Diplomabeit 2012/13 – Elektro Kickboard |2

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7 Materialien

Abb.156: Aluminium

Abb.157: Alufolie

Abb.158: Impression_Alu

Der Werkstoff Aluminium, auch genannt Aluminum (Gebrauch hauptsächlich in den Staaten), ist ein junger Werkstoff und wurde erstmals 1808 von Sir Humphry Davy beschrieben. Seine Herstellung gelang erst 1825. Hans Christian Ørsted ließ Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam reagieren.

Im Laufe der Zeit wurde dieses Verfahren von unterschiedlichen Wissenschaftlern weiterentwickelt und verfeinert. Auch das heute verwendete Bayer-Verfahren, benannt nach Carl Josef Bayer, welcher es 1889 entwickelte, beruht auf diesem Prinzip.

7.1 Aluminium Das Wort Aluminium beschreibt zum einen das chemische Element, welches im PSE (Periodensystem der Elemente) mit der Ordnungszahl 13 versehen ist, als auch den Werkstoff, der sich aus den Elementen Kalium und Aluminium zusammensetzt.

Für die Diplomarbeit ist Letztgenannter von Interesse.

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Abb.159: Fräsen von Aluminium

Bis 1859 zählte Aluminium zu den teuersten Materialien der Welt. In diesem Jahr veröffentlichte jedoch Henri Étienne Sainte-Claire Deville das Herstellungsverfahren, welches zu diesem Zeitpunkt als Wöhler-Prozess bekannt war. Dies hatte zur Folge, dass der Aluminiumpreis innerhalb von zehn Jahren um 90% fiel.31

Heute ist es als ein vielseitig einsetzbares, kostengünstiges Material bekannt.

Aluminium kennzeichnet sich durch geringes Gewicht, hohe Festigkeit und gute Wärme- und Stromleitfähigkeit aus. Zudem verfügt es über eine hohe Korrosionsbeständigkeit, unter anderem gegenüber Wasser und Chemikalien, und ist recyclebar.

Abb.160: Audi_Leichtbau

Vorrangig wird es im Verkehrssektor eingesetzt.

Es eignet sich hervorragend für den Leichtbau von Teilen in Automobilen, Nutzfahrzeugen, Flugzeugen, Zügen und Schiffen. Dazu zählen u.a. Karosserieteile, Motorblöcke, Heckklappen, Türen und Felgen. Durch die Gewichtseinsparung ergeben sich Kraftstoffersparnisse. Bereits in den 1930erJahren wurde es von einem amerikanischen Unternehmen eingesetzt, um Militärfahrzeuge leichter zu machen.

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Abb.161: Aluminiumfassade

Abb.162: Aludose

Abb.163: Espressokocher

Auch in der Architektur kommt der Werkstoff erhöht zum Einsatz. Dies liegt an seinen funktionalen und ästhetisch ansprechenden Eigenschaften.

Darüber hinaus ist es ein beliebtes Material für Verpackungen. Beispielsweise schützt es Lebensmittel vor Umwelteinflüssen, während es sie gleichzeitig frisch hält. Zudem benötigt eine Aluminiumverpackung (Folie, Beschichtung) wenig Platz.

Auch im Maschinen- und Anlagenbau findet es Verwendung. Industrieroboter und Maschinen er-

reichen ihre Präzision und Beweglichkeit u.a. auf Grund der geringen Masse der Komponenten und Bauteile. Maschinenelemente, welche aus Gussund Schmiedeteilen sowie aus Aluminiumblechen hergestellt sind, beschleunigen die Fertigungsprozesse.

Zu ihnen zählen Gusstechniken, Walzen, Stangenpressen und Schmieden. Zudem ist es schweißbar. Auch wird es häufig als Verbundwerkstoff verwendet.32

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Weiters ist zu erwähnen, dass es unterschiedlichste Legierungen von Aluminium gibt, welche verschiedene Eigenschaften des Werkstoffes hervorheben. Aluminium kann mit einer Vielzahl von Verfahren bearbeitet werden.

Abb.164: Aluminiumskulptur

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Abb.165: Disney Concert Hall by Carol Highsmith|L.A.

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Abb.166: ThyssenKrupp|Logo

Abb.167: Kubisch flächenzentriert|Austenit

Abb.168: Kubisch raumzentriert|Ferrit

7.2 Nirosta Nirosta ist der eingetragene Markenname der Firma ThyssenKrupp und bezeichnet Stahl, der sich durch einen gewissen Chromanteil auszeichnet.

