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• für Schmuck, Münzen, Waffen, Werkzeug und Maschinen genutzt

• Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Magnetismus und thermische Eigenschaften wichtig bei Wahl des Metalls

• Variationsbreite der Eigenschaften, machen Metalle -Werkstoffe interessant

• Eigenschaften verändern: Durch Legieren (Mischen von Metallen), Glühen (Wärmebehandlung), mechanische Behandlungen, Neutronenbestrahlung wie elektrische Leitfähigkeit, Verformbarkeit, chemische Beständigkeit

• In Natur: reine Metalle eher selten

  • z. B. Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Aluminium (Al), etc.

• in der oxidierenden Atmosphäre: nicht stabil!

  • liegen meist als Oxide vor

• Stoff = Metall, wenn:

  • hohe elektrische Leitfähigkeit, nimmt mit steigender Temperatur ab

  • hohe thermische Leitfähigkeit -> Wärmeleitfähigkeit

  • plastische Verformbarkeit (Duktilität), auch bei niedrigen Temperaturen

  • metallischer Glanz (durch hoher Reflexionsfähigkeit für Licht)

  • Supraleitung und Ferromagnetismus

    Supraleiter: Materiale, dessen elektrischer Widerstand fällt auf Null, wenn bestimmte Temperatur unterschritten wird (Sprungtemperatur)

Grund für diese Eigenschaften sind:

• metallische Bindungen (Metallbindung)

• halten Atome des Metalls zusammen

• Außenelektronen: zwischen Ionen im Kristallgitter frei beweglich (delokalisiert)

  → Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes = negativ

  • Schwermetalle (Dichte > 5,0 g/cm3)

  • Leichtmetalle (Dichte < 5,0 g/cm3)

  • Edelmetalle korrosionsbeständig = dauerhaft chemisch stabil durch positives Standardpotenzial der Redoxpaare gegenüber der Wasserstoffelektrode

  • unedle Metalle negatives Standardpotenzial der Redoxpaare gegenüber der Wasserstoffelektrode → werden durch Atmosphäre oxidiert

  • Halbmetalle = stehen im Periodensystem zwischen Metallen & Nichtmetallen

    • kristalline Festkörper mit Bandlücke

      Bandlücke: energetischer Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband eines Festkörpers

    • Zuordnung teils schwierig

    • erfolgt bei Raumtemperatur unter Normaldruck

    • haben physikalische Zwischenrolle, da sie teils metallische & teils nichtmetallische Eigenschaften

    • können Modifikationen bilden

• Edelmetalle:

  Silber (Ag), Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Osmium (Os) Iridium (Ir),

  ( Quecksilber (Hg) )

• Unedle Metalle:

  Zink (Zn), Aluminium (Al), Natrium (Na), Kalium (K), Magnesium (Mg), Eisen (Fe)

• Halbmetalle:

  Bor (B), Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Phosphor (P), Germanium (Ge), Arsen (As), Selen (Se), Antimon (Sb), Tellur (Te), Astat (At).

• Metalle sind meist kristallin → dreidimensional strukturierte Atomanordnung = Kristallgitters

• 7 verschiedene Kristallsysteme

• 32 Kristallklassen (Punktgruppen)

  • nach Form z. B. pyramidal, trapezoedrisch, prismatisch, rhomboedrisch

• häufigste: kubisch raumzentriert, kubisch flächenzentriert, hexagonal

• Punktgruppen, die in vier Richtungen je eine dreizählige Dreh- oder Drehinversionsachse haben

  • a = b = c und α = β = γ = 90°

• Punktgruppen mit sechszähligen Dreh- oder Drehinversionsachse

  • a = b ≠ c und α = β = 90°, γ = 120°

• Eisen (Fe) in Erdkruste zweithäufigste Metall (nach Aluminium)

• Dichte: 7,87 g/cm3 Schwermetall

• Unedel: kommt gebunden in Oxiden, Sulfiden und Carbonaten vor

• Kaum in gediegener Form vorzufinden

  Gediegen: chemisch rein vorkommende Elemente. Z.B Gold / Silber

• Eisenerze:

  • Magneteisenstein (Fe3O4 , Magnetit)

  • Roteisenstein (Fe2O3 , Hämatit oder Eisenglanz)

  • Brauneisenstein (Fe2O3 · H2O, Limonit)

  • Spateisenstein (FeCO3 , Siderit)

  • Eisenkies (FeS2 , Pyrit)

  • Manganerze (z. B. Pyrolusit)

• oxidiert (rostet) bei Wasser Kontakt oder hoher Luftfeuchtigkeit

• beim Glühen an der Luft: dünne Oxidschicht aus Fe3O4 bildet sich

• geringe chemische Beständigkeit:

  • in Salzsäure/ verdünnter Schwefelsäure: löst sich komplett auf unter Bildung von Wasserstoff und Fe2+-Ionen

• Eisen (wie Chrom und Aluminium) vor korrosiven Angriffen schützen: durch Oxidschicht an Oberfläche (Passivierung)

  • Schutz vor konzentrierter Schwefelsäure & Salpetersäure und gegenüber Alkali- & Erdalkalilauge

  • wichtige Voraussetzung für Stahlbetonbau

• Eisen ist polymorph

  • kommt in drei Modifikationen vor,

  • Erscheinung abhängig von Bildungstemperatur und Druck

    • δ-Eisen (kristallisiert bei 1.536 °C kubisch raumzentriert),

    • γ-Eisen (kristallisiert bei 1.401 °C kubisch flächenzentriert)

    • α-Eisen (kristallisiert bei 911 °C kubisch raumzentriert)

• Kohlenstoffgehalt (C) > 2 %

• sehr spröde, erweicht beim Erhitzen sehr plötzlich → nicht walz- und schmiedbar

• deshalb nur als Gusseisen verwendet

• ca. 90 % des Roheisens werden in Stahl umgewandelt mit C-Gehalt von < 2 %

• hohe Druckfestigkeit von 500–1.100 N/mm2

• geringere Zugfestigkeit als Stahl: 100–400 N/mm2

• Bruchdehnung sehr gering: da es leicht brechend ist

• hoher Siliziumgehaltes → korrosionsbeständiger als Stahl

• Im Hochofen: wird Roheisen gewonnen, indem oxidisches Eisenerz mit Koks (Kohlenstoff) reduziert wird

  ~ Hochofen: ähnelt Schornstein, um durch den auftretenden Kamineffekt eine optimale Durchgasung aller zugeführten Stoffe zu gewährleisten.

  • wird über Gicht beschickt immer im Wechsel von Koks und Möller (Erz + Zuschläge)

  • Gangart soll während Schmelzprozesses verschlacken → Zuschlagstoffe werden zugesetzt

    ~ Gangart: alle begleitenden Minerale, die dem Erz entzogen werden sollen, um Roheisen zu extrahieren

  • Besteht Gangart aus sauren Komponenten wie Al2O3 oder SiO2, → basischer Zuschlag zugesetzt (Kalkstein, Dolomit, Löschkalk)

  • Bei CaO-haltigen Gangarten (=basische): saure Zuschläge eingesetzt (z.B. Feld- / Flussspat, Quarz & Tonschiefer (Tonerde- und kieselsäurehaltig)

  • Roheisen: enthält oft Rückstände der Erzreduktion:

    • 2,5–4 % Kohlenstoff, 0,5–3 % Silizium, 0,5–6 % Mangan, 0–2 % Phosphor, Schwefelspuren

  • Kohlenstoffgehalt verursacht: Verminderung der Zähigkeit & Ansteigen von Härte & Sprödheit

• Eintritt der Luft in Ofen: Koks wird zu CO oxidiert

  • entstehende Gas steigt auf & reduziert in folgender Erzschicht das Eisenoxid

  • oxidiert selbst wieder zu CO2

  • Dieser Vorgang der indirekten Reduktion läuft über mehrere Schichten Koks und Erz

  • bis Temperatur im oberen Bereich des Hochofens so weit abgesunken ist, dass die Reaktion stoppt

• Bei 500–900 °C: Kohlenmonoxid zerfällt, und Bildung von CO2 & Kohlenstoff

  • direkte Reduktion: Kohlenstoff kann das Eisenoxid reduzieren (im unteren heißen Bereich des Ofens)

  • Kohlenstoff löst sich im Eisen auf (d. h. Aufkohlung erfolgt, vermindert Schmelzpunkt des Eisens → verflüssigt sich)

• unterschiedliche Dichten d. flüssigem Roheisen (7,8 g/cm3) & Schlacke (2,6 g/cm3 )

  • können voneinander getrennt werden,

  • alle 45 - 90 Minuten = Abstichs

• Roheisen wird in Elektrolichtbogenöfen durch Recycling aus Schrott zurückgewonnen

• Unter Verwendung von Zuschlägen= ähnelt klassischem Verfahren im Hochofen, Energieverbrauch geringer

• Hochofenschlacke =

  Zusammensetzung:

  • 30–50 % Calciumoxid (CaO), 27–40 % Siliziumdioxid (SiO2 ), 5–15 % Aluminiumoxid (Al2O3) & Ein wenig Magnesiumoxid (MgO), Eisenoxid (FeO), Manganoxid (MnO) und Calciumsulfat (CaS)

