Werkstoffkunde für das Spenglereihandwerk Meisterkurs Teil 2 2... · 2008-11-26 · Da die Affinität von Al zu O2 größer ist, als die Affinität zu C, ist eine Reduktion mit

Werkstoffkundefür das

SpenglereihandwerkMeisterkurs

Teil 2

(Als Arbeitsbuch zum Unterricht)

Innung Spengler, Sanitär- und Heizungstechnik München

Meisterkurs 2006/ 2007 2

© Dipl.-Ing. (FH) T. Tiefenbacher, SSH-Innung München, 4. Auflage, 2006Gabrielenstraße 3, 80636 München

Email: [email protected]


Vorwort

Dieses Arbeitsbuch soll zur Unterrichtsunterstützung bei der Erarbeitung des immer umfangreicher werdenden Gebiets der Werkstoffkunde helfen und infolge als Nachschlagewerk für Lernende und Fachleute des Spenglereihandwerks zur kurzen Information dienen. Im breiten Feld der Werkstoffkunde können hier nur die wichtigsten grundsätzlichen Zusammenhänge gezeigt werden. Daher sollte auf alle Fälle zur weiteren Vertiefung die einschlägige Fachliteratur verwendet werden.Für weitere Vertiefung der Werkstoffkunde sind die umfangreichen Normen zur Werkstoffkunde, Werkstoffprüfung und Werkstoffverarbeitung einzusehen. Die Abbildungen sollen textsparende Anschaulichkeit bieten.

München, den 28. Dezember 2005

gez. Dipl.-Ing. (FH) T. Tiefenbacher


Inhaltsverzeichnis:

1. Aluminium................................................................................................... 052. Kupfer......................................................................................................... 093. Zinn............................................................................................................. 144. Zink............................................................................................................. 155. Blei.............................................................................................................. 166. Magnesium................................................................................................. 177. Titan............................................................................................................ 198. Silber, Gold................................................................................................. 229. Hartmetalle................................................................................................. 24

10. Keramik...................................................................................................... 2511. Kunststoffe.................................................................................................. 2812. Verbundwerkstoffe...................................................................................... 3713. Korrosion..................................................................................................... 3814. Beschichtete Bleche.................................................................................... 4615. Werkstoffverbindungen................................................................................ 4716. Literaturverzeichnis...................................................................................... 61


Aluminium

VDI-Nachrichten, 2003

Aluminium ist nach Eisen das am zweithäufigsten verwendete NE-Metall. Es ist in der Erdrinde (8%) in ausreichendem Maße vorhanden und zwar als Al2O3 (Tonerde) im Bauxit (enthält ca. 50% Tonerde). Abbau z.B. Les Baux, Südfrankreich. Bis 2005 wird das Leichtmetall mit 51% Anteil die Nase in der Motortechnik vollends vorn haben gegenüber Grauguss. Auslöser für diesen Trend ist das geringe Gewicht, das bei Motorblöcken aus Aluminium um 40-55% niedriger ausfällt als beim Grau-guss.Leichtmetallguss ist mit ca. 55% Spitzenreiter unter den Gießverfahren, dabei stellt Aluminium über 77% der deutschen Leichtmetall-Gußproduktion.

Aluminiumgewinnung:Bauxit: (Mineral mit 55- 65% Aluminiumoxid)

Sehr energieaufwendig: ca. 20 kWhelektrisch je 1kg Al.

(Zum Vergleich: recyceltes Al benötigt weniger als 10% dieser Energie als Wärme ohne Qualitätsverluste). Fast die Hälfte des deutschen Aluminiums ist recycled. (Am Bau bereits 85%)


Tonerdengewinnung

- Aufbereitung der Rohstoffe(zerkleinern, trocknen, pulverisieren)

- Zusatz von Natronlauge (NaOH)30-40 bar230-250°C⇒Natrium- Aluminatlauge

- Filterpressen von unlöslichen Stoffen wie Fe2O3, SiO2, TiO2(Rotschlamm)⇒Aluminium-Hydroxid Al(OH)3 (kristallförmig)

- BrennenReaktionsgleichung im Drehrohrofen2Al(OH)3 → Al2O3+ 3H2O

Schmelzelektrolyse

Elektrolyse mit Gleichstrom (5V zwischen Anode und Kathode)Schmelzpunkterniedrigung durch Zusatzstoffe (Na3AlF6) von 2060 auf 900...950°CZerlegung des Aluminiumoxids in Aluminium und Kohlendioxid (2Al2O3+3C→4Al + 3CO2)⇒ Reinaluminium 99,0- 99,95% z.B. Al99,95H (Hüttenaluminium)Durch weitere Elektrolyse erhält man Reinstaluminium mit 99,99% Al-Anteil z.B. Al99,99R

Schmelzpunkt: 658°CDichte : 2,7 kg/dm³ (vgl. Stahl 7,8)

Herstellung erfolgt in zwei Stufen:1. Tonerdengewinnung (Aluminiumoxid Al2O3)

2. Aluminiumerzeugung durch Schmelzelektrolyse

Da die Affinität von Al zu O2 größer ist, als die Affinität zu C, ist eine Reduktion mit C nicht möglich.Die Aluminiumherstellung hat ein Wachstum von gut 3% pro Jahr seit 1980.


Leichtmetall: Dichte=2,7 g/cm³Schmelzpunkt 658°CSilberweiß glänzende FarbeUnmagnetischWeich, dehnbar, gut formbarGute elektrische und thermische LeitfähigkeitSchweiß- und lötbarRekristallisationsglühen ca. 400°CWeichglühen ca. 350°CKorrosionsbeständig wegen festhaftender Oxidschicht (0,01μm; 1/100000mm; od. 25 Atomabstände)(bei Verletzung ersetzt sich Schicht von selbst)Durch eloxieren (in Chrom-, Oxal oder Schwefelsäure elektrisches Oxidieren) kann Korrosionsbeständigkeit weiter erhöht werden.⇒verstärken der Oxidschicht (15μm)Schmelzpunkt der Oxidschicht: ca. 2000°CNicht säure- und laugenbeständig⇒Aluminium nicht auf frischen Kalk- oder Zementmörtel verlegenZerstörung durch Kontaktkorrosion mit anderen Metallen (außer Zink)⇒ Zusammenbau mit Metallen gut überlegenVerpackung, elektrische Leiter

Reinaluminium (Eigenschaften)

Aluminium-Legierungen

Mangan-Legierungen (AlMn): Dächer und Verkleidungen, Behälter, Geräte;Festigkeit höher als bei Reinaluminium.EN AW-AlMn, AlMn1Mg1

Magnesium-Legierungen (AlMg): Architektur, Bootsteile;Korrosionsbeständig.EN AW-AlMg1 (C) , AlMg3Mn

Magnesium-Silizium-Legierungen(ALMgSi): Fahrzeugbau, Schiffbau;Gut schweißbar, kalt aushärtbar, kaltumformbar.EN AW-AlMgSi1 (seit 1918)

Kupfer-Legierungen (AlCuMg): Zahnräder, Pressbleche;Hohe Festigkeit, geringe Korrosionsbeständigkeit, kalt aushärtbar.„Duraluminium“ (seit 1906)EN AW-AlCuSiMg


Guss-Legierungen (G-Al...):EN AC-AlSi12(b): Allgemein und FahrzeugbauEN AC-AlMg5: Chemische IndustrieEN AC-AlCu4MgTi: Warm aushärtbar, hohe Festigkeit



Zink-Legierungen (AlZnMgCu): Flugzeugteile, Pressprofile;Höchste Festigkeit (bis Rm=740N/mm² kaltumformbar), geringe Korrosionsbeständig-keit, warm aushärtbar.EN AW-AlZn5Mg3Cu (seit 1930)


VDI-Nachrichten 06/2003

Kupfer

Kommt in der Erdrinde nur selten vor. Nach Eisen und neben Al die größte technische und wirtschaftliche Bedeutung.

Kupfergewinnung

Rohstoff für die Kupfergewinnung sind im wesentlichen drei Erze:- Kupferkies CuFeS2- Kupferglanz Cu2S- Rotkupfererz CuO2

Die Erze enthalten sehr wenig Kupfer (0,5- 8%)Anreicherung durch Flotation (die unterschiedliche Benetzbarkeit von Kupfermineralien wird ausgenutzt).


Flotation :In einer Wasser-Öl Mischung wird fein gemahlenes Erz verteilt.Bläst man Luft ein, lagern sich die Verunreinigungen am Boden ab, während sich die Kupferbestandteile als ölhaltig angereicherter Schlamm an der Oberfläche absetzen, und abgeschöpft werden können.