Weitere Namen des Werkstoffes sind Edelstahl rostfrei, oft nur Edelstahl genannt; VA-Stahl, Inox (aus dem Französischen: inoxydable; nicht oxidierbar) oder Nieroster und Niroster. Die letzten beiden Benennungen sind eher selten, da sich das Wort aus der Abkürzung für „Nicht rostender Stahl“ ergibt.

Bekannt ist Nirosta auch unter Cromargan, dem Handelsnamen von WMF.33

RSH-Stahl steht als Abkürzung für nichtrostende Stähle, die rost-, säure- und hitzebeständig sind, und zeichnet sich durch einen Anteil von mehr als 10,5 Prozent Chrom aus, welcher im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst sein muss.

Die Begriffe Austenit und Ferrit stammen aus der Festkörperchemie und bezeichnen unterschiedliche Kristallformen, in diesem Fall auf Eisen-Legierungen bezogen: Im Austenit handelt es sich um ein kubisch-flächenzentriertes Gitter, während das Ferrit kubisch-raumzentriert vorliegt.

Der hohe Chromanteil führt dazu, dass sich eine Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche bildet und den Stahl am Oxidieren hindert.

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Abb.169: Nirosta_Produktion

Weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan und Niob verstärken die Korrosionsbeständigkeit oder führen zu besseren mechanischen Eigenschaften. Mittlerweile existiert eine Vielzahl von Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Bestandteilen. Abhängig von diesen ergeben sich verschiedene Einsatzbereiche. Differenzieren lassen sich die Legierungen mit separaten Werkstoffnummern.

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Der heute am weitesten verbreitete rostfreie Stahl ist der Nachfolger einer Legierung, die nicht mehr erzeugt wird und 1912 als V2A bezeichnet wurde.

Gekennzeichnet wird er wie folgt: X5CrNi18-10 mit der Werkstoffnummer 1.4301 und der Aufschrift 18/10.

Es handelt sich hierbei um einen relativ weichen, nickelhaltigen Austenitstahl, der sich hervorragend für die Herstellung von Küchenutensilien (Töpfe, Essbesteck), Spülbecken sowie Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren eignet. 33 Prozent der Produktion von RSH-Stählen entfallen auf die-

sen Legierungstyp. Weitere 20 Prozent gehen auf den Stahl 1.4307 (X2CrNi18-9) zurück.

Die heutigen Werkstoffe 1.4401, 1.4404 und 1.4571 entsprechen dem von Benno Strauß entwickelten V4A-Stahl: erhöhter Nickelanteil von acht auf zehn Prozent und die Zugabe von Molybdän. Dadurch sind sie korrosiv und thermisch höher beanspruchbar. Zu Nutze macht sich die Industrie diese Eigenschaften in der Offshoretechnik oder für Tanks zum Transport von Chemikalien, tiefgekühlten Gasen oder Lebensmitteln.

Abb.170: Nirosta

1930 wurden die ferritisch-austenitischen Duplexstähle entdeckt. Im Gegensatz zu anderen nichtrostenden Stählen haben sie einen Vorteil gegenüber mechanischen Belastungen: Sie widerstehen Wellen, Strömungen und Außendruck in bis zu 3.000 Meter Meerestiefe. Auch den chemischen Anforderungen des geförderten Öls oder Erdgases werden sie gerecht. Dennoch liegen sie im Hinblick auf die Marktanteile hinter den Ferriten: Diese führen mit 30 Prozent klar gegen die zwei Prozent der Duplexstähle.

Unter besonderen Korrosionsbedingungen ist die

Abb.171: Trennschleifen

Umformfähigkeit von Ferriten den Austeniten zwar unterlegen, doch bieten sie für zahlreiche Anwendungen eine qualitativ hochwertige und kostengünstige Alternative, denn sie enthalten kein Nickel.

Ausgehend vom „Basisferrit“ 1.4016 X6Cr17, wurden viele Güten für ein breites Anwendungsspektrum entwickelt: So ergeben sich spezielle Werkstoffe für Automobil-Abgasanlagen oder Trinkwasser-Leitungssysteme.34

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R

N C O + Ri

OH --> R

O N H

O

Ri

Abb.172: Polyurethan|Strukturformel

7.3 Polyurethan Polyurethane (PU, DIN-Kurzzeichen: PUR) sind Kunststoffe oder Kunstharze, die aus der Polyadditionsreaktion von Dialkoholen (zweiwertige Alkohole) bzw. Polyolen (mehrwertige Alkohole) mit Polyisocyanaten entstehen.

Die Wertigkeit eines Alkoholes ergibt sich aus der Anzahl seiner OH-Gruppen.