• Bei langsamer Abkühlung: Kristallisation & Bildung v. feste Gemischen

  • Stückschlacke, Betonschlacke = Große Stücke → Schotter / Split (im Straßen- und Gleisbau)

  • Gussschlacke = Durch gießen in Formen → Schlackenpflastersteine

• Kühlt es schnell ab: (z. B. in Wasser): Kristallisation wird unterdrückt,

  • amorphe Schlacke (Hüttensand) → für Zement

  • Schaumschlacke /=Hüttenbims: Zugabe v. Unterschusse v. Wasser: geschäumtes Produkt

    • Bims: ein Gestein, das sehr viele große Poren aufweist. Diese entstehen durch Entgasung bzw. Aufschäumen der Gesteinsschmelze. Bims- stein entsteht in der Natur magmatisch.

      → Bims: hat wärmedämmende Eigenschaften verwendet für Leichtbeton

• Gichtgas: ein Abgas aus 25–30 Vol.-% Kohlenmonoxid → im Werk direkt wieder als Energieträger eingesetzt

• „Gusseisen“ = Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit ≥ 2,06 M.-% Kohlenstoff

  • ungeeignet für Warmformgebung (Walzen und Schmieden)

  • kann nur gegossen werden (sehr spröde ist)

  • enthält oft weitere Elemente zb. Silizium

• Gusseisen erster Schmelzung: direkt vom Hochofen →in Form gegossen

• Gusseisen zweiter Schmelzung: erzeugt durch Wiederaufschmelzung v. Roheisen & Eisenschrott, Gussbruch & evtl. Legierungszusätzen

• graues und weißes Gusseisen: Kohlenstoff scheidet sich unterschiedlich ab, je nach Abkühlungsgeschwindigkeit

• meliertes Gusseisen: Entstehen weiße UND graue Abscheidungen

• Kohlenstoff wird als Graphit ausgeschieden → entsteht ein graues Bruchgefüge

• Graphit bildet sich lamellenförmig aus → an den Graphitadern werden keine Zug- und Schubspannungen jedoch Druckspannungen übertragen

• Durch Kerbwirkung d. Lamellen entstehen Spannungsspitzen → verringerte Zugfestigkeit

• Eigenschaften: gut gießbar, verschleißfest, säurebeständig, Dämpfungsfähigkeit 4,3-x höher als Stahl

• Durch Legieren: Eigenschaften verbessern & anpassen

  → Anwendungsgebiete: Heizkörper, Zylinder und Kolben, Abwasserrohre, Kanalroste

• Entstehung: spez. Schmelzverfahren & Zusatz v. sehr wenig Magnesium oder Cer Cer: chemisches Element, zählt zu Metallen der seltenen Erden

• C-Gehalt v. ca. 3,7 M.-%.

  → deutlich geringere Kerbwirkung als Lamellengraphit → höhere Zugfestigkeit & kann besser verformt werden

• unempfindlicher gegen Korrosion, höherer Verschleißwiderstand

• Anwendungsgebiete: Armaturen, Zahnräder, Kurbelwellen, Werkzeuge

• Durch Tempern v. graphitfreien (weißen) Rohgusses bei 800–1.000 °C über mehrere Tage:

  → Gusseisen, das stahlähnliche Eigenschaften hat

• Durch Tempern: Carbide zerfallen & geben Temperkohle ab,

• Temperguss: hat Kohlenstoffgehalt von 2,3–3,4 M.-%

• weißer Temperguss (GJMW)

  → GJMW: Randentkohlung durch Glühen in oxidierenden Mitteln (z.b. Fe3O4)

  → Deutlich niedriger S- & Si-Gehalt

• schwarzem Temperguss (GJMB)

  → wird nicht entkohlend geglüht

  → Fe3C zerfällt bei hohen Temperaturen → Kohlenstoff wird als Temperkohle ausgeschieden

  → Bruchflächen sind dunkel gefärbt

• Eigenschaften: gute Formfüllbarkeit, durch Glühen entsteht Werkstoff

• Anwendung: bei kleinen Gussteilen zb: Beschlägen, Schlüsseln, Maschinenbau-elemente

• erhält sein Grundgefüge durch hohe Legierungsgehalte

  → von Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kupfer (Cu) oder Chromn (Cr).

