WERKSTOFFE 9 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
2
9. NICHTEISENMETALLE
9.1. ALUMINIUM UND ALUMINIUMLEGIERUNGEN
9.2. KUPFER UND KUPFERLEGIERUNGEN
9.3. MAGNESIUM UND MAGNESIUMLEGIERUNGEN
9.4. TITAN UND TITANLEGIERUNGEN
WERKSTOFFE 9 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
3
Als Nichteisenmetalle („NE-Metalle“) werden alle Metalle außer Eisen
bezeichnet, sowie alle Legierungen, in denen Eisen nicht als Basiselement
enthalten ist bzw. der Anteil an Reineisen 50% nicht übersteigt.
Reinmetalle Edelmetalle
Schwermetalle
Leichtmetalle
Knetlegierungen
Gußlegierungen
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5
“Employ another metal instead of iron.” “Copper?” said Morgan.
“No! That would be too heavy. I have better than that to
offer.” “What then?” asked the major.
”Aluminium!” replied Barbicane. ”Aluminium?” cried his three
colleagues in chorus. “Unquestionably, my friends. This valuable
metal possesses the whiteness of silver, the indestructibility of
gold, the tenacity of iron, the fusibility of copper, the lightness
of glass. It is easily wrought, is very widely distributed, forming
the base of most of the rocks, is three times lighter than iron,
and seems to have been created for the express purpose of
furnishing us with the material for our projectile.”
JULES VERNES, From the Earth to the Moon (1865)
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13
Geschichte
Aluminium ist unter Berücksichtigung seiner Häufigkeit ein Metall
mit relativ kurzer Geschichte
erstmalige Erwähnung von Alaun in der Historia naturalis bei
PLINIUS d.Ä. (23-79) unter der lat. Bezeichnung alumen
1807: Versuche von H. DAVY zur Darstellung von Aluminium durch
Schmelzflußelektrolyse
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14
Geschichte
1825: Erstsynthese durch H.C. ØRSTED
1827: Reindarstellung durch F. WÖHLER
Al ist zu dieser Zeit teurer als Gold:
NAPOLEON III. pflegte mit seinem Hofstaat mit
Aluminiumbesteck von Aluminiumtellern zu
speisen (weniger angesehene Gäste mußten
sich ordinärem Gold und Silber begnügen!)
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15
Geschichte
1855: Weltausstellung in Paris – L‘Argent de l‘argile
1859: SAINTE-CLAIRE DEVILLE veröffentlicht erstes Verfahren zur tech-
nischen Darstellung von Al Preis sinkt um 90%
1886: C.M. HALL und P. HÉROULT veröffentlichen unab-
hängig voneinander Patente zur Schmelzflußelek-
trolyse von Al2O3
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1888: $ 10,40
1894: $ 1,64
1939: $ 0,40
16
Geschichte
1887: C.J. BAYER entwickelt Verfahren zur großtechnischen Dar-
stellung von Al2O3 aus Bauxit
1906: Entwicklung von Duraluminium durch A. WILM
1911: Eloxal-Verfahren
Preisentwicklung
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Geschichte
Einfluß der Verfahren von DEVILLE und HALL-HÉROULT auf den Al-Preis:
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Vor-kommen
dritthäufigstes Element in der Erdkruste (7,57 Gew.-%), häufigstes Metall
gediegene Vorkommen sehr selten, aber bekannt (RUS, CHN, AZE)
größte Menge in Form von Alumosilicaten (Tone, Gneise, Granite)
einziges wirtschaftlich bedeutendes Gestein ist Bauxit:
benannt nach Les Baux-de-Provence (Südfrankreich), bestehend aus:
Gibbsit, γ-Al(OH)3
Böhmit, γ-AlO(OH)
Diaspor, AlO(OH)
Hämatit, Fe2O3
Goethit, α-FeO(OH)
Kaolinit, Al2Si2O5(OH)4
Anatas, TiO2
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20
Vor-kommen
dotierte Korunde (α-Al2O3) als Schmucksteine:
Fe2+/Ti3+: blau
Fe3+: gelb/grün
V4+: violett
Cr3+: rot
Saphire Rubin
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Vor-kommen
Hauptförderländer:
Jahresförderung:
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Vor-kommen
Entwicklung des Aluminiumpreises in neuerer Zeit:
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Dar-stellung
Bauxitabbau
• Gewinnung von Al2O3
BAYER-Verfahren
• Schmelzflußelektrolyse von Al2O3
HALL-HÉROULT-Verfahren
Einzelschritte der Aluminium-Gewinnung
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Dar-stellung
Prozeßübersicht
Bauxit Aluminiumoxid Aluminium
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Dar-stellung
BAYER-Verfahren
Na[Al(OH)4]
KristallisationAl(OH)3
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Dar-stellung
BAYER-Verfahren
Aufschluß von Bauxit mit Natronlauge bei 7 bar und 180 °C:
Bauxit + NaOH Na[Al(OH)4] + Fe2O3 + TiO2 usw.
