Einführung
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
3.1 Eigenschaften der Metalle
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
Welcher Metalarten gib es?
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).
Welcher Struktur haben Metalle?
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
Kubisch
Punktgruppen, die in vier Richtungen je eine dreizählige Dreh- oder Drehinversionsachse haben
a = b = c und α = β = γ = 90°
Hexagonal
Punktgruppen mit sechszähligen Dreh- oder Drehinversionsachse
a = b ≠ c und α = β = 90°, γ = 120°
3.2 Eisen und Stahl
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
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)
Eisen
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)
Roheisen
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 %
Gusseisen
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
Herstellung von Roheisen
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
Nebenprodukte
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
Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) nach DIN EN 1561
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
Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) nach DIN EN 1563
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
Temperguss (GJM) nach DIN EN 1562 klassifiziert
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
Austenitisches Gusseisen
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
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
Herstellung von Stahl
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
Frischen
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
Entschwefelung
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
Desoxidation
„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
Glühen
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
Härten auch Umwandlungshärten
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“
Vergüten
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)
Unterteilung v. Stähle nach DIN EN 10 020:
nach chemischer Zusammensetzung (unlegierte, legierte, nichtrostende Stähle)
nach Hauptgüteklassen (Stahlguss, Betonstahl, Spannstahl)
Unlegierte Stähle
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.
Legierte Stähle
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
Nichtrostende Stähle (Edelstahl)
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 %
Stahlguss
jeder in Form gegossener Stahl, der keiner weiteren Umformung mehr unterzogen wird
Betonstahl
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)
Spannstahl
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
in Deutschland zugelasse Spannstahl:
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)
3.3 NE-Metalle
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
Die wichtigsten NE-Metalle
Blei (Pb, zwei- und vierwertig)
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
Zinn (Sn, zwei- und vierwertig)
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
Zink (Zn, zweiwertig)
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
Nickel (Ni, zwei- und vierwertig)
• 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)
Kupfer (Cu, zwei- und einwertig)
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
Bronze = Kupfer-Zinn-Legierung,
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
Rotguss
Gussbronze, Zinn teilweise durch Zink ersetzt = „gun metal“
Messing
im Druckgussverfahren hergestellt
= Kupfer-Zink-Legierung, Zn-Gehalt bis zu 45 %
Mit Legierungselementen entstehen Sondermessinge (Legierungselemente: Al, Fe, Mn, Ni, Si , Sn)
Neusilber
sehr korrosionsbeständig
für Schmuck eingesetzt
= Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung (aus bis zu 45 % Cu & bis zu 26 % Ni)
Verwendung von Kupfer
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 (Al, dreiwertig)
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
In weiteren elektrolytischen Raffination
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
Al-Gusswerkstoffe
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
Reines Aluminium
• 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
Reinaluminium kann fester werden
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
Magnesium (Mg, zweiwertig)
• 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
Titan (Ti, zwei- und dreiwertig)
• 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
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