Werkstoffe

Metallische Werkstoffe


Stahl:

Stähle sind Eisen-Werkstoffe, deren Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2% ist. Chemisch betrachtet handelt es sich bei dem Werkstoff Stahl um eine Legierung aus Eisen und Eisenkarbid. Um die chemischen und mechanischen Eigenschaften von Stählen zu beeinflussen, werden andere Metalle zugesetzt (z. B. Chrom und Mangan). Es gibt verschiedene Arten Stahl herzustellen, auf die an dieser Stelle aber nicht eingegangen werden soll. Für RETSCH Geräte und Zubehör werden folgende Stähle verwendet:

  1. Rostfreier Stahl
  2. Gehärteter Stahl („Spezialstahl“)
  3. Stahl zur schwermetallfreien Zerkleinerung

Rostfreier Stahl

Mit „Rostfreiem Stahl“ bezeichnet man einen korrosionsbeständigen Stahl. Die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle beruht auf einer hauchdünnen, nicht sichtbaren oxidischen Schutzschicht, der so genannten Passivschicht. Diese Passivschicht bildet sich bei Chromgehalten >12%. Der Korrosionswiderstand nimmt mit dem Chromgehalt des Stahls zu. Jedoch geht bei Chromgehalten >20% die Härtbarkeit und damit der Verschleißwiderstand des Stahls verloren. Ständige mechanische Beanspruchung, wie z. B. bei Mahlwerkzeugen, kann zur Zerstörung der Passivschicht aber auch zur Anrauung der Werkzeugoberfläche führen. Neben Kreuz-Kontaminationen können darüber hinaus Korrosionsstellen auftreten. Diese haben ihre Ursache nicht in mangelnden Werkstoffqualitäten, sondern sind auf Abnutzung zurückzuführen. Zur Entfernung von Korrosionsansätzen, Verschmutzungen oder Fremdrostbefall an den Mahlwerkzeugen eignen sich handelsübliche Metallreiniger sowie der Einsatz einer Bürste. Nach der Nassreinigung empfiehlt sich, die Teile mit Isopropanol oder Aceton abzuwischen und gut zu trocknen.

Gehärteter Stahl („Spezialstahl“)

Gehärteter Stahl gehört wie der rostfreie Stahl zu den Chromstählen, weist allerdings einen niedrigeren Chromgehalt von 12% auf. Dementsprechend zeichnet sich der Spezialstahl nicht durch Korrosionsbeständigkeit sondern durch seine größere Härte aus.

Manganstahl („Manganfeinguss“)

Manganstahl wird nach seinem Erfinder auch Hadfieldstahl genannt. Der Mangangehalt liegt zwischen 12% – 14% , der Kohlenstoffgehalt zwischen 1% - 1,2%. Nach dem Abschrecken aus der 1100 °C heißen Metallschmelze zeigt der Stahl noch ein äußerst duktiles verformbares Gefüge. Erst bei stoßartiger Belastung wandelt sich ein Teil des Gefüges, so dass Härtewerte von über 600 HV (ca. 55 HRC) erreicht werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Kaltverfestigung, im technischen Sprachgebrauch wird Manganstahl daher auch als Kaltverfestiger bezeichnet.


Wolframcarbid (Hartmetall):

Wolframcarbid zählt zu den Hartmetallen. Reines Wolframcarbid, ein Mischkristall aus Wolfram und Kohlenstoff, ist sehr spröde. Daher wird dem Werkstoff Wolframcarbid ein Cobaltanteil von 6 – 10% zugesetzt. So wird die Zähigkeit des Werkstoffs erhöhet und der Abrieb minimiert. Die richtige Materialzusammensetzung des Hartmetalls richtet sich nach der Anwendung und den technischen Anforderungen. Wolframcarbid wird durch Sintern von Wolfram und Kohlenstoff hergestellt. Beim Erhitzen unter hohem Druck lagert sich der Kohlenstoff in die Kristallstruktur des Wolframs ein. Das resultierende Carbid erhöht den Schmelzpunkt und die Härte des Metalls. Kennzeichnend für Wolframcarbid ist die sehr hohe Härte (auch bei hohen Arbeitstemperaturen) und die Verschleißfestigkeit. So Kann es, je nach Zusammensetzung, eine mit Diamant vergleichbare Härte aufweisen. Wolframcarbid findet daher eine breite Anwendung z. B. in der Bestückung von Werkzeugen für die Zerspanung und die spanlose Formgebung. Darüber hinaus kommt es bei Werkzeugen zur Anwendung, die einem reibendem Verschleiß unterliegen. In diese Gruppe gehören die verschiedenen Mahlwerkzeuge, die in RETSCH-Geräten genutzt werden.


Gusseisen / Temperguss:

Gusseisen ist ein Eisen-Werkstoff, mit Kohlenstoffgehalten >2% und Siliziumgehalten >1,5%. Der Kohlenstoff liegt im so genannten Grauguss bzw. Lamellenguss in Form von feinen unregelmäßig verteilten Graphit-Plättchen vor. Der Begriff Gusseisen bezieht sich auf die Herstellung dieses Werkstoffs, das Gießen einer Metallschmelze in Formen. Im Gegensatz zum Gusseisen wird Temperguss nach dem Erstarren noch getempert. Hierunter versteht man einen mehrtägigen Glühvorgang bei ca. 1000 °C in oxidierender Atmosphäre.