Etagenofen (Röstofen)Eisenoxidation: Durch Luftzufuhr wird Fe vom Cu getrennt, SO2 entweicht, und als Röstgut bleibt Cu2S, FeS und Fe2O3

SchachtofenBei der Reduktion im Schachtofen durch Zuschläge (Koks, Sand, Kalk, usw.) bildet sich eine Schlackeschicht (Fe2SiO4). Als Produkte bleiben Kupferstein (Cu2S und FeS)

KonverterIm Konverter wird Sand mit Kupferstein zu Rohkupfer (96 -98% Cu) verblasen. Als Rest bleibt Fe, S. Das entweichende SO2 wird zur Schwefelsäureherstellung (H2SO4) verwendet.

Flammofen :Durch Raffination im Flammofen wird das verunreinigte Rohkupfer gereinigt.Oxidation von S, Pb, Fe, Ni

PlattengießanlageDas sog. Garkupfer wird zu 2 -5 cm dicken Platten gegossen.

Elektrolyse

Die Kupferplatten dienen als Anode und werden in ein Elektrolytbad (Kupfersulfat) eingesetzt. Als Kathode dienen reine Kupferbleche (Gleichspannung 0,2 -0,35 V). Die Verunreinigungen (Fe, Ni) gehen in Lösung oder fallen als Schlamm am Boden aus.


Kupfereigenschaften

- rotfarbenes Schwermetall (Dichte: 8,9 kg/dm3)- weich, zäh- Schmelzpunkt 1083°C- gut formbar (Bruchdehnung 40%)- gute elektrische und thermische Leitfähigkeit

0,750310395410Therm. In W/m K

10-1510435963Elektr. In 106 S/m

GlasStahlGoldKupferSilberLeitfähigkeit

(Ausdehnung von 10m Cu-Profil bei 100KTemperaturunterschied 17mm)

- schweißbar- hart-/weichlötbar- feuerbeständig- salzsäurebeständig- beständig gegen die meisten Basen (nicht Ammoniak)

NICHT resistent gegen Ammoniak, Schwefel-, Salpeter- und Essigsäure (Bei Zersetzung von Speisen => Essigsäure)Kupfer + Essigsäure = giftiger Grünspan (CuII Acetat)PatinaAn Luft bildet sich eine Schutzschicht, Patina genannt:

Die Patina besteht primär aus einer schwarzen, recht dichten Cu2O-Schicht und sekundären grün-blauen Schichten aus Cu- Sulfat, -Carbonat, -Chlorid.

Die Patina besteht in• Landluft aus Kupfercarbonat CuCO3 (hellgrün)• Industrieluft aus Kupfersulfat• Seeluft aus Kupferchlorid

- schlecht spanbar (schmiert)- schlecht gießbar (zähflüssig) .- Zugfestigkeit 200 -350 N/mm2

Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung bei gleichzeitiger Bruchdehnungs-reduzierungRohre ausschließlich aus sauerstofffreiem Kupfer (SF-Cu) nach DIN 1786, RAL- Güte-zeichenweiche Rohre sind immer kalt umformbarharte (kaltgezogene) Rohre sind nur bis da = 18mm kalt umformbar→sonst mit Sandfüllung warm umformbar oder nach Weichglühen (650°C) kalt umformbar


KupferlegierungenLegierungen verbessern die Gießbarkeit und erhöhen die Festigkeit.Legierungsmetalle: Zn, Sn, AI, Ni, Pb

Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)- Die in der Technik am meisten angewandte Kupferlegierung.

- Mindestens 50% Kupfer- Zn verbessert die Gießbarkeit von Cu- Besser schweißbar- Gut zum Weich- und Hartlöten

Mit steigendem Zinkgehalt nimmt Festigkeit und Dehnung zu.Technisch verwendbar sind Legierungen mit einem Zinkgehalt bis 44%. Darüber hinaus tritt Versprödung auf

Beispiele:G-CuZn35: Kupfer-Zink-Gußlegierung

mit 35% Zink(Armaturen, Fittings)

CuZn30: Kupfer-Zink-Knetlegierung mit 30% Zink

Bronzen := Cu-Legierungen, mit mehr als 60% Cu, wobei Zn nicht den größten Legierungs-bestandteil darstellen darf.

Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinn-Bronze)

2 -15% Sn-Anteilkorrosionsbeständiger und verschleißfester als Messingsehr gute Gleiteigenschaften (Lagermetall)Beispiel: G-CuSn 14

Kupfer-Zinn-Zink Legierungen (Rotguß)Cu-Gehalt mind. 83%Beispiel: G-CuSn5ZnPb => je 5% Sn, Zn, Pbz.B. für Gleitlager, Federn

Kupfer-Aluminium-Legierungen (Aluminium-Bronze)Gegenüber Messing wesentlich höhere Festigkeit (Stahlersatz), große Zähigkeit und sehr korrosionsfest.Aber löten, schweißen und kalt verformen problematischBeispiel: CuAI18

z.B. Wellen, Schrauben, Getrieberäder


Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen (Neusilber)Ni-Anteil bis 26%Beispiel: CuNi12Zn24

Kupfer-Blei- und Kupfer-Blei-Zinn LegierungenLagermetalle mit besten Gleiteigenschaften

Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen:

- Hauptverbraucher ist mit über 50% die Elektroindustrie

- Apparatebau- Kühl-/Heizanlagen (Wärmetauscher, Kühl- und Heizschlangen)- Kochgeräte, Brauereipfannen, Kessel,

Destillationsapparate, Fassaden, Bedachungselemente, Kunstgegenstände


Zinn

ZinngewinnungDie Herstellung erfolgt über die Reduktion des Minerals Zinnstein SnO2

Eigenschaften

- silberweiß glänzendes Schwermetall (Dichte 7,3g/cm³)- Schmelzpunkt 232°C- Siedepunkt 2270°C- Weich, dehnbar- Gut verformbar (beim Biegen ist ein knirschendes Geräusch hörbar, der Zinnschrei⇒

Kristallreibung)- Gut schweiß-/ lötbar- Gut gießbar- Gut walzbar. Folien bis unter 0,01mm (Staniol)- Zinnpest, graues Pulver: Bei Abkühlung unter 13,2°C erfolgt eine irreversible Kristall-

gitterumwandlung (tetrag. raumz. Gitter ⇒kub. Diamantgitter). Diese Umwandlung erfolgt aber nicht bei Erwärmung.

- Ungiftig- Beständig gegen schwache Säuren und Laugen

Verwendung- über die Hälfte der Zinnproduktion dient zur Herstellung von Weißblech (verzinntes

Stahlblech) Lebensmittelverpackungen-Verzinnungsmaterial für Kupfer, Edelstahl- Legierung mit Blei im Lötzinn- Zinntuben, Zinnrohre- Legierungsmetall für Kupfer (Bronze) und Blei (Weichlot) und Silber (Hart-/Weichlot)


BilligNicht nahrungsmittelgeeignet

Zink

ZinkgewinnungZink wird als schwefelhaltiges Erz gefunden. Für die Zinkgewinnung wird vorwiegend Zinkblende (ZnS) als Erz verwendet.

Man unterscheidetFeinzink (zn99,95- Zn99,995) bei Raumtemperatur gut verformbar

undHüttenzink (Zn97,5- Zn99,5) Legierungszusatz, Farbherstellung, zur Verzinkung.

Eigenschaften

- blauweiß glänzendes Schwermetall (Dichte 7,1g/cm³)- Schmelzpunkt 418°C- Siedepunkt 906°C- Gut gießbar- Gut löt-/schweißbar (wegen niedrigem Siedepunkt kann Zink leicht verdampfen⇒

hochgiftiger Zinkoxidrauch)- Gut verformbar (Dachrinnen)- Bedeutendes Legierungselement für Kupfer (Messing)-Hohe Affinität (Verbindungseignung) zu Stahl ⇒Korrosionsschutz durch Feuer-

verzinken (450°C Zinkbad Eisblumenmuster)- Witterungsbeständig- Nicht säuren- und laugenbeständig (frischer Zement)- Hohe Kerbempfindlichkeit (keine Reißnadel)- Kaltsprödigkeit (Falzen, Kanten)

ZinklegierungenTitanzinkLegierung aus Feinzink und bis zu 0,2% Ti sowie ca. 1% Cu. Titanzink ist eine der wichtigsten Legierungen für Blecharbeiten am Bau.