unlöslicher Rotschlamm ( Ga)
Verdünnung der Aluminatlauge mit folgender Kristallisation von Al(OH)3:
Na[Al(OH)4] ⇄ Al(OH)3↓ + NaOH
Brennen zu Al2O3 in Drehöfen/Wirbelschichtanlagen bei 1200-1300 °C:
2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O
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Dar-stellung
HALL-HÉROULT-Verfahren
Schmelzflußelektrolyse
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Dar-stellung
HALL-HÉROULT-Verfahren
Elektrolyse einer eutektischen Schmelze von 10% Al2O3 in
90% Kryolith (Senkung des Fp. von 2045 °C auf ca. 960 °C)
Elektrodenvorgänge:
Kathode: 4 Al3+ + 12 e- 4 Al Reduktion
Anode: 6 O2- 3 O2 + 12 e- Oxidation
Graphit-Elektroden reagieren mit O2 zu CO/CO2 regelmäßiger Ersatz
Summengleichung: 2 Al2O3 + 3 C 4 Al + 3 CO2
Reinheit: >99%
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30
Dar-stellung
HALL-HÉROULT-Verfahren
Pre-bake-Technologie: Anoden wer-
den separat hergestellt (emissions-
arm, 83% Verbreitung)
Anodenersatz
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Dar-stellung
HALL-HÉROULT-Verfahren
SÖDERBERG-Technologie: Anoden wer-
den während der Elektrolyse „ge-
backen“ (geringere Qualität)
Anodenersatz
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Dar-stellung
Ökobilanz Ökobilanz
Stoff- und Energiebilanz für die Erzeugung von 1 t Aluminium:
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33
Dar-stellung
Einsatz von Sekundäraluminium aus Recycling-Prozessen
Ökobilanz
360-800 kg Rotschlamm ( Deponie)
15700 kWh ( Wasserkraft)
Ökobilanz
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Eigen-schaften
13Al
Aluminium * Wegen der geringeren Dichte wiegen Al-Leitungen
nur halb so viel wie vergleichbare Cu-Leitungen!
physikalische Eigenschaften:
silberweißes Leichtmetall
Fp.: 660 °C, Kp.: 2467 °C
ϱ = 2,70 g cm-3
Kristallgitter: kfz, a = 405,0 pm
σ = 37,7 m Ω-1 mm-2 *
λ = 235 W m-1 K-1
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Eigen-schaften
chemische Eigenschaften:
Hauptgruppenelement (IIIa/13, Erdmetalle bzw. Bor-Gruppe)
Elektronenkonfiguration: [Ne] 3s2 3p1
Oxidationszahlen: (+I), +III
unedler Charakter: ε0 (Al/Al3+) = - 1,66 V
Passivierung an der Luft (Al2O3-Schicht, die durch anodische Oxida-
tion bis auf 0,02 mm verstärkt werden kann) Eloxal-Verfahren
Verbindungen nur des dreiwertigen Ions wichtig:
Korund (α-Al2O3) Zeolithe Alaun [KAl(SO4)2 12 H2O]
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38
Eigen-schaften
Entwicklung 1911 durch DE SAINT-MARTIN
Methode der Oberflächentechnik zur Erzeugung einer oxidischen Schutz-
schicht auf Al durch anodische Oxidation
kein galvanisches Überzugsverfahren (Aufbringen einer Schutzschicht), son-
dern Umwandlung der obersten Metallzone zum Oxid/Hydroxid
Schichtdicke: 5-25 µm (Vergleich: natürliche Schutzschicht einige nm!)