Titan:

Titan (Ti) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und weist bei einer relativ geringen Dichte eine hohe Festigkeit auf. Durch die Ausbildung einer oxidischen Schutzschicht ist Titan korrosionsbeständig. Da hochreines Titan duktil ist, können zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Versprödung) geringe Mengen anderer Elemente, wie Sauerstoff und Stickstoff, zugesetzt werden. Titan kommt in der Erdkruste relativ häufig vor, allerdings meist in geringen Konzentrationen in Form von Oxiden. Gewonnen wird Titan vorrangig aus den Mineralen Rutil (TiO2) und Ilmenit (FeTiO3).



Keramische Werkstoffe

Zirkonoxid:

Der Hauptrohstoff für die Herstellung von Zirkonoxidkeramik (ZrO2) ist das Mineral Zirkon (ZrSiO4). Aus ihm wird durch Schmelzen mit Koks und Kalk (Reduktion des SiO2) großtechnisch ZrO2 gewonnen. Das so entstandene Ausgangspulver wird mit Zuschlagstoffen vermischt und durch Trockenpressen in die gewünschte Form gebracht. Das Formteil wird durch Sintern in das Rohprodukt überführt und anschließend je nach Anwendungszweck geschliffen und poliert. Der Sinterprozess kann dabei sowohl bei atmosphärischem Druck, als auch unter hohem Druck erfolgen. Erst beim Sinterprozess erhalten die Formteile ihre eigentlichen Eigenschaften. Zirkoniumdioxid kommt in Abhängigkeit von der Temperatur in unterschiedlichen Kristallmodifikationen vor. Diese nehmen unterschiedliche Volumina ein. Durch die Zugabe von Yttriumoxid wird Zirkonoxid bei der Abkühlung nach dem Sinterprozess daran gehindert, sich in die bei Raumtemperatur stabilere Modifikation umzuwandeln: Es bleibt gezwungenermaßen in der teilstabilisierten Form. Entsteht ein Riss, geht das Zirkonoxid an dieser Stelle spontan unter Volumenausdehnung in die stabilere Modifikation über. Durch diesen Effekt wird der Riss sofort wieder geschlossen. Zirkonoxid wird traditionell als feuerfeste Keramik eingesetzt. Aufgrund der Materialeigenschaften und der guten Biokompatibilität wird Zirkonoxid in jüngster Zeit mehr und mehr als Keramik im Bereich Prothesen und Zahnersatz verwendet. Außerdem findet teilstabilisiertes Zirkonoxid viele technische Anwendungen. Es ist sehr stabil gegen thermische, chemische und mechanische Einflüsse, so dass der Werkstoff sehr gut für Mahlwerkzeuge geeignet ist.


Sinterkorund

orund ist ein reines Aluminiumoxid (Al2O3). Es kommt in der Natur relativ häufig vor und gilt nach dem Diamant als zweithärtestes Mineral. Zur Gruppe der Korunde gehören z. B. auch die Edelsteine Rubin (rot) und Saphir (blau). Synthetische Korunde fanden etwa um 1900 erstmals Anwendung in der Feuerfestindustrie. Aufgrund ihrer größeren chemischen und physikalischen Homogenität werden diese für die industrielle Weiterverarbeitung häufig den natürlichen vorgezogen. Bei der Herstellung des synthetischen Sinterkorunds wird in Form gepresstes Aluminiumoxid-Pulver auf 1.300 °C erhitzt. Das Aluminiumoxid-Pulver ist ein Zwischenprodukt im Prozess der Aluminiumgewinnung aus Bauxit. Für den Einsatz von Sinterkorund in Mahlwerkzeugen spricht vor allem die hohe Härte und Reinheit, aber auch der günstige Preis. Aufgrund der relativ geringen Dichte des Sinterkorunds und dem daraus resultierenden geringen Energieeintrag, ist die thermische Belastung des Mahlgutes während der Vermahlung gering. Das ist häufig ein Vorteil bei empfindlichem Mahlgut (z. B. Pflanzen).


Hartporzellan:

Hartporzellan ist ein silikatkeramischer Werkstoff aus den Rohstoffen Kaolin (eisenfreie Tonerde), Kalifeldspat und Quarz. Er besteht zu 25 - 70% aus Al2O3 und zu 30 – 75% aus SiO2. Es wird bei Temperaturen um 1400 °C gebrannt. Mitte des 19. Jahrhunderts begann man, Porzellan als technische Keramik einzusetzen, v.a. in der Elektroindustrie, wo es noch heute ein wichtiger Werkstoff ist.