Vorteile von Titanzink gegenüber Zink:

- 4 mal höhere Dauerstandfestigkeit (Dauerbelastung, auch durch Eigengewicht, hat ein „Kriechen“ zur Folge.Bsp.: alte Dachrinne hängt durch)

- geringere Kaltsprödigkeit 20°C⇒5°C- 2/3 der Wärmedehnung von Zink (20mm bei l=10m und ΔT=100K)- geringere Bruchempfindlichkeit (Walzrichtung beim Kanten unerheblich)- keine Versprödung beim Löten- Gütezeichen RAL-RG 681 beachten


Blei

BleigewinnungDas wichtigste Bleierz ist Bleiglanz (PbS)

Eigenschaften

- silberglänzendes Schwermetall (Dichte 11,3g/cm³)- Schmelztemperatur 327°C- Siedepunkt 1750°C (verdampft aber schon bei ca. 700°C in messbarem Umfang)- Hohe Wärmeausdehnung (10m Profil bei Δt=100K ⇒29mm)- Sehr weich- Gut formbar, gießbar- Gut löt-/schweißbar- Korrosionsbeständig- Säurebeständiges Metall

Verwendung

- säurefeste Auskleidungen und Behälter- Schutzmäntel um Kabel- Bleigläser, Bleifarben- Rohre für Abwässer und Säuren- Schwierig zu deckende Dachteile (Antennenanschl., Kamin....)- Industriebedachungen- Weichlote- Akkus- Strahlenschutz

Gesundheitliche Auswirkungen von Blei Es ist eines der vier Metalle, die die größte Gefahr für den Menschen darstellen. Der Mensch nimmt Blei über die Nahrung (65%), das Wasser (20%) und die Luft (15%) auf. Nahrung wie Früchte, Gemüse, Fleisch, Körner, Fisch, Meeresfrüchte, Limonaden und Wein enthalten oft bedenkliche Mengen an Blei. Auch im Zigarettenrauch kommt Blei in kleinen Konzentrationen vor.Blei erfüllt nach dem jetzigen Wissensstand keine Funktion im menschlichen Körper, sonder schädigt diesen nur.

Die Wirkungen von Blei sind:- Störung der Biosynthese von Hämoglobin und Anämie- Blutdruckanstieg- Nierenschäden- Fehl- und Frühgeburten- Schäden des Nervensystems, Hirnschäden- Verminderte Fruchtbarkeit bei Männern


Magnesium




Magnesium ist mit einem Antei von 1,9% der Erdrinde nach Al das am häufigsten vorkommende Leichtmetall. Seine Herstellung verläuft ähnlich wie bei Al in zwei Stufen.

Der größere Teil der Produktion geht in Hüttentechnik und Gießerei. Mg ist das leichteste technische Metall, Al ist um 50% schwerer. Rein-Mg wird wegen seiner Nachteile als Werkstoff kaum verwendet.

-Flüssiges Mg muß beim Gießen geschützt werden, um Entzündung zu vermeiden.-Mg ist wenig zäh und kriecht bei Belastung-Mg hat einen niedrigen E-Modul-Mg ist als unedles Metall stark korrosionsgefährdet.

Magnesium-Werkstoffe sind überwiegend die Legierungen, sie enthalten bis zu 10%. Rohstoffe für Magnesium sind:Meerwasser, Abraumsalze des Kalibergbaus und Dolomit. Bei der Aufbereitung entsteht MgCl2. Das Metall wird durch Schmelzflußelektrolyse des wasserfreien, geschmolzenen Chlorids gewonnen.

Verwendung des Rein-Mg:Reduktionsmittel für die Fe-Entschwefelung, Kugelgraphitguß-, Titan- und Zirkonherstellung und ist Bestandteil von Al-Legierungen.

Eigenschaften:-Dichte=1,74kg/dm³-Schmelztemperatur: 470°C-Umformbarkeit ab 300°C


Titan

0,6% der Erdrinde sind Titan und somit ist Titan das vierthäufigste Element.Sehr aufwendige Gewinnung aus dem Erz macht Titan teuer. Titan ist schwer umformbar, schwer spanbar.

Titan bildet bei Luft und Wasser eine stabile Oxidschicht.

Insgesamt rund die Hälfte des besonderen Werkstoffes gehen alljährlich in den militärischen wie zivilen Flugzeugbau. Auf immerhin 9% - das entspricht rund 25t –bringt es Titan auch im neuen Airbus Megaliner A380.

In der oxidischen Form (TiO2) ist Titan das wichtigste Weißpigment und wird als Füllmaterial sogar in der Zahnpasta benutzt.

Titandioxid in besonders effektiven Sonnenschutzmitteln eingesetzt, die nur 10 bis 15nm (milliardstel Meter) großen Partikel sind in dieser Form transparent, aber undurchlässig für die schädliche UV-Strahlung. Künstliche Hüftgelenke oder Sporttechnik.

Titan macht Weltraumraketen hitzebeständig, Flugzeugturbinen reißfest und federt seit Neuestem auch Autos (VW).

Titan ist leicht, hart, hitzebeständig und rostet nicht. Normaler Titanwerkstoff enthält 6% Aluminium und 4% Vanadium, z.B. für Turbolader oder Turbinenräder.

(Die komprimierte Luft am Turboladerausgang erreicht schnell die magischen 200°C, die Aluminium erweichen lassen).

Neues Verfahren zur leichteren Bearbeitung:Reinen Titanblock in einen Ofen und mit Wasserstoff fluten.Bei 600°C wandert der Wasserstoff in den Metallblock, bzw. in die Gitterlücken. Etwa 10mm tief dringt das gas pro Stunde in den Block ein. Zur Entfernung muss der Block wieder auf 600°C gebracht werden.

Verwendung

BohrerSchneidplattenUmformtechnik, Werkzeugbau



Seit der Jahreswende 2000/2001 und durch die Luftfahrtskrise des 11.September halbieren sich die Preise, z.B. bei Vormaterial aus der Standardlegierung Ti6Al4V, von 30€/kg auf rund 15€/kg.

Biegsame Brillengestelle aus Titan, medizinische Implantate, superleichte Golfschläger – teurer Titanschmuck und auch Raketentechnik.


GoldEigenschaften:-Dichte: 19,3 kg/dm³-Schmelztemperatur: 1062°C-Siedetemperatur: 2808°C-weich-gelbrot

Gold wird normalerweise in Schmucksachen legiert, um ihm mehr Stärke zu geben und die Bezeichnung "Karat" beschreibt die Menge des Goldgehaltes (24 Karat ist reines Gold). Es wird geschätzt, daß das gesamte Gold der Welt (in veredelter Form) einen einzelnen Würfel mit einer Seitenlänge von 60 ft (= 18,3 Meter) ausfüllen würde. Fein verteilt kann es in den Farben schwarz, karminrot oder lila vorkommen. Es ist das formbarste und biegsamste Metall. Aus einer Unze (28 g) Gold können bis zu 300 Quadratfuß heraus geschlagen werden. Es ist ein guter Wärme- und Elektrizitätsleiter. Die verbreitetsten Goldverbindungen sind Goldchlorid (AuCl3) und goldchlorige Säure (HAuCl4). Eine Mischung von einem Teil Salpetersäure mit drei Teilen Salzsäure nennt man "Königswasser" weil es den König der Metalle auflöst. 2/3 der weltweiten Goldversorgung kommt aus Südafrika und 2/3 der US Produktion kommt aus Southdakota und Nevada. Gold wird im Meerwasser gefunden, aber kein wirkungsvoller ökonomischer Prozeß ist bisher gefunden worden, um es von dieser Quelle zu extrahieren.

Gesundheitliche Auswirkungen von Gold Bei übermäßiger und ausgedehnter Inhalation von Goldstaub kommt es zu Entzündungen der Atemwege. Bei Einnahme/Verschlucken sind keine schädlichen Auswirkungen zu erwarten. Es können Entzündungen der Haut und Augen sowie allergische Reaktionen bei Kontakt mit Goldstaub auftreten.

Silber

Eigenschaften:-Dichte: 10,5kg/dm³-Schmelztemperatur: 962°C-Siedetemperatur: 2212°C

Vorkommen:-Ag2S Silberglanz-AgCl Hornsilber


Gesundheitliche Auswirkungen von SilberLösliche Silbersalze (besonders AgNO3) sind in Konzentrationen von bis zu 2g lebensgefährlich (0,070 Unze). Silberverbindungen können vom Körpergewebe aufgenommen werden, wodurch die Hautpigmente sich bläulich oder schwarz verfärben können (argiria). Wiederholter und längerer Kontakt mit der Haut kann allergische Hautentzündungen verursachen.

Das Einatmen hoher Konzentrationen von Dämpfen kann Übelkeit, Atembeschwerden, Kopfschmerzen oder Entzündungen der Atemwege verursachen. Extrem hohe Konzentrationen können zur Müdigkeit, Schwindel, Koordinationsverlust, Bewußtlosigkeit bis hin zum Koma oder Tod führen.

Silber ist mäßig giftig. (antibakterielle Wirkung)

Beim Verschlucken des Materials bzw. beim Erbrechen kann es zur Lungenentzündung kommen, welche tödlich enden kann.Folgende Effekte des Menschen sind als Ursache chronischer Erkrankungen durch Silber oder seiner Bestandteile anzunehmen:

- Herzrhythmusstörungen- Wiederholtes und verlängertes Ausgesetztsein gegenüber silberhaltigen

Lösungsmitteln kann zu dauerhaften Schäden des Gehirns und Nervensystemsführen.

