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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Werkstoffkunde – Begriffe und Einteilung (1)

In allen physikalischen und technischen Bereichen kommen Werkstoffe zum Einsatz. Somit werden auch in der Elektrotechnik für die Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben Werkstoffe mit bestimmten Eigenschaften verwendet. Bevor aber die üblicherweise in der Elektrotechnik verwendeten Werkstoffe näher betrachtet werden, sind grundsätzliche Kriterien zu besprechen.

Kupfer ummantelt– weit verbreiteter Leiterwerkstoff in der Elektrotechnik (Foto: Deutsches Kupferinstitut)

Kupfer – weit verbreiteter Leiterwerkstoff in der Elektrotechnik (Foto: Deutsches Kupferinstitut)

Einteilungen

In der Werkstoffkunde, die man vielleicht auch „Stoffkunde“ nennen könnte, werden diverse Einteilungen vorgenommen. Diese strukturieren das gesamte Sachgebiet und gestalten es damit übersichtlich. Zunächst gilt es, die Begriffsunterscheidungen zu erklären. Ein Einteilungsmerkmal für Werkstoffe ist beispielsweise der Aggregatzustand, in dem sich ein Stoff bei normaler Umgebungstemperatur befindet.

Grundstoff

Beschreibung: Jedes chemische Element ist ein Grundstoff und zugleich auch ein Werkstoff. Dieser muss dann allerdings mit einem möglichst großen Reinheitsgehalt zur Verfügung stehen.

Beispiel: Als Beispiel sei der Werkstoff Kupfer genannt, der mit einem Reinheitsgehalt von etwa 99,9 % als Leitermaterial in der Elektrotechnik eingesetzt wird (Bild1).

Einsatzmöglichkeit: Für verschiedene Anwendungsfälle gibt es eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für die Grundstoffe als Werkstoffe. Alle Grundstoffe des Periodensystems können demzufolge auch Werkstoffe sein. Es gibt aber eine große Anzahl von Werkstoffen, mit sehr speziellen Eigenschaften, die durch reine Grundstoffe nicht abgebildet werden können.

Materialmix

Beschreibung: Die meisten Werkstoffe sind Stoffe, die mit verschiedenen Verfahren und speziellen Rezepturen hergestellte Muster für einen Materialmix darstellen.

Beispiel: Ein Beispiel für einen solchen Materialmix ist der Werkstoff Messing. Dabei handelt es sich um eine Kupferlegierung aus rund 60 % Kupfer und etwa 40 % Zink. Hierbei entsteht ein goldgelb glänzendes Material, was beispielsweise im Bereich von Beschlägen aber auch in der Elektrotechnik eingesetzt wird. Je nach den benötigten Eigenschaften, können die Kupfer und Zinkanteile stark variieren.

Einsatzmöglichkeit: Früher waren beispielsweise die Beschläge an Bord eines Segelboots oft aus Messing. Heute verwendet man dafür vorzugsweise Edelstahl, was ebenfalls eine Metalllegierung darstellt. Der Hauptgrund für die Ablösung ist der bessere Korrosionsschutz von Edelstahl. Messing bildet relativ schnell, vornehmlich in feuchter Umgebung, eine sehr dunkle Oxidschicht. Diese Schicht sieht optisch unschön aus – da hilft nur putzen. In der Elektrotechnik wurde Messing gelegentlich als Kontaktwerkstoff eingesetzt. Durch geeignete Maßnahmen war dann zu verhindern, dass eine Oxidation einsetzt. Diese erhöht den Kontakt-Übergangswiderstand erheblich, was letztlich eine Brandgefahr darstellt.

Reduzierung des Übergangwiderstandes: Kontakte für Industriesteckverbinder werden fast ausschließlich aus Messing hergestellt. Der Kontaktwerkstoff muss aber den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden:

  • gute elektrische Leitfähigkeit
  • mechanische Festigkeit (Abriebfestigkeit)
  • gute Federeigenschaften (Buchse)
  • gute Verarbeitbarkeit (Crimpen)

Mit einer geeigneten Legierung lassen sich fast alle vorgenannten Bedingungen erfüllen. Für die eigentliche Kontaktoberfläche kommen beispielsweise Beschichtungen mit Silber, Gold oder Nickel zur Reduzierung des Kontakt-Übergangswiderstandes zum Einsatz.

Legierung: Mehrfach wurde bereits der Begriff „Legierung“ verwendet, ohne das Herstellungsverfahren näher zu erklären. Das soll auch zu einem späteren Zeitpunkt in dieser Beitragsserie umfassend erfolgen. Vorab soll diese Kurzbeschreibung ausreichen. Es handelt sich zunächst um einen Metallmix in geschmolzenem Zustand.

Eine Metalllegierung bedeutet: Aus gemeinsamer Schmelze erstarrt.

Eisen – ein wichtiges Metall

Legt man nun den Fokus der Betrachtung auf den Teil der Werkstoffkunde, der in der Elektrotechnik eine wesentliche Rolle spielt, so gilt es zunächst eine Stoffzuordnung bezüglich der Verwendung der Materialien und Ihrer Zusammensetzung vorzunehmen. Bei den Metallen gibt es die Einteilung in

  • Eisenmetalle und
  • Nichteisenmetalle.

Zusätzlich unterscheidet man bei den Eisenmetallen in Gusseisen und Stähle.

Gusseisen

Unter Gusseisen versteht man eine Gruppe von Eisenlegierungen mit einem hohen Anteil von Kohlenstoff (> 2 %) und Silicium sowie weiteren Bestandteilen wie Mangan, Chrom oder Nickel. Eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit hohem Kohlenstoffgehalt (> 2,06 %) unterscheidet diesen Werkstoff von Stahl und erschließt somit andere Anwendungsgebiete. Die Bezeichnung „Gusseisen“ leitet sich vom Gießen als Verfahren der Formgebung ab. Teile aus Gusseisen werden in einer Gießerei hergestellt. In grauem Gusseisen – dem sogenannten Grauguss – kommt der Kohlenstoff in Form von Graphit vor. Grauguss hat keine erkennbare Plastizität – es ist ein spröder Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit, guten Dämpfungseigenschaften und wegen der Sprödigkeit guter Formsteifigkeit. Daher eignet sich Grauguss in besonderer Weise für Maschinenbetten und -ständer.
Gusseisen hat gute Schwingungsdämpfungseigenschaften und wird häufig als Maschinensockel verwendet.

Autor: K.-H. Bleiß

Der Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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