Vorbehandlung: Entfettung/Beizung (mit H2SO4/NaOH)
Eloxal-Verfahren elektrische Oxidation von Aluminium
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39
Eigen-schaften
Elektrodenvorgänge:
Kathode: 6 H3O+ + 6 e- 3 H2 + 6 H2O
Anode: 2 Al 2 Al3+ + 6 e-
2 Al3+ + 9 H2O Al2O3 + 6 H3O+
Gesamtreaktion: 2 Al + 3 H2O Al2O3 + 3 H2
Varianten: 1. Eintauchverfahren in ruhenden Bä-
dern
2. Spritzverfahren mit Elektrolytdüse
3. Durchlaufverfahren in ruhenden Bädern
Eloxal-Verfahren
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40
Eigen-schaften
Erzielung einwandfreier Schichten durch
homogenes Gefüge des Metalls: Ungleichmäßig-
keiten übertragen sich auf die Oberfläche
keine Fremdeinschlüsse ( Korrosion!)
Verschluß der Poren durch Pigmenteinlagerung
Härte der Schicht etwa 8-9
(MOHSsche Härteskala)
Eloxal-Verfahren
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41
Eigen-schaften
auch aluminothermisches Verfahren oder GOLDSCHMIDT-Verfah-
ren (1894)
technische Anwendung der hohen O-Affinität des Al zur Her-
stellung von Metallen, z.B. gemäß:
3 Fe3O4 + 8 Al 9 Fe + 4 Al2O3 + 3341 kJ
Einsatz u.a. beim Schienenschweißen:
Thermit-Verfahren
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43
Anwen-dungen
Einsatz von Aluminium:
Bauwesen (geringe Dichte)
Verpackungsindustrie (z.B. Getränke-/Konservendosen, aber auch im Ver-
bund, u.a. Tetrapak®)
Behälter- und Apparatebau/chemische Industrie
Elektrotechnik (gute Leitfähigkeit, spezifisch besser als Cu Hochspan-
nungsfreileitungen)
Elektronik (z.B. in Leiterbahnen integierter Schaltkreise)
Nahrungsmittelindustrie
…
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Legie-rungen
Legierungen
Knet-legierungen
Guß-legierungen
aushärtbar nicht
aushärtbar
EN 573
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46
Legie-rungen
Exkurs: Aushärten
wichtigste Möglichkeit der Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen
Grund: keine polymorphe Umwandlung bei Aluminium nicht durch Mar-
tensitbildung härtbar
WILM (1909): Entwicklung von Duraluminium (Aluminiumlegierung mit 4% Cu,
0,5% Mg und etwas Mn)
Abschrecken nach Glühen höhere Festigkeitswerte
Voraussetzungen für Aushärten:
Mischkristalle mit abnehmender Löslichkeit für eine Komponente für T
Auftreten einer intermetallischen Verbindung
Anwesenheit weiterer Elemente zur Stabilisierung des Festigkeitsanstiegs
eigtl..: Ausscheidungshärten, engl.: precipitation hardening
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47
Legie-rungen
Exkurs: Aushärten Vorgehensweise
Ausgangs-
gefüge
Lösungsglühen
homogener
Mischkristall
übersättigte,
feste Lösung
kaltausgehär-
tete Legierung
warmausgehär-
tete Legierung
Abschrecken
Auslagern
Auslagern
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Legie-rungen
Exkurs: Aushärten
Erwärmung in das Gebiet der α–Mischkristal-
le (unterhalb der eutektischen Temperatur)
vollständige Lösung von Cu (homogene
Mischkristalle)
Glühzeit: 10 min – 5 h
Lösungsglühen auch: Homogenisieren bzw. Diffusionsglühen
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49
Legie-rungen
Exkurs: Aushärten
Abschrecken
Abschrecken aus der Glühtemperatur (mit
Wasser)
Konservierung der Mischkristallphase, keine
Ausscheidung von Al2Cu möglich Übersät-
tigung an Cu
Anstieg der Festigkeit (35-50%), bei gleich-
zeitig guter Verformbarkeit
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50
Legie-rungen
Exkurs: Aushärten
Lagern der abgeschreckten Teile bei RT
instabiler Zustand strebt Gleichgewicht an
nachträgliche Ausscheidung von Cu
einphasige Entmischung führt zu Spannungsfeldern
im Gitter
erheblicher Anstieg von Härte, Zugfestigkeit &
Dehngrenze
Rückbildung: Erwärmung kaltausgehärteter WS Homogenisierung Än-
derung der Eigenschaftswerte auf Ausgangszustand
Kaltaushärten Bsp.: AlCuMg-Legierung
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Legie-rungen
Exkurs: Aushärten
Aushärten bei 120-180 °C (5 - 50 h)
einphasige Entmischung und Bildung ei-
ner zweiten Phase (Mg2Si)
intensiverer Anstieg von Härte, Zugfestig-
keit & Dehngrenze
Vorteile: kurze Behandlungsdauer & pro-
duktionstechnisch bessere Realisierbarkeit
Warmaushärten Bsp.: AlMgSi-Legierung
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52
Legie-rungen
Exkurs: Aushärten
Cave: optimale Haltetemperatur nicht überschrei-
ten, sonst rückläufige Veränderung der Eigenschaf-
ten
Festigkeitsabfall durch übermäßige Auslagerung:
„Überalterung“
Kombination mit Schweißen?