• Graphit kann kugelig oder lamellar vorliegen

• Durch Legierung: wird Gusseisen unmagnetisch, korrosionsbeständig, verschleißfester

• Stahl = Eisenwerkstoff mit Kohlenstoffgehalt von ≤ 2 %

• Prozesse der Phasenumwandlungen von Gusseisen zu Stahl zu verstehen → Phasendiagramm Eisen-Kohlenstoff von entscheidender Bedeutung

• Oberhalb Linie ABCD (Liquiduskurve) = flüssige Phase

• unterhalb Linie AHJECF (Soliduskurve) = nur feste, kristalline Formen

• Für Stahl Herstellung ist Bereich von 0,02–1,3 % Kohlenstoff (C) wichtig

• Kohlenstoff kann in Eisenlegierungen in unterschiedlicher Form vorkommen.

• C ist gelöst im α-Mischkristall (Ferrit) und γ-Mischkristall (Austenit)

• C ist im Cementit (Fe3C) in Form von Graphitkristallen bzw. Eisencarbid

• Wenn Kohlenstoffgehalt nur bei 0,8 % → entsteht beim Abkühlen unter 723 °C:

  → Gefüge alternierender Schichten aus Ferrit & Cementit

• diese feste Mischung = lamellenartig aufgebaut, hat Perlmuttglanz = „Perlit“

• Wird glühende Stahl schnell in Wasser abgekühlt: keine Umwandlung d. γ-Mischkristalls in Ferrit und Cementit

• Umklappumwandlung = kubisch flächenzentrierte γ-Eisen wandelt sich in kubisch raumzentrierte Struktur um

  → Kohlenstoffverteilung d. Austenitgitters bleibt

  → innere Spannungen entstehen, Härte nimmt zu

  → dieses nadelige Gefüge = „Martensit“

  → Dieser Vorgang wird beim künstlichen Härten von Stahl genutzt

• gesamter Raffinationsprozess:

  → Begleitstoffe aus Eisen entfernen

  → Entkohlung: Kohlenstoffgehalt senken auf < 2%

  → Frischen: Oxidation der gelösten Bestandteile C, Si, Mn, und P im Sauerstoffblasverfahren

  → Entschwefelung: mit Calciumoxid

  → Desoxidation: Sauerstoff wird entfernt durch Al, Fe-Si-Legierungen oder Ca-Si-Legierungen

• drei verschiedene Verfahren:

• Sauerstoff entweder von oben, unten oder von beiden Seiten aufgeblasen wird.

• Wird auch von unten Sauerstoff eingeblasen: Schmelze besser durchmischt, gesamte Prozess kürzer

• Einbringen v. sauerstoffaffinen Elementen (Kalzium): Schwefelgehalt reduziert von 0,05 auf 0,001 %

  → Um Zähigkeit zu verbessern: in Dickenrichtung (senkrecht zur Walzrichtung)

  → beim Erstarren: führt Schwefel zur Bildung von Mangansulfid,

  → würde zu geringeren Zähigkeit in Walzrichtung führen

• „unberuhigt“: beim Erstarren verbindet sich Restsauerstoff zu Kohlenmonoxid (CO) → bringt Stahl zum „Kochen“

  → Im Kern werden unerwünschte Begleitelemente = Seigerungen angereichert (durch Entmischungsvorgänge)

• „beruhigt“: Stahl durch erstarrt Zugabe von Desoxidationsmitteln

  → es findet keine Seigerung statt

  ➢ unberuhigter (FU), beruhigter (FN), besonders beruhigter (FF) Stahl

Durch Wärmebehandlungen → können Festigkeitseigenschaften verändert werden

• Normalglühen: Stahl auf 20–40 Kelvin erwärmt → oberhalb der Linie G-S-K

  → dort > 60 Min. gehalten → an der Luft abgekühlt

  → gleichmäßiges feinkörniges Stahlgefüge entsteht

  → verhindert alterungsbedingte Versprödung

• Weichglühen: mehrstündige Erwärmung → bis dicht unter die Perlit-Linie P-S-K

  → körniger Zementit entsteht: in ferritischen Grundmasse

  → somit ein Stahl, besser kaltumformen und spanend bearbeiten lässt

• Spannungsarmglühen: mehrstündiges Erwärmen auf 550 - 650 °C

  → Dann sehr langsames Abkühlen

  → Eigenspannungen im Stahl werden so abgebaut: z. B. durch Kaltumformung oder ungleichmäßiges Abkühlen nach Schweißvorgang

• Stahl auf 40 bis 60 Kelvin erwärmt → oberhalb der Linie G-S-K

• dort gehalten, bis Umwandlung in Austenit erfolgt ist

• dann schnelles Abkühlen auf 300 °C

• hohe innere Gitterspannungen → höhere Festigkeit, Härte, Sprödigkeit = „Martensit“