Siler wird verwendet in Fotopapieren und der Röntgenfotografie. Nur 5% des geförderten Silbers lagert in Barren- oder Münzform in den jeweiligen Safes. Der Rest der zur Zeit 880 Mio. pro Jahr geförderten Unzen läuft in den Wirtschaftskreislauf. Allein 250 Mio. Unzen verbraucht die Schmuckbranche. In der Industrie ist die Elektro- und Elektronikbranche größter Abnehmer. Hier wird Silber in der Computerfertigung, vor allem aber zur Herstellung elektronischer Kontakte benötigt. Weitere wichtige Anwendungen sind die Löttechnik (lötlegierungen), die Chemie (Silberfolien) und Katalysatoren, zum Beispiel zum Reinigen von Wasser. Zum größten Teil wird Silber als Nebenprodukt anderer Rohstoffe gefördert. So wurden 32% des Silbers bei der Förderung von Blei und Zink und etwa 25% bei der Förderung von Kupfer gewonnen. Nur etwa 27% entstammen einer Statistik zufolge reinen Silberminen.


Platin

Eigenschaften:-Dichte: 21,5 kg/dm³-Schmelztemperatur: 1769°C-Siedetemperatur: 3830 °C- Chemisch sehr widerstandsfähig

Um ein Gramm Platin zu gewinnen, müssen zehn Tonnen Gestein gebrochen werden. Bei Gold sind es „nur“ drei Tonnen. Zudem muss das reine Edelmetall rafiniert werden. Zu dieser Platinfamilie gehören unter anderem Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium oder Iridium. Wegen seiner Festigkeit und wegen des geringen Abriebs verwendeten die Franzosen Platin, um aus ihm im Jahr 1795 das genormte Ein-Kilo-Gewicht zu erstelllen. In derjüngeren Vergangenheit profitierte Platin vor allen Dingen vom Autokatalysator und vom Dieselrußfilter. Während bei den Benzinern Platin durch das sehr viel biliigere Palladium ersetzt werden kann, geht das beim Diesel nicht. Ansonsten findet sich Platin überall dort, wo es absolut sauber zugehen muss. Korrosionsfreie Elektrokontakte werden ebenso aus dem weißen Edelmetall hergestellt, wie Herzschrittmacher oder Gehirnsonden. In der Zahnmedizin wird Goldzähnen Platin beigemischt, um die Beißfestigkeit zu erhöhen. Rhodiumwirkt in Platin und Paladiumlegierungen ffestigkeitssteigernd. Alle Metalle der Platinfamilie dienen in der Chemie als Katalysator. Palladium ist der „Weißmacher“ für Gold. Etwa ein Drittel des geförderten Platins wird für Schmuck verwendet.


HartmetalleHartmetalle gehören zur Gruppe der Verbundwerkstoffe

Herstellung von Hartmetallen (Pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff)

Hartmetalle sind Sinterwerkstoffe, die aus sprödharten, hochschmelzenden Metall-karbiden (Metall-Kohlenstoff-Verbindungen) wie Wolframkarbid (WC), Titankarbid (TiC), Molybdänkarbid (Mo2C), Vanadiumkarbid (VC), Chromkarbid (Cr3C2W), Tantalkarbid (TaC) und einem weichen Bindemittel, meist Kobalt (Co) bestehen.

Beispiel: Wolframkarbid und und Kobalt werden zu Pulver gemahlen und bei hohen Temperaturen (1600°C) und hohen Drücken (bis 3000bar) miteinander „verbacken“.

Eigenschaften

Gute Verträglichkeit für den menschlichen Körperverschleißfesttemperaturbeständig bis ca. 900°CDichte 7...15 g/cm³HartSpröde (wie Glas)Schlag-/ stoßempfindlichTitan stark, leicht und extrem korrosionsbeständig steht auf der Liste der Spezial-metalle ganz oben.


Keramiken

Keramiken gehören zu den nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffen. Sie besitzen ein meist heterogenes, polykristallines Gefüge, das gewisse amorphe (strukturlose) Anteile als bindende Phase aufweist. Der kristalline Anteil beträgt mindestens 30%.

Keramik findet bereits seit Jahrtausenden Anwendung in den verschiedensten Lebensbereichen des Menschen, wie z.B. Massenprodukte im Bauwesen, Sanitär-bereich und Haushalt. Neu ist der Einsatz von Keramiken als Hochleistungswerk-stoffe, die extremen mechanischen, elektrischen, thermischen und chemischen Anforderungen standhalten können. Bei diesen „neuen“ Hochleistungskeramiken handelt es sich überwiegend um Oxid- oder Nichtoxidkeramiken. Diese Verbindungen haben in der Regel sehr hohe Schmelzpunkte und eine hohe Härte. Als Hochleistungs-werkstoffe werden sie aber erst seit kurzem eingesetzt, da ihre Herstellung spezielle Technologien erfordert. Besonders wichtig ist die Einstellung einer gewissen Zähigkeit.

Herstellung

Alle Keramiken werden über die Sintertechnik hergestellt.

Dabei wird zuerst ein Pulver der jeweiligen chemischen Verbindung, wie z.B. Al2O3 (Aluminiumoxid), Si3N4 (Siliciumnitrid) oder BaTiO3 (Bariumtitanat) hergestellt. Ziel ist die Erzeugung möglichst feinkörniger Pulver (∅ <1µm) mit homogener chemischer Zusammensetzung und reproduzierbaren Eigenschaften. Für die unterschiedlichen Formgebungsverfahren müssen anschließend spezifische Formmassen bereitgestellt werden. Hierbei kann es sich um Aufschlämmungen für das Gießen, plastische Massen z.B. für das Strangpressen und Granulate bzw. Pulver für das Pressen handeln. Im Anschluss an die Masseaufbereitung erfolgt die Formgebung. Je nach Art der Formmasse kommen unterschiedliche Formgebungsverfahren (z.B. Trocken-pressen, Strangpressen, Spritzgießen, Nasspressen, Schlicker- und Folienguss) zur Anwendung. Das bei der Formgebung entstehende noch ungesinterte Teil bezeichnet man als Grünkörper.

Bei einem nachfolgenden Sintern bei hohen Temperaturen verbinden sich die Pulver unter allseitiger Schrumpfung zu einem dichten Werkstück mit endnaher oder sogar genauer Struktur.

Die endkonturnahe Herstellung (sog. Near-net-shape-production) stellt einen großen Vorteil der Keramiken gegenüber anderen Werkstoffen, wie Metallen, dar. Vorteilhaft sind darüber hinaus die hohe Temperaturbeständigkeit, die Oxidationsbeständigkeit und die mechanische Beständigkeit. Keramiken widerstehen vielen Chemikalien und haben ein niedriges spezifisches Gewicht. Die Verschleißbeständigkeit vieler Keramiken ist sehr gut. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit, verschiedene Ausgangs-pulver zu mischen und so die Eigenschaften dieser Pulver zu kombinieren. Damit können die Eigenschaften der Keramiken dem jeweiligen Einsatzfall in idealer Weise angepasstwerden.


Anwendungsbeispiele

Maschinenbau (Strukturkeramik)

Im Maschinenbau finden viele Keramiken Anwendung, die man in verschiedene Gruppen einteilt: oxidische, nichtoxidische und verstärkte Keramiken (mit Teilchen oder Fasern). Die im Maschinenbau wichtigsten Keramiken sind Aluminiumtitanat(Al2TiO5), Zirkonoxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumcarbid (SiC) und Sili-ciumnitrid (Si3N4). ZrO2 und Al2TiO5 finden Anwendung als Wärmedämmstoffe oder Beschichtungsstoffe für die thermische Isolation. Aus Al2O3, ZrO2 und SiCwerden bereits Fahrzeugteile hergestellt, wie z.B. Katalysatorenträger oder Aus-kleidungen des Abgassystems. Im Pumpen- und Armaturenbau finden Keramiken Anwendung als Gleitringe, Dichtscheiben, Düsen und Lager. Die gute Verschleiß-festigkeit der Keramiken wird in Ziehwerkzeugen sowie hochbelasteten Teilen in der Textilindustrie ausgenutzt.

Weiterhin werden Keramiken wie z.B. TiC, VC, WC, TiN als Schneidwerkzeuge eingesetzt. Sogar dünne Beschichtungen herkömmlicher Stahl-Schneidwerkzeuge mit Keramiken bewirken eine erhebliche Verlängerung der Standzeiten.

Elektrotechnik (Funktionskeramik)

Seit langem bekannt sind Keramiken in der Elektrotechnik als Isolatoren. Unter den neuen Keramiken befinden sich auch halb- oder sogar supraleitende Materialien, wodurch sich viele neue Anwendungsgebiete erschließen, z.B. als Substratkeramik (Unterlage für elektronische Schaltungen), Magnetwerkstoffe, Kondensatoren.

