  feine Pulver  homogene Dispersion  sorgfältige Aufbereitung  Abrieb und Kontamination vermeiden  Reinraumtechnik  intelligente Sinterparameter wählen  Kontrolle der Prozessschritte  Modi der Rissöffnung:  kurze Risse können sich wieder schließen (geometrisch, nicht bindungsmäßig)  lange Risse führen zum katastrophalen Bauteilversagen  Je schärfer die Spitze eines senkrecht zu Zugspannung liegenden Defektes ist, um so höher konzentrieren sich die Zugpannungen auf.  Oberflächenkonturen:  Für Übergänge große Radien vorsehen  Kerbwirkung vermeiden  Schleifriefen, Politur:  Schleifriefen parallel zur Zugspannung, sonst Kerbwirkung!  Politur kann Festigkeit um den Faktor 10 erhöhren, da Oberflächenrauheit als in die Griffith Gleichung eingeht (keine weiteren Gefügedefekte)!  Härteprüfung:  Herstellung eines Eindrucks (= Defekt)  Rissbildung  Bei Makrohärte-Tests (hohe Auflast) keine weitere Verwendung des Bauteils  Mikrohärtetests kann man durchgehen lassen (falls Eindruck kleiner als sonstige Defekte) 57  Gefügedefekte:  Spannungserhöhung an der Rissspitze: 2.5.2. Weibull-Statistik  Den Bruchauslösenden Defekt erkennt man immer erst nach dem Versagen.  Die größe a ist also eine statistische Größe, die bei Lasteinleitung mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit kritisch wird.  Weibull-Statistik um bei Serienprüfungen eine Aussage über die Zuverlässigkeit spröder Werkstoffe abzuleiten.  Prinzip des schwächsten Gliedes  Bruchwahrscheinlichkeit [%]  effektives, unter Spannung stehendes Volumen Bauteilvolumen  charakteristisches Volumen [Normierungsgröße, meist 1mm³]  Bruchspannung  charakteristische Festigkeit (Versagenspannung bei der die Ausfallwahrscheinlichkeit bei 63,2% liegt)  Weibullmodul 60  Identifizieren von Fehlerpopulationen mit unterschiedlichem Beitrag zur Bruchwahrscheinlichkeit:  Wie sieht ein Weibull-Diagramm aus...  Überlegung: Welches sind die größten Defekte?  Was ist über deren Häufigkeit ausgesagt?  Welche anderen Defekte spielen sonst eine Rolle?  Zeichnen des Weibull Diagramms!  große Defekte (Agglomerate) = niedrige Festigkeiten (  kleine oren ho here Festigkeiten  Defekte immer da = hohe Bruchwahrscheinlichkeit (m hoch)  zweite Fehlerpopulation? 61  Weibull-Diagramm für eine Bauteilserie nach dem Proof-Test:  Ein Teil der Proben wird zerstört (Bruchspannung < Lastspannung)  Überlebender Teil bildes Gesamtprüfmenge  für kleine Defekte ändert sich nichts  für große Defekte sinkt die Wahrscheinlichkeit der Existenz  Kurve schmiegt sich der Prüfspannung an!  Volumeneffekte:  Weibull-Statistik erlaubt Extrapolation auf das Verhalten von Bauteilen anderer Volumina.  Größere Bauteile haben geringere Festigkeiten, als kleine!  1 2 2 1 1/  Extrapolation von wenigen Messwerten auf eine Serienfertigung risikobehaftet!  Zerstörungsfreie Prüfung:  Feinfokus-Röntgenstrahlung  Ultraschallmikroskopie  Beherrschungder Gefügefehler:  Verwendung hochreiner Pulver (99,9...%)  Verwendung extrem feiner Puver ( 1  Sorgfältige Aufbereitung  Sorgfätlige Formgebung  Kontrolle des Sinterprozesses:  Vermeidung von Kornwachstum  geringe Restporosität  Vermeidung von Porenwachstum  Sorgfältige Endbearbeitung 62 2.6. Gefügeverstärkung  Verstärkungsmechanismen: Bruchenergie eines Werkstoffes durch entsprechende Gefügeoptimierung erhöhen!  Strategien:  Bruchfläche erhöhen  Riss ablenken  Riss stoppen  Rissflanken zusammenhalten  Zugspannungen abbauen  Druckspannungen aufbauen  Viele Bruchenergie verbrauchenden (dissipierenden) Strategien lassen sich durch mehrphasige Gefüge realisieren!  zweite keramische oder metallsiche Phase tritt mit Riss in Wechselwirkung  „Dispersionskeramiken“ teilchen- oder faserverstärkte Keramiken)  Verbundwerkstoffe