Warmaushärten
erst Schweißen, dann Aushärten (wegen Wärme-
einfluß!)
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Legie-rungen
Exkurs: Aushärten Knet- und Gußlegierungen
Knetl
egie
rungen
Gußle
gie
rungen
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55
Legie-rungen
AlMn/AlMg:
nicht aushärtbar, hervorragende Kaltver-
formbarkeit
bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit
AlCuMg:
warm- und kaltaushärtbar
Rm bis 450 MPa, Rp0,2 ≈ 240 MPa
AlZnMgCu:
aushärtbar
Rm ≈ 520 MPa (höchste Festigkeit aller Aluminiumlegierungen)
Legierungen Knetlegierungen
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56
Legie-rungen
AlMgSi:
Rm bis 450 MPa, Rp0,2 bis 240 MPa (warmaus-
gehärtet) bzw. 110 MPa (kaltausgehärtet)
gut korrosionsbeständig
AlZnMg:
aushärtbar
Rm bis 350 MPa
beständig gegen chemische Beanspruchung
Legierungen Knetlegierungen
geschmiedete PKW-Felge aus einer härtbaren AlMgSi-Knetlegierung
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57
Legie-rungen
eutektische AlSi-Legierungen:
ausgezeichnete Gießeigenschaften ( Her-
stellung auch dickwandiger Gußstücke)
gute Festigkeit
Einsatz bei dünnwandigen, druck- und flüssig-
keitsdichten Gußstücken im Maschinen- und
Gerätebau
Legierungen Gußlegierungen
Motorblock aus einer AlSi-Gußlegierung
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58
Legie-rungen
eutektische AlSiMg-Legierungen:
aushärtbar
Si : Gießeigenschaften
AlSiCu-Legierungen:
aushärtbar
Rp0,2 ≈ 200 MPa (ausgehärtet)
Legierungen Gußlegierungen
WERKSTOFFE 9 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
59
Legie-rungen
Knetlegierungen
Gußlegierungen
Bezeichnung
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63
Geschichte
Kupfer ist eines der ersten der Menschheit bekannten Metalle:
Funde einer ersten Verwendung vor etwa 9000 Jahren in
Çatalhöyük, einer frühsteinzeitlichen Siedlung in Südana-
tolien
um 4800 v.Chr.: Gebrauchsgegenstände aus Cu in Ägypten
um 4000 v.Chr.: Verwendung von Waffen/Werkzeuge aus
Cu in Ägypten
Verwendung als primitives Zahlungsmittel vor Einführung
der Goldmünzen um 3400 v.Chr.
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64
Geschichte
um 3500 v.Chr.: Gewinnung des Metalls durch Reduktion seiner Erze mit
Holzkohle im Mittleren Osten
um 3000 v.Chr.: Legierungen mit Zinn Bronze
3200 – 1160 v.Chr.: umfangreicher staatlicher Abbau von
Malachit/Azurit am Berg Sinai
um 2500 v.Chr.: 400 m lange Cu-Wasserleitung im Tempel
des SAHURÉ
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65
Geschichte
erstes Gebrauchsmetall der Menschheit:
Name leitet sich von aes cyprium (Erz aus Zypern), da die Römer es haupt-
sächlich von dort bezogen; später wurde daraus verkürzt cuprum ( Ele-
mentsymbol Cu).
