Knetlegierung

Knetlegierungen sind in der Metallurgie Legierungen, die sich meist nur durch geringe, die Duktilität begünstigende Zusätze von Gusslegierungen unterscheiden.

Die Duktitilät – eine Eigenschaft, die nicht an metallische Werkstoffe gebunden ist – bedingte spätestens 1942^[1] die Bezeichnung Knetlegierungen. Die Legierungen selbst wurden hingegen schon vor dem Ersten Weltkrieg entwickelt und genutzt (etwa Duraluminium zum Leichtbau von starren Luftschiffen, System Zeppelin). Die Knetwerkstoffe sind ebenso wie Gusswerkstoffe weltweit genormt (sei es nach EN-Norm, US-Norm oder beibehaltenen nationalen Normungen).^[2]

Abgrenzung gegen Gusslegierungen

Metallurgisch gesehen, wird bei der Herstellung von primären oder sekundären, also im Recyclingverfahren erstellten, Legierungen zwischen Gusslegierung und Knetlegierung unterschieden.

Gusslegierungen werden entweder „auf Vorrat“ zu Barrenformen für den Bedarf der Formgießereien vergossen, oder sie werden den Gießereien unter Erhalt der im Flüssigmetall gebundenen Energie in Thermosbehältern zugeführt (Flüssigmetalltransport). Große Gießereien haben zudem die Möglichkeit Flüssigmetall aus dem eigenen Schmelzwerk im Pfannentransport per Stapler in die Werkgießerei überzuführen. Diese drei Wege der Bereitstellung von Flüssigmetall für die Formgießerei vereinigen sich in ihrer Zwecksetzung. Aus dem Flüssigmetall werden beim Vergießen in eine Sand- oder metallische Dauerform Gussteile, die dem gewünschten Endzustand (in nahezu jeder gewünschten Größe/Gewicht – beispielsweise Zylinderkopf, Pumpengehäuse, Drehbankständer) weitgehend nahekommen und daher keine, oder nur relativ geringe Nachbearbeitung erfordern.

Knetlegierungen sind ein „Zwischenprodukt“, bei dessen Herstellung im Vergleich mit Gusslegierungen des gleichen Typs nur wenige Besonderheiten bestehen. In ihrer analytischen Grundzusammensetzung weichen sie von den Gusslegierungen nicht ab: Da die Hauptforderungen an eine Knetlegierung Duktilität und optimale Zerspanbarkeit sind, kann dies jedoch die Begrenzung des Anteils einiger bei Gusslegierungen nicht störender Begleitelemente verlangen, ebenso aber auch die Zufügung solcher Elemente, mit denen die erwähnten Charakteristika gefördert werden.

Halbzeug aus Knetlegierungen

Knetlegierungen werden ausschließlich zum Zwischenprodukt Halbzeug verarbeitet. In großvolumigen Öfen erschmolzen, werden sie in einfachen geometrischen Ausformungen als Platinen (auch Walzbarren genannt), Ronden oder Pressbolzen, (im Eisenhüttenwerk auch als Brammen) vergossen und erst in einem Walz- oder Presswerk weiteren Fertigungsgängen für die zugedachten Verwendungszwecke unterzogen.

Auf Formstahl, Aluminium- und Kupferlegierungen entfällt zwar die Hauptmenge an Halbzeug, aber neben anderen Metallen und Legierungen werden auch Nickellegierungen, Silber und Gold erst einmal zu Halbzeug und aus diesem entsteht dann Schmuck oder Münzen.

Generelles zur Weiterverarbeitung von Knetlegierungen

Das in seinen verschiedenen Ausformungen abgegossene Halbzeug wird entweder in einem mit der Gießerei verbundenen, oder auch von einer Gießerei völlig unabhängigen Walz- und Presswerk weiterverarbeitet. Entweder wird zuvor einer Raumauslagerung unterzogen, um eine die Duktilität begünstigende Umkristallisation herbeizuführen, oder es findet eine Warmauslagerung in speziell hierfür genutzten Öfen statt. Entsprechend wird das Halbzeug entweder kalt- oder warmgewalzt. Seitdem ist der Bedarf an Stranggussprodukten aus Kupferlegierungen bei anhaltendem Zuwachs auf dem Gebiet des Fahrzeug- und Gerätebaus so stabil, dass von einer relativ gleichgebliebenen Relation zu sprechen wäre.