Entwicklung

Mit der Erschließung weiterer Anwendungsgebiete durch Keramiken ist zu rechnen. So wird z.B. intensiv daran gearbeitet, keramische Teile im Dieselmotor einzuführen, wodurch deutliche Gewichtseinsparungen bei längerer Lebensdauer möglich werden. Voraussetzung sind aber weitere Verbesserungen der Eigenschaften der Keramiken, insbesondere der Zähigkeit.



Silicium

Da die Siliciumverbindungen in so außerordentlich großen Mengen in der Natur zu finden sind, istder Mensch natürlich von alters her bestrebt gewesen, diese Vorkommen nützlich zu verwenden.

Säurefeste Eisenlegierungen für Laboratorien und Industrie

Eisenoxid, Siliciumdioxid und Kohle

Ferrosilicium

BaustoffTon, Kalkstein, Sand und KiesBeton

BaustoffTon, KalksteinZement

Schmieröle, Oberflächenschutzmittel, elektrisches Isolationsmaterial

Silicone

Gewöhliche und Dachziegel, KlinkerLehm

Badewannen, Spülbecken, Haushalts-Gebrauchsgeschirr, Chemische Geräte, Fliesen, Wasserleitungs-, Abzugsrohre

Gewöhnlicher Ton(bei weißen Produkten arm an Eisenoxid), Quarzsand, Kaolin, Kalkstein oder Feldspat

Porzellan, Geschirr, Chemische Geräte, Kunstgegenstände

Kaolin, Quarz und FeldspatTonwaren

Zum Schutz von Eisengeräten zum Undurchlässigmachen und Verschönern von Tonwaren

Enthalten außer der „Glasmasse“ noch „Trüb“- bzw. Farbstoffe

Emaille und Glasuren

Laborgeräte, Haushaltsgeräte zum Kochen und Backen

Soda, Kalkstein, Sand, zusätzlich: Bor-, Al-, Barium- und Mg-verbindungen

Jenaer - Glas

Für Linsen, Prismen usw. in der OptikPottasche, Mennige Pb3O4, Sand

Kali-Blei-Glas

Geschliffenen Glasgegenstände, chemische Geräte

Pottasche, Kalkstein, SandKali-Kalk-Glas

Fensterglas, Flaschenglas, SpiegelglasSoda, Kalkstein, SandNatron-Kalk-Glas

Chemische Geräte, Glas für Höhensonnen (ultraviolett-durchlässig)

QuarzQuarzglasGlas

Für Waschmittel und als Füllstoff für Seifen, Leimen von Papier, Herstellung von Klebemitteln, Konservieren von Eiern, Flammenschutzmittel

Alkalicarbonate mit Quarzsand zusammenschmelzen

Wasserglas

Adsorption von Dämpfen (z.B. Benzin, Äther, Alkohol aus der Luft von Fabriken) , Trocknen von Gasen, Reinigung von Flüssigkeiten, Katalytische Zwecke

Trocknen von Kieselgel aus Alkalisilicaten und Säure

Silicatgel

Herstellung von elektronischen Bauelementen (Halbleitertechnik)

Quarz durch Reduktion im Lichtbogenofen

Metallisches Silicium

Verwendung fürHergestellt ausSiliciumverbindung

Die Verwendung von Siliciumverbindungen


Kunststoffe

Kunststoffe sind synthetisch erzeugte, organische Werkstoffe. Sie bestehen mit Ausnahme der Silikone, aus Kohlenstoffverbindungen, die zu Makromolekülenzusammengelagert sind. Neben Kohlenstoff können sie Elemente wie Wasser-

stoff, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor und Fluor enthalten. Kunststoffe bzw. Gummi-Polyurethan werden für die Abdichtung von Flachdächern verwendet. In Deutsch-land allein 90 Mio. m² Flachdachflächen pro Jahr.


Herstellung

Hauptrohstoffe der Kunststoffherstellung sind Erdöl und Erdgas. Es werden drei Herstellungs-verfahren, die Polymerisation, die Polykondensation und die Poly-addition unterschieden.

Polymerisation

Bei der Polymerisation entstehen Makromoleküle durch Aneinanderreihung der ungesättigten Moleküle (Doppelbindung) einer einzigen Monomerart (z.B. Ethylen) unter Aufhebung der Doppelbindung. Es entstehen fadenförmige Makromoleküle. (PVC, PP, PS, PE, UP)Bsp.: Bildung von Polyethylen (PE) aus Ethylen


Polykondensation

Bei der Polykondensation verbinden sich gleiche oder verschiedenartige Monomer-moleküle zu Makromolekülen unter Abspaltung eines niedermolekularen Stoffes, wie z.B. Wasser H20, Ammoniak NH3 usw. Es entstehen engmaschig vernetzte Makro-molekülketten. (PA, PC, UF, PF, MF)

Bsp. : Polyesterharz

Polyaddition

Bei der Polyaddition verbinden sich verschieden-artige Monomermoleküle ohne Abspaltung eines Nebenprodukts zu Makromolekülen. Es entstehen eng- oder weitmaschig vernetzte Makromoleküle. (PUR, EP)Bsp. : Polyurethan


Einteilung der Kunststoffe

Kunststoffe werden entsprechend ihrer Struktur und ihrem mechanischem und thermischen Verhalten in drei Gruppen unterteilt:- Thermoplaste- Elastomere- Duroplaste


Eigenschaften von Kunststoffen

geringes Gewichtkorrosionsbeständigchemisch beständigIsolatorkerbempfindlichentflammbarspröde bei tiefen Temperaturengeringe Festigkeit bei hohen Temperaturen

Thermoplaste

Eigenschaften

fadenförmige Molekülstrukturbei Raumtemperatur glashartbei ca. 70°C elastisch formbar (gummiartig)beim Biegeprozeß muß nach der Umformung die Kraft bis zur Abkühlung aufrecht-erhalten bleiben, da sonst das Werkstück die ursprüngliche Lage einnimmt bei T > 150°C => teigig, plastischer BereichThermoplaste wie Polyethylen, Polyvinylchlorid oder Polystyrol werden bei Erwärmungweich und sind daher plastisch verformbar sowie schmelz- und schweißbar.

Umformen durch:Gießen, Spritzgießen


Extrudieren: Fleischwolf => Ringdüse => Rohr, Profil

Schäumen


Kalandrieren: Walzen

schweißbar in teigigem Zustand ( 150 -350°C)beliebig oft erwärmbarLängsdehnung ca. 10fache von Metall

Beispiele

Polyethylen (PE)schweißbarnicht klebbarhohe chem. BeständigkeitUnterteilung in HDPE (hohe Dichte, 0,95 g/cm3) und LDPE (niedere Dichte, 0,92 g/cm3)Anwendung: Apparate-, Behälter-, Rohrleitungsbau

Polypropylen (PP)kochfestgesundheitlich unbedenklichschweißbar, nicht klebbarAnwendung: HAT-Abwasserrohr, Verpackungsfolie


Polyvinylchlorid (PVC)UV-strahlenbeständigKleb- und schweißbarUnterteilung in hart und weich PVC (Weichmacher sind z.B. Phosphate)Anwendung Hart-PVC: Rohre, DachrinnenWeich-PVC: Schläuche, Kunstleder, Fußboden, Folien

Polystyrol (PS)hart, starrnicht beständig gegen Benzin, Aceton, Lackverdünnerdurch Aufschäumen mit Treibmittel ⇒ StyroporAnwendung: Wärme- und Schalldämmung

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)sehr hartklebbarAnwendung: HT-Rohr, Schutzhelme

Polyamid (PA)Nylon, Perlon

Teflon (PTFE)formbeständig bis 280°CAnwendung: Dichtung, Gleitwerkstoff

Plexiglas (PMMA)Anwendung: Lichtkuppeln, Brillenglas

Elastomere

weitmaschige Vernetzung der Fadenmolekülegummiartignicht erweichbar und nicht plastisch formbarnicht schmelz- und schweißbar

Anwendung: Gummidichtungen, Gipsbecher

Werden bei Temperaturerhöhung weich und elastisch, aber schmelzen nicht.Es sind vorwiegend amorphe, weitmaschig vernetzte Polymere. Dadurch sind sie formfest, aber elastisch stark verformbar. Zu den Elastomeren zählen das Polybutadienund zahlreiche andere Synthesekautschukprodukte.

Duroplasteengmaschiges Netzwerknicht schweißbarklebbarkein Einweichen, nur Zersetzung bei hohen Temperaturensteinhart


Beispiele:Polyesterharz (UP)Verwendung: Harz für Gfk, Cfk, Metallkleber, LackeEpoxidharz (EP)Verwendung: wie UPPhenolharz (PF)Verwendung: Bindemittel für HolzMelaminharz (MF), Harnstoffharz, (UF), Polyurethanharz (PUR), Silikonharz (SI)

Duroplaste, auch Thermodure genannt, sind Kunststoffe, die bei höheren Temperaturen weder erweichen noch schmelzen. Zu Ihnen gehören die Phenolharze wie das Bakelit, die Epoxidharze oder die Polyurethane.