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66
Kupfer besitzt eine enorme kulturevolutionäre Bedeutung für die Mensch-
heit Kupfer(stein)zeit im erweiterten Dreiperiodensystem:
• STEINZEIT (bis 7000 v.Chr.)
• KUPFERZEIT/KUPFERSTEINZEIT (8000-2200 v.Chr.)
• BRONZEZEIT (3000-1200 v.Chr.)
• EISENZEIT (1700-500 v.Chr.)
Geschichte
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67
Geschichte
ÖTZI DJ
Ötzi (um 3300 v.Chr.) trug ein
Kupferbeil (99% Cu) mit sich
bekanntester Vertreter der Kupferzeit:
WERKSTOFFE 9 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
69
Vor-kommen
Kupfer gehört mit einem Vorkommen (65 ppm) in der Erdkruste zu den mä-
ßig häufigen Elementen (etwa 25. Platz)
gediegene Vorkommen selten
wichtigste Erze:
Chalkopyrit (Gelbkupfererz), CuFeS2
Chalkosin (Graukupfererz), Cu2S
Cuprit (Rotkupfererz), Cu2O
Malachit, Cu2(OH)2CO3
WERKSTOFFE 9 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
70
Vor-kommen
je 20% der Weltvorräte liegen in Afrika (Sambia, Kongo, Namibia), Südame-
rika (Chile, Peru) und Nordamerika (USA, Kanada)
Hauptförderländer: Jahresförderung:
36%
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72
Kupferbergbau:
Abbau von eher mageren Erzen (ab 0,3% Cu) – Vergleich Fe: ab 20%
Tagebau (ca. 75%) – Untertagebau (ca. 25%)
terrassenförmiger Tagebau: größte Erzgruben der Welt (> 1 km2 Abbaufläche
bei Abbauteufen von meh-
reren 100 m!)
Vor-kommen
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74
Dar-stellung
Erzaufbereitung: Abtrennung der Cu-Erze von der Gangart
Zerkleinerung des Erzes in Erzbrechern und Mahlen der Bruchstücke zu Pul-
ver (Korngrößen um 100 µm)
Anreicherung zu Kupferkonzentraten durch Flotation
Erzkonzentrate mit 20-30% Cu-Gehalt
Cu-Erze
Gangart
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75
Dar-stellung
Übersicht der Verhüttungsmöglichkeiten:
ca. 17% ca. 83%
Primärkupfer-Synthese
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76
Dar-stellung
1. Schmelzen des Konzentrats zu Kupferstein (Gemisch aus Cu2S/FeS, bis
80% Cu) unter Zuschlag von SiO2 zur Schlackenbildung:
Röstarbeit: 6 CuFeS2 + 10 O2 3 Cu2S + 2 FeS + 2 Fe2O3 + 7 SO2
Schmelzarbeit: Fe2O3 + C + SiO2 Fe2SiO4 + CO
2. Konverterbetrieb: Verringerung des S- und Fe-Gehalts durch Einblasen
von Luft:
Schl.-blasen: 2 Cu2S + 2 FeS + 4 SiO2 + 9 O2 2 Cu2O + 4 Fe2SiO4 + 4 SO2
Garblasen: 2 Cu2O + Cu2S 6 Cu + SO2
Produkt: Rohkupfer/Blisterkupfer mit 98-99% Cu-Gehalt
Schmelzmetallurgie
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77
3. Raffination: Feuerraffination – elektrolytische Raffination
Ziel: selektive Oxidation der Verunreinigungen
Dar-stellung
Feuerraffination
• Oxidationsperiode: Beaufschlagung mit Flammen bei Luftüberschuß Verun-reinigungen schwimmen als Schlacke an der Badoberfläche und werden ab-gezogen
• Reduktionsperiode: Absenkung des O2-Gehaltes durch Zugabe von z.B. Erdgas
• Cu wird in einer Stranggußanlage zu Anoden vergossen
elektrolytische Raffination
• Anode: Anodenkupfer (300-450 kg)
• Kathode: Cu-Blech (130-160 kg)
• Elektrolyt: schwefelsaure, CuSO4-Lsg.