Siliziumnitrid:

Siliziumnitrid ist eine nicht-oxidische Keramik, die sich durch extreme Bruchzähigkeit und Verschleißbeständigkeit auszeichnet. Die Keramik kommt in der Natur nicht vor und wird auf unterschiedliche Weise hergestellt. Eines der bekanntesten Herstellungsverfahren ist das Reaktionsbinden, bei dem das reine Silizium unter Stickstoffatmosphäre das Nitrid bildet. Die Reaktion beginnt bei 1200 °C. Da sich Siliziumnitrid unter Normaldruck bei Temperaturen oberhalb von 1700 °C zersetzt, muss das Pulver bei sehr hohen Stickstoffdrücken gesintert werden. Siliziumnitride kennzeichnen sich durch eine homogene graue Färbung. Durch Zusatz von Sinteradditiven (AL2O3 und Y2O3) wird die Härte bei gleichbleibender Zugfestigkeit noch erhöht, man spricht dann auch von Sialonen (SiAlON). Die hohe Verschleißbeständigkeit von Siliziumnitrid prädestiniert es für den Einsatz in der Wälzlagertechnik und als Schneidwerkzeug.



Sonstige Werkstoffe

Achat (Naturstein):

Achat ist ein Quarz-Mineral (Siliziumdioxid, SiO2) und zählt zu den so genannten Halbedelsteinen. Es entsteht in Hohlräumen vulkanischer Gesteine durch Ausfällung von SiO2 aus Kieselsäure-Lösungen. Der Name Achat ist auf seinen ersten Fundort zurück zuführen, der sich angeblich am Fluss Achates auf Sizilien befand. Heutige Fundorte für Achat sind z. B. Böhmen, Brasilien, Sizilien oder Uruguay. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts fand der Achat seine Anwendung als technischer Werkstoff. Apotheker und Homöopathen erkannten schnell, dass Handmörser aus Achat durch die reine SiO2-Zusammensetzung und ihre Abriebfestigkeit wesentliche Vorteile bei der Verreibung von Pulvern und Pasten boten. Kein störender Abrieb, einfache Reinigung durch glatte Oberflächen und dadurch Vermeidung von Kreuz-Kontamination zeichneten den Achat gegenüber den bis dahin üblichen Messing- und Porzellanmörsern aus. Nachdem im Laufe der Zeit die Verfahren zur Bearbeitung von Achat durch Diamantwerkzeuge verbessert wurden, konnten nun auch die unterschiedlichsten Mühlentypen mit Mahlgarnituren aus Achat ausgerüstet werden. Porzellan verliert dadurch zunehmend seinen Stellenwert in der mechanischen Aufbereitungstechnik.


Glas:

Glas ist eine amorphe, d. h. nicht kristalline Substanz. Hergestellt wird es meist aus einer Schmelze. Diese wird relativ schnell abgekühlt, so dass die Zeit nicht zur Bildung von Kristallen reicht. Glas besteht größtenteils aus SiO2. Durch verschiedene Zuschlagsstoffe lassen sich die Eigenschaften des Glases verändern. Im Laborbereich wird meistens Borosilikatglas, z. B. Borosilikatglas 3.3, verwendet, da es eine gute chemische Beständigkeit aufweist und relativ temperaturstabil ist. Die chemische Beständigkeit wird v. a. durch den Gehalt an Boroxid bestimmt, der bei ca. 13% liegt. Borosilikatglas ist auch unter den Bezeichnungen Jenaer Glas und Duran bekannt.


PTFE (Kunststoff):

PTFE oder Teflon ist ein thermoplastischer Kunststoff (Polymer). Die Abkürzung PTFE steht für Polytetrafluorethylen, eine Fluor-Kohlenstoffverbindung. Bei dem Begriff Teflon handelt es sich um einen Handelsnamen der Firma DuPont. Bei PTFE handelt es sich um ein praktisch inertes Material, d. h. es ist beständig gegenüber vielen Chemikalien, wie z. B. Säuren, Basen, Alkoholen und Benzinen. Dementsprechend dient eine Beschichtung aus PTFE häufig als Korrosionsschutz gegen aggressive Substanzen. Ebenfalls eingesetzt wird PTFE als Antihaft-Beschichtung (z. B. von Töpfen oder Pfannen), in Funktionstextilien (Gore-Tex), als Dichtungsmaterial sowie im Chemieanlagenbau und in der Medizintechnik (Implantate). PTFE wurde in den 30er Jahren des letzen Jahrhunderts auf der Suche nach einem neuen Kältemittel für Kühlschränke entwickelt.


Polypropylen (Kunststoff):

Polypropylen (PP) ist ein thermoplastischer Kunststoff (Polymer), der durch Polymerisation aus der Kohlenwasserstoff- Verbindung Propen hergestellt wird. Polypropylen wird häufig im Laborbereich eingesetzt. Es ist beständig gegenüber fast allen organischen Lösungsmitteln und Fetten, sowie den meisten Säuren und Laugen.


Polycarbonat (Kunststoff):

Polycarbonat ist ein thermoplastischer Kunststoff (Polymer), der durch Veresterung von Kohlensäuren mit Diolen hergestellt wird. Polycarbonat wird zum Beispiel als Schutz der Datenschichten in CDs und DVDs eingesetzt, da es sehr kratz- und stoßfest ist. Es ist beständig gegen mineralische Säuren und die meisten unpolaren Lösemittel, allerdings z.B. nicht gegen Aceton.