Verarbeitung von Thermoplasten

Die Verarbeitung von Kunststoffen ist stark temperaturabhängig.

fester ZustandTrennen durch Zerspanen (wie Holz)Kaltfügen durch Schrauben, Nieten, Klemmen und KlebenKlebenstoffschlüssige Verbindung (erweichen)Vorbereitung: entgraten, reinigenGesundheitsschädliche DämpfeSchweißen mit Heißluft oder ElektrowärmeSchweißenNur Thermoplaste gleicher Dichte und chemischer ZusammensetzungWarmgasschweißen (Heizgasschweißen)Schweißstab und Grundwerkstoff werden erwärmt und im teigigen Zustand gefügtHeizelementschweißenDie zu verschweißenden Teile werden durch ein Heizelement erwärmt, und im teigigen Zustand zusammengedrücktReibschweißen (Drehmaschine⇒Rotation!)

Thermoplastischer ZustandUmformen durch Kanten, Biegen, Stauchen, usw.Krafteinwirkung bis zur AbkühlungPressen von Halbzeugen in Formen durch Stempel, Saug- und Druckluft

Plastischer ZustandStrangpressen („Extrudieren“) zu Stangen, Platten, Rohre;Walzen zu 0,1 bis 0,5mm dicken Folien;Aufblasen von Rohren zu Folien;Spritzgießen zu Formteilen;Schmelzspinnen zu Fäden


Verbundwerkstoffe

Die Herstellung von Verbundwerkstoffen ergibt eine Leistungssteigerung von Werkstoffen durch Aufaddierung der verschiedenen Materialeigenschaften. Es werden spezielle Carbon- bzw. Glasfaser gezüchtet, die wiederum soch von Vorteilen anderer Materialien ergänzen lassen.z.B. Spannbeton(selbes Temperaturverhalten: Stahl auf Zug, Beton auf Druck und Korrosionsschutz für Stahl)

VDI-Nachrichten 12/2003Boeing 7E7-Jet, Das E steht für „efficient“

Um 20% weniger Spritverbrauch entsprechen ungefähr einer Senkung der Betriebskosten um 10%. Erster Flug Anfang 2007.


KorrosionKorrosion ist die chemische, elektrochemische oder auch metallphysikalische Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umwelt, die zur Veränderung seiner Eigenschaften führt.

Metalle, die in der Natur als Erze mit Sauerstoff, Wasser, Schwefel usw. vorkommen, neigen zu Korrosion, weil bei der Verhüttung diese Verbindungen mit hohem Energieaufwand gelöst worden sind, und sie diesen Ausgangszustand wieder anstreben.

Je reiner Metalle in der Natur vorkommen (gediegene Metalle) desto korrosionsbeständiger sind die. z.B. Cu, Au, Ag, Pt.

Einflüsse auf Werkstoffe

Verluste durch Korrosionsschäden:- ein Drittel der Stahlerzeugung- BRD ca. 1 Mrd. €- Weltweit ca. 10 Mrd. $


Chemische Korrosion

-Chemische Korrosion entsteht bei der Reaktion von trockenem Luftsauerstoff(Luftfeuchtigkeit <65%) mit Metall.(z.B. auf Eisen bildet sich Rost. Bei dieser Verbindung tritt nach und nach eineVolumenzunahme auf. Die obere Schicht platzt ab und die Korrosion kann tiefergehen.)

-Hohe Temperaturen unterstützen die chemische Korrosion-Schützende Schicht bei verschiedenen Metallen, wie Cu, Al, Pb, Zn-Bsp. Schmieden⇒Zunderschicht, Härten⇒Anlaßfarben

-Untergeordnete Bedeutung

Elektrochemische Korrosion

Metalle gehen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten (Elektrolyten) in Lösung. Sie geben Elektronen ab, laden sich dadurch elektrisch auf, und verlieren ihre metallischen Eigenschaften. Dabei fließt ein Strom, dessen Spannung ein Maß für das Korrosionsverhalten ist.(z.B. Cu und Zn, sowie eine stromleitende Flüssigkeit (Elektrolyt) ergeben ein galvanisches Element.)Das in der Spannungsreihe unedlere Metall wird zerstört.

häufigste Korrosionsart

Elektrochemische Spannungsreihe


Galvanisches Element

Sauerstoffkorrosion

-Niederschlag (sauerstoffreicher Regen) beschleunigt Korrosion-Keine Langzeitaussage aufgrund der Elektronegativität möglich, weilverschiedene Metalle in Sekundenbruchteilen eine Deckschicht bilden, die vorweiterer Korrosion schützt.

-Bsp.: Eisen wird durch Regen angegriffenCu wird von Laugen angegriffen (Laugen OH-)-bei örtlich unterschiedlicher Belüftung von Metallflächen kann Korrosion auftreten

- Spalten- Falze- Gewinde

Durch eine Sauerstoffanreicherung entsteht eine Potentialdifferenz, die einen Stromfluß zur Folge hat. ⇒Korrosion


Bereich 1: Kathode, hohe O2-Konzentration

−− →++ OHeOHO 2221

22

Bereich 2: Anode, geringe O2-Konzentration

−+ +→ eFeFe 22

Bereich 3: Wassertropfen mit unterschiedlicher O2-Konzentration

Bereich 4: ( )22 2 OHFeOHFe →+ −+

Wasserstoffkorrosion

- säurehaltige Wasser ⇒Zn, Al, Stahl korrodiert- kohlensäurehaltige Wasser ⇒verzinkte Stahlrohre korrodieren- saurer Boden (Humus)⇒Erdleitungen korrodieren⇒Metalle, die ein geringeres Potential als Wasserstoff haben, lösen sich auf

Kontaktkorrosion

Anode: −+ +→ eFeFe 22

Kathode: −− →++ OHeOHO 2221

22 ( )22 2 OHFeOHFe →+ −+

- unterschiedliche Metalle berühren sich in einem Elektrolyt- das in der Spannungsreihe unedlere Metall wird zerstört


Bitumenkorrosion

Bitumenkorrosion wird durch Abbauprodukte des Bitumens hervorgerufen, die bei Bewitterung in erster Linie durch UV-Strahlung entsteht.Diese stark saueren Abbauprodukte sind wasserlöslich und bilden bei geringem Wasserfluß (Nebel, Tau) hohe Säurekonzentrationen, die die Metalle angreifen.

Angriffsformen der KorrosionEs gibt verschiedene Erscheinungsformen der Korrosion.

Flächenförmige Korrosion- gleichmäßiger Korrosionsangriff- konstante Dicke der KorrosionsschichtBsp.: Stahlträger, Fassaden

Lochkorrosion

- örtliche Anreicherung von Sauerstoff oder Salzen im Wasser- Kontaktelemente (Nieten, Schrauben)- Tiefe GrubenBsp.: Undichtigkeiten von Behälter und Rohren


Spannungsrisskorrosion- agressive Lösungen greifen spannungsbeauftragte Bauteile an- Haarrisse (meistens nicht sichtbar)- Interkristalline oder transkristalline Risse (Legierung)

Bild Interkristalline Korrosion

KorrosionsschutzKorrosion kann prinzipiell vermieden werden durch:- geeignete Werkstoffauswahl- Oberflächenschutz- Konstruktive Maßnahmen

Werkstoffauswahl (Legierungen)Auswahlkriterien sind:- Umwelteinflüsse- Chemische Eigenschaften- KostenAl, Cu, Pb, verzinkter Stahl, Edelstahl bilden eine witterungsbeständige Schutzschicht.

Anmerkung:Die Korrosionsbeständigkeit von Cr-Stählen beruht darauf, dass Cr bei ausreichendem Gehalt (>12%) eine extrem dünne, aber dichte Deckschicht- eine sogenannte Passivschicht- bildet, die sich wie ein edles Metall verhält und demgemäß den so legierten Stahl quasi den Charakter eines Edelmetalls verleiht.


Oberflächenschutzorganische Überzüge

- Öl- Fett- Farben- Bitumen- Kunststoffe

Auftragung erfolgt durch:- Streichen- Spritzen- Tauchen- Rollen

keramische Überzüge- Email (N⇒ sehr spröde)- Eloxal (elektrolytische Oxidation von Al in Schwefelsäure)

metallische ÜberzügeMetalle mit höherer Korrosionsbeständigkeit als das Grundmetall

z.B. bei Stahl:- Zn: anodischer Schutz (Opferanode)

Zinkschichten schützen, auch wenn sie beschädigt sind- Sn: kathodischer Schutz (Weißblech)

Metallische Überzüge, bei denen der Beschichtungswerkstoff edlerist, als der Grundwerkstoff (kathodischer Schutz) dürfen nichtbeschädigt werden.