• Nach Umwandlungshärtung: Stahl wieder auf 150 - 330 °C erwärmen = Anlassen

• Einige Kohlenstoffatome können aus d. Mitte herausdiffundieren

• hohen Spannungen und Martensit werden teilweise abgebaut →Stahl wird zäher

• Bei Erwärmung: Stahl nimmt verschiedene Anlassfarben an

  → entstehen durch Lichtbrechung an Oxidschichten:

  ▪ hellgelb ab 220 °C (Bohr- und Drehstähle, Federmesser)

  ▪ dunkelgelb ab 240 °C (Bohr- und Hobelstähle)

  ▪ brennrot ab 265 °C (Bohrer, Scheren, Meißel, Äxte, Hobel)

  ▪ purpurrot ab 275 °C (Bearbeitungsstähle und Tischmesser) ▪ violett ab 285 °C (Lochstempel, Meißel)

  ▪ dunkelblau ab 295 °C (Holzfräsen und -hobler, Säbelklingen) ▪ hellblau ab 315 °C (Federn, Holzsägen)

  ▪ grau ab 330 °C (Sensen)

• nach chemischer Zusammensetzung (unlegierte, legierte, nichtrostende Stähle)

• nach Hauptgüteklassen (Stahlguss, Betonstahl, Spannstahl)

• Härtungsbestandteil: Kohlenstoff, nur wenige Fremdelemente

• C-Gehalt < 0,6 M.-% = unlegierte Baustähle

• Stahl mit einem C-Gehalt von 0,3–1,6 M.-% wird als Werkzeugstahl bezeichnet.

• überschreiten Grenzwert für enthaltene Legierungselemente (Eisenbegleiter)

• Grenzwert auch nur 1 Element überschritten → Stahl gilt als legiert

• Grenze = insg. 5 % Legierungsbestandteile

• Nickel, Kohlenstoff, Cobalt, Mangan, Stickstoff:

  → führen zu austenitischem Stahl, durch Verschieben der γ/α-Umwandlungstemperatur

  → Austenitischer Stahl: mind. 8 % Nickel

• Chrom, Aluminium, Titan, Silizium, Molybdän Elemente:

  → führen zu ferritischem Stahl, durch Erhöhung der γ/α-Umwandlungstemperatur erhöhen

  → Ferritischer Stahl: in zwei Gruppen geteilt → 10,5 - 13 % Chrom & 17 % Chrom

  → austenitische & ferritische Stähle: korrosionsbeständig, d. h. nichtrostend

• Wirkung von Legierungselementen: Verringerung der Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff in α- und γ-Eisen → kritische Abkühlungsgeschwindigkeit reduziert

• enthalten mind. 10,5 % Chrom, max. 1,2 % Kohlenstoff

• hoher Chromanteil → Passivierungsreaktion mit Sauerstoff (oberflächliche Schutzschicht aus Chromoxiden bildet sich)

  → Schicht kann sich nach mechanischer Beschädigung wieder neu bilden

• Edelstähle: ferritische, austenitische, martensitische Stähle & hoher Chromgehalt mind. 10,5 %

• jeder in Form gegossener Stahl, der keiner weiteren Umformung mehr unterzogen wird

• hat nahezu kreisförmigen Querschnitt → führ Bewehrung von Beton

• nimmt Zug-, Scher- und Biegespannung auf

• erhöht die Drucktragfähigkeit

• Voraussetzung für gute Kraftübertragung zwischen Beton und Stahl: Rippung auf Oberfläche

• in Stäben: vollschweißbarer, hochduktiler Betonstahl

• Stabdurchmesser: 6–32 mm, Stablängen: betragen 12, 14, 15 m

• geschweißte Betonstahlmatten = Bewehrungen aus gekreuzten Stahlstäben.

  → Lagermatten (standardisiert & normalduktil, direkt lieferbar)

  → Designmatten (Länge, Breite, Stabdurchmesser und Stababstand variable, längere Lieferzeiten)

  → Vorratsmatten (standardisiert & normalduktil, kurze Lieferzeiten)

• für Spannbetonbau verwendet

• liegen lose in Hüllrohren

• werden im erhärteten und unbelasteten Beton gespannt → Druckkräfte werden in das Bauteil geleitet

  → so werden Biegezugspannungen aus Eigengewicht / Nutzlast unterdrückt

• müssen hohe Zugfestigkeit, Streckgrenze, Ermüdungsfestigkeit, Zähigkeit, Kriechgrenze, Korrosionswiderstand haben

• kaltgezogener Spannstahldraht (rund und glatt oder profiliert, 6–14 mm Durchmesser

• Spannstahllitzen (aus sieben kaltgezogenen glatten Einzeldrähten, 6,9–18,3 mm Durchmesser),