• Verhalten nach Spannungreihe: Ele-mente, die unedler sind als Cu, gehen in Lsg. (z.B. Zn → Zn2+ + 2e-); Elemente, die edler sind als Cu, gehen in den Anodenschlamm (z.B. Ag+ + e- → Ag)
Schmelzmetallurgie
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78
Dar-stellung
Schmelzmetallurgie Prozeßübersicht
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79
Dar-stellung
Teilrösten – Steinschmelzen – Konverterbetrieb
• Kombination von Schmelzen und Rösten in einem Arbeitsgang – Standardverfahren bei großen Kapazitäten
Schwebeschmelzverfahren (OUTOKUMPU-Verfahren)
• Direktverfahren: Vereinigung aller Verfahrensschritte
Badschmelzverfahren (MITSUBISHI-Verfahren/NORANDA-Prozeß)
Schmelzmetallurgie
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80
Dar-stellung
1. Auslaugung mit Schwefelsäure
Bldg. von CuSO4-Lsg.
2. Extraktion mit orga-
nischen Lösemitteln
3. Electrowinning
Electroextraction: electrodeposition of
metals from their ores that have been put
in solution or liquefied.
Cu ≈ 99,9% (aber H2-haltig)
Hydrometallurgie
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81
Dar-stellung
Entwicklung der Outokumpu Tec: elektrolysefreie Direktgewinnung von rei-
nem Cu aus sulfidischen Erzen
Hydrometallurgie HydroCopperTM-Verfahren
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82
Dar-stellung
Überblick über die chemischen
Reaktionen:
Hydrometallurgie HydroCopperTM-Verfahren
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83
Dar-stellung
Recyclingrate: nur 45% (!)
Cu-Bedarf ≫ möglicher Rückfluß an Sekundär-Cu, da Verwendung
von Cu in sehr langlebigen Produkten (ø 35 Jahre)
elektrolytische Raffination ermöglicht Recycling
ohne Qualitätseinbußen
Ökobilanz: 200 t Erz 1 t Cu
14 t Schrott 1 t Cu
Recycling Sekundärkupfer
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85
Eigen-schaften
29Cu
Kupfer
physikalische Eigenschaften:
lachsrotes Metall
Fp.: 1083 °C, Kp.: 2567 °C
ϱ = 8,96 g cm-3
Kristallgitter: kfz, a = 361,5 pm
elektr. Leitfähigkeit: σ = 59,1 m Ω-1 mm-2
Wärmeleitfähigkeit: λ = 401 W m-1 K-1
Rm = 200 - 400 MPa
Rp0,2 = 40 – 80 MPa
E-Modul: 12,5 GPa
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86
Eigen-schaften
chemische Eigenschaften:
Nebengruppenelement (Ib/11, sogenannte Münzmetalle)
Elektronenkonfiguration: [Ar] 3d10 4s1
Oxidationszahlen: (0), +I, +II, (+III, +IV)
(Halb-)Edelmetall: ε0 (Cu/Cu2+) = + 0,34 V
Passivierung an der Luft (durch Cu2O-Schicht)
Patina: basische Kupfercarbonate
Verbindungen nur des zweiwertigen Ions wichtig:
CuO CuSO4 · 5 H2O
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87
Eigen-schaften
mechanische Eigenschaften:
verhältnismäßig weiches, aber sehr zähes, schmied- und dehnbares Metall
weiches Cu: E-Modul: bis. 130 GPa, Rm ca. 200 MPa, A > 40%
bei Kaltverformung: Rm bis 320 MPa (allerdings A < 5%!)
reines Cu besitzt keinen warmspröden Bereich und läßt sich gut warm um-
formen, gleichzeitig versprödet Cu auch bei tiefen Temperaturen nicht
beachtliche Dauerfestigkeit
in Legierungen: Rm bis 1500 MPa (allerdings λ )
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Eigen-schaften
Verarbeitung:
Schmelzen: neutrale/oxidierende Schmelzführung (H2-Aufnahme vermei-
den!), Desoxidation nötig
Gießen: alle üblichen Form- und Gießverfahren geeignet
Wärmebehandlung: Entspannungsglühen bei
100-150 °C, Weichglühen bei 400-500 °C
spanlose Formgebung: sehr gute Umformung in
alle Halbzeugarten (Bleche, Bänder, Rohre, Stan-
gen usw.)
