Erhard Hornbogen

Legierungs- und Werkstoffherstellung im festen Zustand, Pulvermetallurgie

Bisher haben wir nur solche metallischen Werkstoffe beschrieben, die zunachst erschmolzen und aus der Schmelze erstarrt sind und dann mechanisch und thermisch behandelt werden. In manchen Fallen sind dagegen Herstellungsverfahren erforderlich oder gunstiger, bei denen der flussige Zustand umgangen wird. Werkstoffe dieser Art machen zwar nur einen sehr geringen Gewichtsanteil (etwa 0,1%) der Metallerzeugung aus, werden aber in der Technik und in Gebrauchsgegenstanden auserst verbreitet und vielseitig eingesetzt.

Werkstoffe im Vergleich und Verbund

Metallische Werkstoffe, die uber ihr gesamtes Volumen einheitliche Mikrostruktur und Eigenschaften besitzen, werden als „monolithisch“ bezeichnet. Davon sind Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde zu unterscheiden. Beide haben gemeinsam, das zwei oder mehrere Bestandteile z.B. durch Sintern (Kap. 13), Tranken (Kap. 12) oder Koevaporieren (Kap. 2) zusammengefugt werden. Diese Bestandteile stehen meist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht (Kap. 4). Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix, in die viele Teilchen, Fasern etc. unorientiert oder orientiert eingebettet werden. Zu einem Werkstoffverbund werden zwei Stoffe mit verschiedenen Eigenschaften zusammengefugt (z. B. Beschichtung, Kap. 17.5, Bimetalle, Kap. 18.2). Eine entsprechend der ortlichen Beanspruchung variable Struktur im Bauteil besitzen „masgeschneiderte” Werkstoffe. Dieses Ziel kann am besten uber den Verbund verschiedener Werkstoffe in geeigneten geometrischen Anordnungen erreicht werden. Die daraus folgenden Moglichkeiten sind durch Extreme wie den Stahlbeton und die leitenden oder halbleitenden Strukturen von in Siliziumkristallen integrierten Schaltkreisen gekennzeichnet. Fur einen Verbund kommen grundsatzlich alle Werkstoffgruppen in Frage (Abb. 1.8): n na) n nMetall, n n n n nb) n nKeramik, n n n n nc) n nHochpolymer.

Übergang in den festen Zustand

Metalle konnen wie alle Materie bei verschiedener Temperatur im thermodynamischen Gleichgewicht in vier Zustanden auftreten: Plasma, Gas, Flussigkeit und Kristall. Der metallische Werkstoff kann aus allen diesen Zustanden entstehen. Im Plasma konen sich sowohl die Atomkerne als auch die Elektronen unabhangig voneinander bewegen. Im idealen Kristall sind sie dagegen in ganz bestimmter Weise angeordnet. Der hochste Ordnungsgrad ist bei 0 K zu erwarten. Das Mas der Abweichung von der maximalen Ordnung im perfekten, kristallinen Festkorper ist die Entropie S.

Strukturen fester Phasen

In Kap. 2 wurde besprochen, wie reine Metalle aus dem flussigen und gasformigen Zustand in den festen Zustand ubergehen. Dabei konnen grundsatzlich drei Arten von festen Phasen entstehen. Die Ordnung ihrer Atompositionen nimmt in der Reihenfolge metallisches Glas → Quasikristall → Kristall zu. Die meisten metallischen Werkstoffe bestehen aus vielen kleinen Kristallen. Hier sollen die Moglichkeiten der Anordnung von Metallatomen in den Kristallen oder Kristalliten, aus denen das Gefuge aufgebaut ist, behandelt werden.

Korrosion, Verschleiß, Oberflächenbehandlung

Es gibt viele Grunde fur das Versagen von Werkstoffen. Sinnvoll erscheint eine Einteilung nach vier Ursachen: n n1. n nThermisch (Aufschmelzen) n n n n n2. n nMechanisch (Bruch, einschlieslich Ermudungsbruch) n n n n n3. n nChemisch (Korrosion und Verzunderung) n n n n n4. n nTribologisch (Reibung und Verschleis durch Wechselwirkung zweier Oberflachen).