• Spannstabstahl (rund und glatt oder mit Gewinderippen, warmgewalzt, wärmebehandelt, gereckt und angelassen, 12,5–40 mm Durchmesser)

• vergüteter Spannstahldraht (rund und glatt oder gerippt, 6–14 mm Durchmesser)

• Nichteisenmetalle (NE-Metalle)

• alle Metalle mit Ausnahme des Eisens

• schwere NE-Metalle (Buntmetalle) wie Blei, Cobalt, Kupfer, Nickel, Zink oder Zinn

• leichte NE-Metallen (Leichtmetalle) wie Aluminium oder Magnesium

• Knetlegierungen = kalt- und/oder warmformbar

• Gusslegierungen = werden in Form gegossen

• bedeutendste Bleierz = Bleiglanz (PbS)

• abbauwürdige Lagerstätte hat einen Bleigehalt von mindestens 5 %

  → Durch Schwefelentzug erfolgt Umwandlung in Bleioxid

  → durch Reduktion mit Kohlenstoff entsteht Werkblei mit 95–98 % Pb

• Nach Raffination entstehen:

  → Feinblei (Herstellung von Akkumulatorenplatten, Bleimennige, Bleiweiß, Bleiglätte, Bleichbleche)

  (Blei)Mennige: ein leuchtendrotes Eisenpulver, als Pigment für Farben eingesetzt

  → Hüttenblei (Trinkwasserleitungen)

  → Umschmelzblei (Bleiwaren und Legierungen)

• Legierungselemente:

  → Antimon (Sb, Verbesserung von Härte und Festigkeit),

  → Kupfer (Cu, Verbesserung von Festigkeit und Korrosionswiderstand)

  → Zinn (Sb)

  • Legierungen verwendet für Auflagerplatten, Rohre, Kabelmäntel oder Bleidruckguss

• hohe Dichte von 11,3 kg/dm3

• niedrige Schmelztemperatur von 327 °C,

• weich & kaltem formbar

• absorbiert Schallwellen, Röntgenstrahlen, radioaktive Strahlung

• korrosionsbeständig an der Luft: Durch Bildung einer Schutzschicht aus Bleicarbonat ist das

• Gewalztes Bleiblech als Baustoff für:

  → Dächer, Abdeckungen, wasserdichte Sperrschichten verwendet

  → als Dampfsperre, im Reaktorbau, in Röntgenräumen als Strahlenschutz

• aus Zinnstein (SnO2) durch Reduktion gewonnen

• Dichte von 7,3 kg/dm3

• Sehr niedrige Schmelztemperatur von 232 °C

• sehr weich & dehnbar

• lässt sich löten

• korrosionsbeständig an der Luft, gegen schwache Säuren & Laugen

• kann zu Pulver zerfallen: Unter 13 °C („Zinnpest“)

  → β-Zinn wandelt sich dabei in grauschwarzes α-Zinn um

  → unterschiedliche Kristallstrukturen & Dichten = allotrope Umwandlung

  Allotropie: ein chemisches Element, das im gleichen Aggregatzustand in zwei oder mehr Strukturformen auftritt. unterscheiden sich physikalisch und in chemischen Reaktionen

• Zugabe von Legierungselementen (Antimon / Bismut) → diesen Effekt verhindern

• Verwendung: Rostschutzüberzug für Weißblech, Zinnrohre, Legierungsmetall für Bronze, Lötzinn

• Zinkproduktion wird verwendet:

  → zu 1/3 zur Herstellung von Messing (Zinkanteil bis zu 40 % in der Legierung)

  → zu 1/3 zur Feuerverzinkung von Stahl

➢ Primärzink:

• Gewinnung: durch Destillation / Reduktion aus Zinkerzen (Zinkspat, Zinkblende)

• in fünf Sorten eingeteilt:

  → Z1, Z2, Z3 (Feinzink,99,99 % Zn) verwendet für Anoden, elektrolytische Überzüge und Legierungen Z4 und Z5 (Hüttenzink, 98,5–99,5 % Zn) verwendet für Zinkblech , Verzinkungen

➢ Sekundärzink

• Gewinnung: aus Prozessrückständen der Zinkverarbeitung & recycelten Zinkwerkstoffen

• Dabei entstehen Sorten

  → ZSA (98,5 % Zn), ZS1 (98 % Zn), ZS2 (97,5 % Zn)

• verwendet sie zur Feuerverzinkung oder Herstellung von Zinkfarben

• Als Legierung:

  → Titanzink: aus ZS1 hergestellt,

  • Verwendung: als Titanzinkblech für Fassadenbekleidung, Eindeckung von Dächern, Dachrinnen, Regenfallrohren, im Bauwesen