Weitere Beschichtungswerkstoffe bei Stahl sind Pb, Cr und Ni.

Bsp.: Zinkschichtdicken


65 – 85450 – 600 1)Feuerverzinkungen nach DIN 50976

Ca. 21Ca. 32Ca. 42Ca. 70

Z 150Z 225 >Z 300 >Z 500 1) >

Feuerverzinkter Bandstahl

Ca. 13Ca. 20

Z 100Z 1501)

Galvalume

Ca. 14Ca. 20

Z 185Z 2551)

Galfan

Ca. 10Ca. 14Ca. 25

Z 140Z 200Z 350

Feuerverzinkte Bänder und Bleche aus allgemeinen Baustählen

Ca. 2,5Ca. 5,0

1836

Elektrolytische Verzinkungen (z.B. bei Schrauben)

Mittlere einseitige Zinkschicht (μm)

Zinkauflagebezeichnung (z.B. nach DIN)

Verzinkter Trägerwerkstoff

1)Auflagendicke bei bauaufsichtlich geregelten Einsatzbereichen

Konstruktive Maßnahmen

- Werkstoffkombinationen bedenkenNur Werkstoffe, die in der elektrochemischen Spannungsreihe nahe zusammenliegen, dürfen miteinander verbunden werden (außer als Opferanode)

- Wärmedämmstoffe vor Kondenswasser schützen- Fließrichtung/ Strömungsrichtung beachten

Immer von unedel nach edelBsp.: Al⇒Fe


Kathodischer Korrosionsschutz

Beschichtete BlecheWarum beschichtete Bleche?

Bei Sanierungen müssten alte schwache Dachstühle verändert werden, was zu erhöhten Kosten führen würde.Ruinen entwickeln sich dadurch, dass Wasser durch das Dach in das Haus eindringt und Dachstühle zum faulen bringt, Isolierungen zerstört und in Mauern und Ritzen eindringt.

Vergleich: Dachziegel (ca. 35-55kg/m²) – Dachplatten (ca. 2,3-2,6kg/m²) d.h. 5-10% einer herkömmlichen Dachdeckung.Das spart 90-95% Gewicht bei der Produktion, Lagerung, dem Transport und bei der Verlegung am Dach. Blechstärke 0,65mm gegenüber dem 20mal so dicken DachziegelAls Basis gilt z.B. ein Aluminiumkern, der mit einer Zinkschicht überzogen ist.

Vorteile: - Dauertemperaturbeständigkeit –30°C - +80°C

(Berglage: 35°C am Tag und –20°C in der Nacht)- keine Kontaminierung des Regenwassers- Extrem Bruchsicher- Keine braunen Roststellen- Kein dauerndes Anstreichen- Dächer können flacher gedeckt werden

(Sturmsicherheit, weniger Angriffsfläche 12° statt 20° Dachneigung)- beständig gegen sauren Regen, aggressive Luftverschmutzung

Bild Falzinc


WerkstoffverbindungenWenn Bauteile fertiggestellt werden, müssen oft Einzelteile miteinander verbunden werden. Das nennt man fügen.

Einteilung in kraft-, form- oder stoffschlüssig und in unlösbar und lösbar.

-Kraftschlüssige Verbindungen (Schrauben, Warmnieten, Aufschrumpfen, Verkeilen)

-Formschlüssige Verbindungen (Verstiften, Falzen, Kaltnieten, Paßfedern)

-Stoffschlüssige Verbindungen (Schweißen, Löten, Kleben)

-Lösbare Verbindungen lassen sich ohne Zerstörung der Bauteile undVerbindungselemente lösen.

Diese Bolzenverbindung kann ohne Zerstörung der Verbindungselemente oder Bauteile gelöst und wieder gefügt werden.


-Unlösbare Verbindungen sind nur durchZerstörung der Bauteile bzw. der Verbindungselemente zu lösen.

Nur durch Zerstörung des Verbindungselements oder der Bauteile lässt sich diese Nietverbindung lösen.

Schraubenverbindung

Die Schraubenverbindung ist eine lösbare, kraftschlüssige Verbindungsart. Sie funktioniert nach dem Prinzip der schiefen Ebene. Funktionsprinzip:Wir die Mutter einer Schraubverbindung angezogen, so werden die zu verbindenden Teile zusammengepresst.

Welche Kräfte treten nun an einem Punkt der Gewindeflanke auf?- FU Umfangskraft durch drehen mit dem Gabelschlüssel- FV Vorspannkraft wirkt längs der Schraubenachse- FR Reibungskraft zwischen Gewindeflanke und Mutter- FN Normalkraft wirkt senkrecht zur Gewindeflanke


Der Grenzwert α muß kleiner 15° sein, damit noch Selbsthemmung herrscht, d.h. dass sich die Schraube nicht selbstständig löst.

GewindeartenUnterscheidung nach der Funktionalität in - Befestigungsgewinde (Flansch, Rohr, Blech)- Bewegungsgewinde (Vorschubbewegung⇒Spindel)

Unterscheidung nach Gewindform- metrisches Gewinde

häufigstes GewindeFlankenwinkel 60°Bsp.: Befestigungsschrauben

- Whitworth- RohrgewindeRohrleitungsbauZollmaßsystemFlankenwinkel 55°

- TrapezgewindeFlankenwinkel 30°Axial hoch belastbarBsp.: Spindeln

- SägegewindeSehr hoch einseitige Axialkräfte übertragbarBsp.: Spindelpressen, Zerreißmaschinen

- RundgewindeSchmutzempfindlichBsp.: Glühbirnen


Werkstoffe von Schrauben und Muttern

Schrauben und Muttern sind entsprechend ihrem Einsatzzweck aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt.Schrauben aus Stahl werden durch zwei Kennzahlen, die am Kopfende angebracht sind, gekennzeichnet.Multipliziert man die erste Zahl mit 100 so erhält man die Mindestzugfestigkeit in N/mm².Multipliziert man das Produkt der beiden Zahlen mit 10 so ergibt dies die Mindeststreckgrenze in N/mm².

Bsp.: 8.8x y

festigkeitMindestzugx =•100hier 800N/mm²

zeStreckgrenyx =•• 10hier 640N/mm²

81281218102214Mindestdehnung in %

900640540480360400300320Streckgrenze in N/mm²

1000

800600600600500500400Mindestzugfestigkeit in N/mm²

10,9

8,86,96,86,65,85,64,8Kennzahlen

Schauben aus NE-Metallen und nichtrostenden Stählen werden nach gesonderten Vorschriften gekennzeichnet.


Schraubensicherungen

Kraftschlüssige Schraubensicherungen erzeugen große Reibungskräfte zwischen Schrauben und Mutter.z.B. Federring, Federscheibe, Gegenmutter, Zahnscheibe, Fächerscheibe.Formschlüssige Schraubensicherungen verhindern das Lösen der Schraubenverbindung durch ihre spezielle Form.Stoffschlüssige Schraubensicherungen wirken durch aufgetragenen Klebstoff.

Kronenmutter Drahtsicherung Sicherungsblech

Nietverbindungen

Nietverbindungen gehören zu den unlösbaren Verbindungen.-Kaltnieten ist eine formschlüssige Verbindung⇒ der Niet wird auf Abscherungbelastet

-Warmnieten ist eine kraftschlüssige Verbindung⇒der Niet wird auf Zug beansprucht


-Nietdurchmesser (Faustregel)

mmsmmD 250 −•=D= Nietdurchmessers= Dicke des dünnsten Bleches

-Nietschaftlänge (Faustformel)

dsL K •+•= 3,11,1 für Halbrundniet

dsL K •+•= 5,01,1 für Senkniet

L =NietschaftlängesK=Klemmlänge

-geeignete Werkstoffauswahl treffen, d.h. Korrosion und Wärmedehnung beachten

Nietformen und Anwendungsbeispiele

Halbrundniet

Senkniet

Linsensenkniet

Riemenniet

HohlnietFür einseitig zugängliche Nietlöcher geeignet. Der Schließkopf wird durch einen Dorn geformt.

Zum Verbinden weicher Materialien, wegen des großen Senkwinkels (Leder, Gummi)

Für Trittflächen geeignet, weil der Kopf wenig herausschaut.

Weniger belastbar als ein Halbrundniet. Nietkopf steht nicht hervor.

Aufgrund der großen Klemmwirkung für Verbindungen mit großer Festigkeit und Dichtigkeit geeignet.

AnwendungNietform


Stift-, Bolzen- und Federverbindung

Stift-, Bolzen- und Federverbindung gehören zu den lösbaren, formschlüssigen Verbindungen.