Gitterbaufehler und Gefüge

Die Beschreibung der Metallkristalle als Anordnung von Atomen in einem idealen Raumgitter ist in Wirklichkeit nur naherungsweise richtig. Es treten Abweichungen von der regelmasigen Besetzung der Gitterpunkte der Kristallstrukturen durch Atome auf, die als Gitterbaufehler bezeichnet werden. Oberhalb 0 K ist stets eine bestimmte Zahl dieser Baufehler in Kristallen im thermodynamischen Gleichgewicht vorhanden. Dies gilt fur Leerstellen und geloste Atome. Die Energie von Versetzungen und Korngrenzen ist so hoch, das sie praktisch nicht im Gleichgewicht vorkommen konnen. Sie entstehen z. B. beim Erstarren oder durch plastische Verformung oder Bestrahlung. Heterogenitat von Legierungen (Kap. 4) bedeutet, dass Phasengrenzen auftreten mussen.

Diffusion und Ausheilreaktionen

Als thermisch aktivierte Platzwechsel betrachten wir Einzelsprunge von Atomen im Kristallgitter aufgrund thermischer Anregung. Fur solche Platzwechsel stehen Einlagerungsatomen wegen ihrer geringen Loslichkeit meistens alle benachbarten Zwischengitterplatze frei; Gitter- und Substitutionsatome benotigen dagegen fur Platzwechsel benachbarte Leerstellen, deren Konzentration erheblich geringer ist. Thermisch aktivierte Reaktionen in Substitutionsmischkristallen hangen deshalb vorwiegend von der Leerstellenkonzentration und deren Temperaturabhangigkeit ab.

Umwandlungshärtung und Stähle

Umwandlungshartung ist die Festigkeitssteigerung durch Phasenumwandlungen. Dabei kann die Festigkeit auf folgenden Eigenschaften desUmwandlungsgefuges beruhen: Mischkristallhartung (Kap. 7), Hartung durch Gitterbaufehler (Kap. 5), Aushartung (Kap. 15) und Hartung durch Uberstrukturphasen. Es ist daruber hinaus moglich, die Festigkeit durch eine Kombination von Phasenumwandlung und Verformung (thermomechanische Behandlung) weiter zu steigern. Am haufigsten und vielseitigsten wird die Umwandlungshartung bei Stahlen angewendet, die wir deshalb als Beispiel behandeln.

Umwandlungen im festen Zustand

Umwandlungen gehoren zu den wichtigsten Vorgangen in festen Metallen und Legierungen. Aus den Gleichgewichtsdiagrammen ist zu entnehmen, bei welcher Zusammensetzung, Temperatur und bei welchem Druck Phasenumwandlungen zu erwarten sind. Im allgemeinen ist eine Umwandlung mit einer Anderung der Kristallstruktur und der Konzentration (in Legierungen) verbunden. Es gibt aber auch Falle, in denen sich nur die Konzentration (koharente Entmischung) oder nur die Struktur (Umwandlung in reinen Metallen, Martensitumwandlung) andert. Phasenumwandlungen mit oder ohne Strukturanderung, die mit einer lokalen Anderung der Konzentration verbunden sind und bei denen die Kristallstruktur des groseren Volumenteils des Grundgitters (Matrix) unverandert bleibt, bezeichnet man als Ausscheidung.

Metalle und Strahlung Reaktorwerkstoffe

Seit der Entdeckung der Kernspaltung ist es moglich geworden, Metalle in Wechselwirkung mit Korpuskel- und Wellenstrahlung unter verschiedenartigen Bedingungen zu beobachten. Im Zusammenhang mit dem Bau von Kernreaktoren wurden von den Metallen eine grose Zahl neuer Eigenschaften gefordert. Eine Reihe neuer Legierungsgruppen ist dadurch technisch interessant geworden.