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Mit Polyisocyanaten sind organische Verbindungen gemeint, die zwei oder mehrere Isocyanatgruppen (–N=C=O) aufweisen.35

Charakteristisch für Polyurethane ist die UrethanGruppe (-NH-CO-O-).

Polyurethan ist einer der am weitesten verbreiteten Werkstoffen mit einer hohen Einsatzvariabilität. Der Werkstoff kann, abhängig von seiner Herstellung, hart und spröde oder weich und elastisch sein.

Besonders Elastomere weisen eine vergleichsweise hohe Reißfestigkeit auf. Aufgeschäumt ist Polyurethan als dauerelastischer Weichschaum (z.B. für Sportschuhsohlen) oder als harter Montageschaum bekannt.

Abb.173: Stühle aus Polyurethan

Abb.174: Polyurethan

Zum ersten Mal wurde Polyurethan 1937 von einer Forschergruppe um Otto Bayer Leverkusen synthetisiert.

Durch Optimierung der Einsatzstoffe begann 1940 die industrielle Produktion in Leverkusen. Bedingt durch den Zweiten Weltkriegs und die damit verbundene Rohstoffknappheit gedieh der Markt für Polyurethane anfänglich nur sehr langsam. 1952 waren weniger als 100t von Polyisocyanats Toluylendiisocyanat (TDI) verfügbar. Mit der Entwicklung von Polyester-Schaumstoffen zwischen 1952 und 1954 stieg das kommerzielle Interesse an Po-

lyurethan. Durch den Einsatz von Polyetherpolyolen wuchs die Bedeutung der Polyurethane, da die Variationsmöglichkeiten bei der Herstellung von Polyetherpolyolen eine erhebliche Ausdehnung der Anwendungen erlaubten. So wurden 1960 bereits über 45.000t an Schaumstoffen produziert.

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Abb.175: Polyurethan_2

Durch technische Verbesserungen werden nach wie vor neue Einsatzgebiete erschlossen. Beispielsweise ermöglichte die Einführung von Treibmitteln und der Einsatz von Diphenylmethan-4,4‘-diisocyanat (MDI) die Herstellung von Polyurethan-Hartschäumen.

Das Verbot von FCKW-haltigen Treibmitteln führte jedoch zu einem Wandel: Es werden verstärkt Pentane oder reines Kohlendioxid als Treibmittel verwendet.

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Abb.176: Polyurethanerzeugung

Die hervorragende wärmedämmende Wirkung von Polyurethanen wird nur von wenigen anderen Materialien übertroffen.

Bis zum Jahr 2002 ist der weltweite Verbrauch auf rund 9 Millionen Tonnen Polyurethan angestiegen.

Bis 2007 erreichte er über 12 Millionen Tonnen.

Polyurethan kommt in den verschiedensten Sektoren vor.

Im Bauwesen kommt es als 1- oder 2-Komponenten-Schaum (Montageschaum, Expansionsschaum) zum Abdichten von Fugen im Beton und beim Einbau von Fenstern und Türen zum Einsatz.

Es dient auch als Bodenbelag.

Als Polyurethan-Hartschaum wird es für Isolierund Dämmschichten in Sandwich-Elementen verwendet.

Im Bereich der Textilindustrie dient es als Beschichtungsmaterial, Textilfaser oder der Erstellung von atmungsaktiven Membranen in Regenbekleidung.

Auf Grund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften eignen sich bestimmte Polyurethane für Anwendungen, die eine hohe Verschleißfestigkeit erfordern, wie z.B. Polyurethanschläuche für

Abb.177: Polyurethan-Schaumstoff

Abb.178: Bodenbelag Polyurethan

den Transport von Schüttgütern, Schutzschichten in Rohren oder Ummantelungen elektrischer Leitungen.

Neben den zuvor genannten Einsatzgebieten besteht eine Vielzahl von Produkten zum Teil aus PU. Darunter: Matratzen, Schuhsohlen, Lacke und Klebstoffe. Hinzu kommen Prototypen- und Musterbau in der Gießereiindustrie.

Der Einsatz von Polyurethanen in Lacken und Beschichtungen ist eine der wichtigsten Anwendungen. Hier werden Polyurethane wegen ihrer guten Haftungseigenschaften als Grundierungen präfe-

riert. Darüberhinaus dienen sie dank ihrer hohen Beständigkeit gegen Lösemittel, Chemikalien und Witterungseinflüsse als Deck- und Klarlacke.37

Abb.179: Polyurethanerzeugung

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