Stiftverbindung- Lagefixierung- Schrauben gegen Scherkräfte sichern- Überlastsicherung (Abscherung)- Zylinder-, Kegelstifte

Bolzenverbindung

-gelenkige Verbindung für große Zug-/ Druckkräfte

Federverbindung

- Übertragung von Drehmomenten- Paß-, Gleit-, Scheibenfedern


SchweißenSchweißverbindungen sind unlösbare stoffschlüssige Verbindungen.Es werden zwei Hauptgruppen des Schweißens unterschieden:

- Punktschweißen- Reibschweißen

- Gasschmelzschweißen- Lichtbogenschmelzschweißen- Metalllichtbogenschweißen

- Schutzgasschweißen- Elektronenstrahlschweißen

PreßschweißenDruck und Einwirkung von Wärme,bis der teigige Zustand des Werk-stückes erreicht ist.

SchmelzschweißenEinwirken von Wärme, bis der

schmelzflüssigeZustand des Werkstoffes erreicht ist.

Schweißen


Gebündelte Energie lässt die Funken sprühen: Laser erobern als flexible Werkzeuge immer mehr Einsatzbereiche, wie hier beim Schweißen von Blechen. Die Einsatzbereiche des Lasers sind Schneiden, Schweißen, Messen.


Löten

Beim Löten werden metallische Werkstoffe erwärmt und durch ein geschmolzenes Lot verbunden. Die Fügeteile bleiben im festen Zustand. Es entsteht eine unlösbare stoffschlüssige Verbindung.

Abgrenzung zum Schweißen:Vorteile:- Verbinden von unterschiedlichen metallischen Werkstoffen möglich- Die Arbeitstemperatur liegt unterhalb der Schmelztemperatur der zu verbindenden

Werkstoffe- kürzere Erwärmungszeit- geringerer Verzug- Gefügeumwandlungen und Wärmespannungen werden weitgehend vermieden

Nachteile:- geringere Festigkeit- geringere Temperaturbeständigkeit

Lötverfahren- Hartlöten: Arbeitstemperatur >450°- Weichlöten: Arbeitstemperatur<450° (Kolbenlöten)

Kriterium: - Werkstoff (Schmelzpunkt)- Erforderliche Festigkeit der Lötstelle


Schematische Darstellung der Verdrängung von Flussmittel durch geschmolzenes LotA Flussmittellösung liegt auf der oxidierten MetalloberflächeB Kochende Flussmittellösung entfernt den Oxidfilm (z.B. als Chlorid)C Blanke Metalloberfläche in Berührung mit dem geschmolzenen FlussmittelD Flüssiges Lot tritt anstelle des geschmolzenen FlussmittelsE Zinn reagiert mit dem Grundmetall unter LegierungsbildungF Lot erstarrt


Lötvorgang

-Reinigen der Verbindungsstellen Verunreinigungen wie Öl, Fett, Farbe, Schmutz, usw. müssen mit Verunreinigungen Feile, Stahlwolle oder Schmiergelpapier entfernt werden

-Flussmittel zugeben Flussmittel lösen Oxidschichten auf Metalloberflächen und verhindern die

Oxidationwährend des LötensNormung der Flussmittel:Beispiele:F – S W 11F für FlussmittelS für SchwermetalleW für Weichlöten11 Kennzahl für Flussmitteltyp (Lötwasser)F – L H 1F für FlußmittelL für LeichtmetalleH für Hartlöten1 Kennzahlen für Flußmitteltyp (Lötwasser)

-Werkstücke zusammenfügenDie Werkstücke werden so zusammengefügt, dass zwischen ihnen ein kleiner Spalt

verbleibt. Beim Löten muß das schmelzflüssige Lot infolge der Kapillarwirkung auch entgegen der Schwerkraft in den Spalt fließen.

Kapillarwirkung:Überwiegen bei Flüssigkeiten Adhäsionskräfte (Anziehungskräfte zweier verschiedenerKörper) gegenüber Kohäsionskräften (Anziehungskraft derMoleküle im Körper, Zusammenhalt), dann steigt die Flüssigkeit im Spaltbereich nach oben bis die Gewichts-kraft der Flüssigkeitssäule gleich der Differenz zwischen Adhäsions- und Kohäsionskraftist.⇒Je enger der Lötspalt, desto besser ist die Kapillarwirkung- Spaltlöten: 0,05mm<0,5mm (0,1mm ist optimal)- Fugenlöten: >0,5mm (Dichtigkeit, geringe Festigkeit)


- Werkstücke auf Arbeitstemperatur erwärmenDie Arbeitstemperatur ist die niedrigste Oberflächentemperatur, bei der das Lotbenetzen, fließen und am Grundwerkstoff binden kann

Flammlöten: Der Grundstoff wird mit der Flamme erwärmt (niemals das Lot erwärmen)

Kolbenlöten: Nur für Weichlöten geeignet

- Lot zugebenDurch Diffusionsvorgänge entsteht eine feste Verbindung zwischen Lot undGrundwerkstoff.Diffusion:Flüssiges Lot dringt durch Kapillarwirkung in den Spalt ein. Atome des Grundwerkstoffes lösen sich und vermischen sich mit den Atomen des Lotes. An der Grenzfläche entstehteine Legierungsschicht.⇒Je stärker die Legierungsbildung ist, um so höher ist die Festigkeit der Verbindung.


Lötstoffe:- Weichlote für Schwermetalle:

Sn-, Pb-Basis (niedrig schmelzende Metalle) + Zusätze wie Ag, Zn, Cu, Cd, P, Sb (Antimon)⇒Zusätze beeinflussen Eigenschaften wie Feuchtigkeit, Bindungsfähigkeit,

Fließverhalten und Schmelzbereich- Weichlote für Leichtmetalle

Zusammensetzung aus Sn, Cd, Zn und Al- Hartlote für Schwermetalle:

Zusammensetzung aus Cu, Zn und Ag⇒Zusätze von Sn, Cd, P und Si verbessern die Verarbeitungseigenschaften

- Cu-haltige Lote:für hochfeste, temperaturbeständige Verbindungen- Ag-haltige Lote: tiefe Arbeitstemperaturen, beschleunigt

Lötvorgang, verhindert Grobkornbildung- Cd-haltige Lote: tiefste Arbeitstemperaturen, aber giftig- P-haltige Lote:zum Löten von Cu-Werkstoffen,

ohne Flussmittelzugabe- Hartlote für Leichtmetalle

Legierungen aus Al, Sn, Ni, Cd und Si (Korrosionsgefahr bei hohem Schwermetallanteil)

- Lötverbindung erschütterungsfrei abkühlen lassen- Flussmittelrückstände entfernen

KlebenKleben ist ein Fügen von gleichen oder verschiedenen Stoffen mit Hilfe eines härtenden Klebers.

- begrenzte Festigkeit- große Verbindungsflächen

erforderlich- geringe Warmfestigkeit- geringe Alterungsbeständigkeit- teilweise lange Aushärtzeiten

erforderlich

- verbinden unterschiedlicher Werkstoffe möglich

- verbinden sehr dünner Werkstücke möglich

- keine Gefügeumwandlung- gleichmäßige Belastungsverteilung

(keine Spannungsspitzen)- korrosionsbeständige Verbindung

NachteileVorteile


Wirkungsweise einer Klebeverbindung

Spannungsverteilung

Beim Bau von Autos werden heute bereits bis zu 18kg Kleber verarbeitet. Bereits die Hälfte der Verbindungen in den Audi TT – Tourenwagen sind geklebt. Z.B. die beiden Aluminiumkühler in der vorderen Crashbox des Fahrzeugs werden mit Hilfe von „Scotch Weld“, einem zähelastischen Zweikomponenten-Klebstoff befestigt. Vorteil: Es müssen keine Löcher in den Rahmen gebohrt werden, was zu Stabilitätsverlusten führt.


Literaturverzeichnis

1. Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, 14. Auflage, Vieweg-Verlag2. Aufgabensammlung Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, 5.Auflage, Vieweg-

Verlag3. Skriptum für Werkstoffkunde, Prof. Stahl, Fachhochschule München4. Taschenbuch des Maschinenbaus, 5. Roloff /Matek Maschinenelemente, 5. Auflage, Vieweg-Verlag6. Roloff/ Matek Maschinenelemente Formelsammlung, 5.Auflage, Vieweg-Verlag7. Kunststoffe Werkstoffe unserer Zeit, 4. Auflage,

Arbeitsgemeinschaft Deutsche Kunststoff-Industrie (AKI)8. Einführung in die DIN-Normen, Klein9. Handwerk und Technik, Greven, Werkstoffkunde, Werkstoffprüfung10. Unterrichtsskriptum, Werkstoffkunde, Dipl.- Ing. (FH) Jürgen Mayer11. Werkstoffkunde- Die Gewinnung von Eisen und Stahl,

Reinhard Mohn GmbH1977, Auflage 1992

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Werkstoffkunde für das Spenglereihandwerk Meisterkurs Teil 2 2... · 2008-11-26 · Da die Affinität von Al zu O2 größer ist, als die Affinität zu C, ist eine Reduktion mit