Weniger auffällig und daher auch weniger bekannt ist, dass Halbzeug aus normierten Kupfer-Zinn-Knetlegierungen, besonders in Form von Bändern (Federbänder) bei der Elektroindustrie unverzichtbar ist. Aus der Reihe zahlreicher Anwendungsfälle in den verschiedensten Industrien wäre noch die Legierung CuSn8P mit einem Phosphorzusatz hervorzuheben, die wegen ihrer Eigenschaften als hochwertiger Lagerwerkstoff verwendet wird.^[3]

Walzprodukte

Walzprodukte werden unter anderem als einfache oder geformte Bleche im Fahrzeugbau, seien es Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuge verwendet. Im Hochbau finden sie sich in Form gestalterischer Elemente, als Verkleidungen und Abdeckungen. Vielfältige Verwendungsmöglichkeiten finden sich für das Walzprodukt Folien.

Pressprodukte

Pressprodukte, auch Ronden oder Bolzen genannt, werden im Stranggießverfahren durch eine glatte oder profilierte Kokille gezogen. Bei Hohlprofilen wird über einen in die Kokille eingesetzten Dorn aus Grafit gegossen. Eine Teilung der glatten, profilierten, oder hohlen Ronden in Scheiben beliebig wählbarer Stärke ist häufig. Solche Scheiben können zu runden Behältnissen aller Art extrudiert werden, vorzugsweise zu Dosen und deren Deckeln. Aus solchen Scheiben lassen sich sowohl Münzen prägen, als auch – bei entsprechender Profilierung des Strangs – runde technische Teile aller Art herstellen (z. B. Zahnräder).^[4]

Halbzeug aus Aluminium und Aluminiumlegierungen

Die häufigste Ausgangsform sind bei Aluminium vertikal abgegossene Stranggussprodukte. Im Gießhaus (cast house) entstehen Gießstränge in einem durch die Ausformung der Kokille bestimmten Querschnitt.

Der Gießvorgang kann dabei diskontinuierlich oder kontinuierlich sein. Beim diskontinuierlichen Verfahren bestimmt die Tiefe des Abkühlbeckens, in das der Strang abgesenkt wird, seine Länge. Das kontinuierliche, oder auch „Endlosverfahren“, kann den genügend gefestigten Strang entweder auf beliebige Längen auslegen, oder ihn nach Erfordernis unter Einsatz der sogenannten „fliegenden Säge“ abteilen.

Starke Durchmesser werden einzeln gegossen, bei schwächeren Durchmessern sind Gießtische mit mehreren in sie eingelassenen Kokillen üblich, wobei 16 gleichzeitig gegossene Stränge eher Norm als Ausnahme sind.

Die Metallzufuhr erfolgt aus dem Warmhalteofen. Bei Aluminium und seinen Legierungen geht der Gießprozess über eine entgasende Schmelzebehandlungsbox (SNIF-Box) weiter und von dieser gelangt das flüssige Metall über eine feuerfest ausgekleidete Gießrinne nebst deren Abzweigungen zu den einzelnen Strängen. In der Gießrinne können noch für die Legierung wichtige Zusätze – in Abhängigkeit von der Gießgeschwindigkeit automatisch dosiert – zugefügt werden. Meist sind es Titan und Bor enthaltende Vorlegierungen zur Gefügebeeinflussung (Kornfeinungsmittel).

Ein Überblick über das Bezeichnungssystem von Aluminiumknetlegierungen nach EN 573-3/4 findet sich im Artikel Aluminiumlegierung in Abschnitt Aluminiumknetlegierungen.

Bandgießen

Eine vom Stranggießverfahren zu unterscheidende Technik ist das Bandgießverfahren, mittels dessen Aluminium zwischen zwei sich gegenläufig drehenden, kühlenden Trommeln Bänder abgegossen werden können. Im Hinblick auf die Verwendung als Dünnblech oder Folien können hier Walzvorgänge („Stiche“) eingespart werden. Das Halbzeug wird hier – ähnlich dem Verfahren zur Herstellung von Drähten – dem gewünschten Endprodukt angenähert.