  → Zink-Gusslegierungen mit Legierungselementen Al, Cu und Mg

  • Verwendung als z. B. Beschläge. Kupfer-Zink-Legierungen =Messing

  • Zn-Gehalt: 5–45 %. Zink

  • empfindlich gegen Säuren & Laugen

  • beiKupferkontakt→elektrolytischeKorrosion

  • An der Luft → auf Oberfläche bildet sich graublaue Schicht aus Zinkcarbonat

• Nickelerze: Ni-Magnetkies ((FeNi)S) & Garnierit ((Ni,Mg)6 (OH)8 (Si4O10)),

• Reduktion: in Flammöfen durchgeführt

• Dichte: 8,9 kg/dm3,

• Schmelzpunkt: 1.453 °C → sehr hoch

• schweißbar und gut zum bearbeiten

• warm bearbeiten: durch Walzen, Pressen, Schmieden

• Nickel ist in Atmosphäre und gegen Laugen korrosionsbeständig

• Reinnickel: im Bauwesen kaum verwendet

• Zum Korrosionsschutz: Als Schutzschicht / in Legierungen.

• Hüttennickel: mind. 98,5 % Ni

• Monelmetall enthält ca. 67 % Ni

→ sehr fest & wetterbeständig

→ verwendet für: Glasdachrahmen, Dachdeckungen (in tropischen Regionen)

• Gewinnung: aus Kupfererzen → Kupferkies (CuFeS2), Kupferglanz (Cu2S), Rotkupfererz (Cu2O)

  → Erze werden auf 20–30 % Cu aufkonzentriert

  → danach metallurgisch weiterverarbeitet→ Cu-Gehalt mind. 99,9 % nach elektrolytischer Raffination

• Reines Kupfer: rötlich glänzend

• Dichte von 8,9 kg/dm3

• hoher Schmelzpunkt bei 1.083 °C

• Kupfer: gut zu schmelzen und gießen, warm und kalt umformen, wärmebehandeln und löten

• Durch Legierungen: extreme Festigkeiten bis zu 1.500 N/mm2 erreichen

  → elektrische Leitfähigkeit sink stark

• 22 gegossene Kupfersorten (zb. Drahtbarren, Walzplatten, Rundblöcke, Blockmetalle)

• 35 Blockmetalle und 43 Gusswerkstoffe

• Hauptlegierungselemente: Zink, Zinn, Nickel und Aluminium, Blei und Mangan

• Kupfer-Knetlegierungen (kalt / warm verformbar, Verwendung für Bleche, Rohre)

• Kupfer-Gusslegierungen (Gussteile hergestellt im Sand-, Kokillen-, Schleuder-, Strang-, Druckguss, für Armaturen / Fittings).

  Kokille: spezielle wiederverwendbare Form für den Blockguss

• oft mit weiteren Legierungselementen wie Zn, Pb, Ni und Fe

• nicht magnetisch

• sehr korrosionsbeständig (auch in Meerwasser)

• härter als reines Kupfer

• Knetlegierungen: gut zum Schweißen während

• Gusslegierungen: gut spanend bearbeitbar

Gussbronze, Zinn teilweise durch Zink ersetzt = „gun metal“

• im Druckgussverfahren hergestellt

• = Kupfer-Zink-Legierung, Zn-Gehalt bis zu 45 %

• Mit Legierungselementen entstehen Sondermessinge (Legierungselemente: Al, Fe, Mn, Ni, Si , Sn)

• sehr korrosionsbeständig

• für Schmuck eingesetzt

• = Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung (aus bis zu 45 % Cu & bis zu 26 % Ni)

• in Gas- und Wasserinstallation, Heizungs- und Klimatechnik (Kupferrohre / Kupferble- che)

• Bleche & Bänder: für Dachabdeckungen und Entwässerung verwendet.

• vorwiegend phosphorarme, sauerstofffreie Kupfersorte Cu-DHP,

  • sehr gute Korrosionsbeständigkeit: an Luft, Meeresluft (hoher Salzgehalt), in industrieller Umgebung (hoher Schadstoffgehalt in Luft)

  • dunkle, später grüne schützende Patina bildet sich auf Oberfläche (zb. Grüne Kupferdächer bei Kirchen)

  • Cu-DHP beständig gegen Zement, Kalk, Gips, alkalische Lösungen und nichtoxidierende Säuren

• Aluminium ist mit 8 % nach Sauerstoff und Silizium dritthäufigste Element in der Erdkruste

• kommt nur chemisch gebunden vor

• als Ausgangsstoff: fast immer Bauxit = rötliches Sedimentgestein

• hieraus Aliminiumgewinnung in zwei Stufen:

➢ Stufe 1:

→ feinkörniges Bauxit → mit Natronlauge (NaOH) gemischt

→ bei 200 °C & 40 bar Druck → die Reaktion zu Al (OH)3 - im Autoklaven Autoklav: gasdicht verschließbarer Druckbehälter

→ Aus diesem Aluminiumhydroxid wird bei 1.200–1.300 °C Aluminiumoxid (Al2O3) gewonnen

➢ Stufe 2:

→ Hüttenaluminium wird hergestellt: durch Schmelzflusselektrolyse mit Al-Gehalt 99–99,9 %

→ Dazu: Al2O3 wird gelöst in einer Kryolithschmelze, bei 950 - 970 °C

→ Die verwendeten Stahlwannen: mit Kohle ausgekleidet = Minuspol

→ Kohle-Anoden werden Von oben in Schmelze getaucht = Pluspol

→ flüssiges Hüttenaluminium löst sich

• Herstellung von Reinstaluminium mit 99,995 % Al

• Primäraluminium = Hüttenaluminium

• ist Ausgangsstoff für die meisten Aluminiumerzeugnisse

  → als Rohmetall in Gießerei entgast

  → oder mit Legierungselementen versetzt

• daraus entstehen Al-Gusslegierungen erst in Formgießereien zu fertigen Gussstücken weiterverarbeitet werden

• Sekundäraluminium: wird geschmolzen aus Abfall der Al-Bearbeitung & Schrott

• können nur spanend bearbeitet werden

  → (Legierungselemente: Kupfer (Cu), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Titan (Ti))

• Al-Knetwerkstoffe: auch warm- und kalt formbar

  → (Legierungselemente: Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn) und Titan (Ti))

  → Für gute Gießbarkeit: bei Al-Guss-werkstoffen ist höher Anteil an Legierungselementen als bei Al-Knetwerkstoffen

• silbrig weiß

• niedrige Dichte von 2,7 kg/dm3

• Schmelzpunkt: 660 °C

• geringe Zugfestigkeit und Bruchdehnungseigenschaften

→ Al wird meist als Legierungen verwendet, dadurch Zugfestigkeit x7 höher

• Durch Kaltwalzen / Kaltziehen → Bruchdehnung nimmt stark ab

  → Durch Entfestigungsglühen → bei 200–250 °C steigt Bruchdehnung

  → Beim Lösungsglühen gehen Fremdatome von Legierungselementen im Mischkristall in Lösung. Durch plötzliches Abschrecken bleiben diese im Ungleichgewicht im Mischkristall in Lösung.

  → Reinaluminium wird gelagert: bei Raumtemperatur (Kaltauslagern) oder mäßig höher Temperatur (Warmauslagern)

  → Innerhalb v. 2 Tagen: Ausscheidung der festigkeitssteigernden Zweitphase

• Gewinnung: meist durch Schmelzflusselektrolyse aus Magnesit, Dolomit oder Karnallit

• Dichte: 2,74 kg/dm3 → das leichteste Metall

• Schmelzpunkt: 650 °C

• chemisches Verhalten: ähnlich wie Al, aber Mg hat geringere Härte

• lässt sich walzen & ziehen, ist schmied- & schweißbar

• Korrosionsbeständigkeit geringer als bei Al

• Unter Atmosphäreneinfluss: matte Oxidschicht entsteht auf Oberfläche (nur geringe Schutzwirkung)

• Lacküberzüge erhöhen Korrosionsschutz nach Oberflächenentfettung

• Kontakt zu Stahl / Kupfer vermeiden! → Mg elektrolytisch sehr empfindlich

• Im Bauwesen: Knetlegierungen & Gusslegierungen verwendet

• fast immer: Handelsnamen Magnewin und Elektron

• diese Magnesiumlegierungen: aus 90 % Mg, 8 % Al, 0,3 bis 0,5 % Mn , ein wenig Zn & Si

• Verwendung: als Bleche und Profile, für Geländer & Handläufe, Möbelbeschläge, Heizkörperverkleidungen,

Zubehör für Elektroinstallationen

• meist erschmolzen aus Ilmenit (FeTiO3)

• gut kaltverformbar und schmiedbar

• Hitze- und Korrosionsresistent

→ Oft in Luft- und Raumfahrt verwendet

• ähnliche Zugfestigkeit wie Stahl, aber 40 % leichter

• Dichte: 4,5 kg/dm3

• Schmelztemperatur: sehr hoch 1.727 °C

• Mit Titan legierter Stahl: sehr widerstandsfähig gegen Stöße & Schläge

• Auch gebraucht als ungiftiges Weißpigment Titandioxid (TiO2)

• Verwendung: Rohren, Blechen, Stangen