Messinge haben zwar an der Menge hergestellter Kupferknetlegierungen den größten Anteil, aber auch weitere Kupferlegierungen werden als Halbzeug erstellt. Bei den Kupfer-Nickel-Legierungen ist es die bei mehr als 15 % Nickelanteil helle, nicht an Kupfer erinnernde Farbe, die bei der Münzherstellung für Höherwertigkeit gegenüber den Kupfermünzen steht.^[5] Wichtiger sind die den CuNi-Knetlegierungen einen breiten Anwendungsbereich sichernden physikalischen Eigenschaften.^[6]

Halbzeug aus Knetlegierungen auf Kupferbasis

Der mengenmäßig größte Anteil entfällt hier auf Kupfer-Zink-Legierungen. Es wird dabei unterschieden zwischen der Gruppe der bleihaltigen, der bleifreien und der Sondermessinge, die noch weitere Legierungslemente enthalten.

Bei den bleihaltigen Kupfer-Zink-Legierungen, steht das frühere Ms 58, auch Automatenlegierung genannt, mit einem die Zerspanbarkeit begünstigenden Zusatz von 2,5–3,5 % Blei (CuZn39Pb3, DIN 1760) mit Abstand an der Spitze. Hinzukommt, dass die Legierung dank ihres variierbaren Bleigehaltes sowohl kalt als auch warm umformbar, für Gesenkschmieden und Herstellung von Drähten geeignet, darüber hinaus nahezu allgemein verwendbar ist. ^[7]

Weiterverarbeitung von Knetlegierungen auf Kupferbasis

Eine etwas ältere Literaturangabe sagt:

„ungefähr 90 % der Jahresproduktion aus Kupferwerkstoffen besteht aus Halbzeug, wie Bleche, Bänder, Rohre und Stangen, die aus gegossenem Vormaterial, vorwiegend vertikalem, aber auch horizontalem Strangguss, hergestellt werden.“^[8]

Literatur

• Stephan Hasse (Hrsg.): Giesserei Lexikon. 17. Auflage, Schiele und Schön, Berlin 1997, ISBN 3-7949-0606-3.
• Schriftenreihe des DKI (Deutsches Kupferinstitut) (Online-Katalog).

Weblinks

• Deutsches Kupferinstitut (DKI): Kupfer-Zinn-Knetlegierungen (Zinnbronzen). Juli 2004 (PDF-Datei; 998 kB).

Einzelnachweise

1. ↑ A. von Zeerleder: Technologie der Leichtmetalle Rascher Verlag Zürich 1947, S. 354–355 (Literaturverweis auf eine Nummer der Z. f. Metallkunde)
2. ↑ Für Aluminium und seine Legierungen gibt der „Aluminiumschlüssel“ erschöpfende Übersicht: Waldemar Hufnagel: Aluminium-Schlüssel : Normbezeichnungen, Zusammensetzungen, Markenwörter von Aluminiumwerkstoffen. 2. Auflage. Aluminium-Verl., Düsseldorf 1983, ISBN 3-87017-170-7.
3. ↑ Kupfer-Zinn-Knetlegierungen (Zinnbronzen). Informationsdruck i.15, Deutsches Kupferinstitut (PDF).
4. ↑ Beispiele zu Kupfer-Zink-Knetlegierungen und ihren Verwendungsmöglichkeiten in: Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing). Informationsdruck i.5, Deutsches Kupferinstitut (PDF).
5. ↑ Kupfermünzen sind nur selten noch aus teurem Kupfer, meistens handelt es sich um kupferplattiertes Eisen
6. ↑ DKI Schrift 02.92, s.a.a.O.
7. ↑ Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing). Informationsdruck i.5, Deutsches Kupferinstitut (PDF).
8. ↑ Ernst Brunhuber (Übersetzer): Guss aus Kupfer und Kupferlegierungen. Schiele & Schön, Berlin 1986, ISBN 3794904443, S. 99 f.