spanende Formgebung: schlechte Zerspanbarkeit (wg. hoher Zähigkeit und
großer Dehnung von unlegiertem Cu)
Schweißen, Kleben, Löten gut möglich
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Anwen-dungen
Hauptverwendungsbereiche des Kupfers:
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Anwen-dungen
Hauptverwendungsbereiche des Kupfers:
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Legie-rungen
Bronzen
Messinge
weitere Legierungen
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Legie-rungen
Bronzen Messinge
weitere Legierungen
Kupferlegierungen Produktion
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Legie-rungen
im warmgewalzten Zustand weich und gut dehn bar
hohe Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität Ein-
satz für elektrische Leitungen & im Maschinen- und
Anlagenbau für Kühl- und Wärmetauscherrohre
Kupferlegierungen Übersicht
unlegiertes Kupfer
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Legie-rungen
sehr zug- und verschleißfest & korrosionsbestän-
dig, gute Polierbarkeit
Verarbeitung zu Feinmechanikteilen, korrosions-
beständigen Schrauben & Federn sowie Armatu-
ren & Kleingeräteteilen
Kupferlegierungen Übersicht
Kupfer-Zink-Legierungen Messinge
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Legie-rungen
hohe Festigkeit und hoher Verschleißwiderstand
Einsatz in Schneckenrädern & Kontaktfedern
Kupferlegierungen Übersicht
Kupfer-Zinn-Legierungen Bronzen
Kupfer-Zinn-Zink-Legierungen
gut vergießbar, korrosionsbeständig, gut spanend be-
arbeitbar, gute Gleiteigenschaften
Einsatz in Armaturen- und Pumpengehäusen
Rotguß
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Legie-rungen
hohe Festigkeit, Zähigkeit & Korrosionsbeständigkeit (Meerwasser!)
Einsatz:Schiffbau, Anlagenbau für meerwasserführende Anlagenteile
Kupferlegierungen Übersicht
Kupfer-Aluminium-Legierungen
Kupfer-Nickel-Legierungen
federhart, elektrisch gut leitend, korrosionsbestän-
dig, silbrig glänzende Oberfläche
Verarbeitung zu federnden elektrischen Kontakten,
Schlüsseln, Armaturen & „Silbermünzen“
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Legie-rungen
Bronzen
„klassische“ Bronzen: Legierungen aus Cu und Sn
heute jedoch selten Zweistofflegierungen, sondern mit weiteren Legie-
rungskomponenten und Zusätzen versehen ( Bronze-Stammbaum)
Etymologie: Bronze nach Brundisium, dem lateinischen
Namen der süditalienischen Stadt Brindisi
Hochburg der Bronzeverarbeitung und des Handels mit
Bronze in der Antike
engl.: bronzes
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Legie-rungen
Bronzen
große kulturgeschichtliche Bedeutung ( Bronzezeit)
Bronze gilt als eine der ersten gezielt hergestellten Legierungen
Verwendung in vielen Kunstgegenständen
Sonnenwagen von Trundholm (um 1400 v. Chr.)
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Legie-rungen
„Bronze-Stammbaum“:
exemplarische Vertreter von Zwei- und Mehrstoffbronzen
Bronzen
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Legie-rungen
Unterscheidung in Knet- und Gußlegierungen:
Bronzen
Knetlegierungen bis 8,5% Sn
(Hyperzinnbronzen bis 17% Sn)
Gußlegierungen mit 9-12% Sn
(Glockenbronze mit 20% Sn)
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Legie-rungen
Zustandsschaubild Kupfer-Zinn:
vielfältige Phasen mit kristallo-
graphischer Ähnlichkeit
Bronzen
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Legie-rungen
Legierungskomponenten und deren Einfluß
Beimischung in geringen Mengen zur Desoxidation
Vermeidung der Bildung von SnO2 (ungünstige Einflüsse)
bis 0,4%: Schmelzführung , Gießbarkeit , Verfestigungsfähig-
keit , elektrische Leitfähigkeit , Warmverformbarkeit
15P
30Zn Beimischung in geringen Mengen zur Desoxidation
Verformbarkeit , elektrische Leitfähigkeit
bis 9% in CuSnZn-Gußlegierungen Rotguß
Bronzen Knetlegierungen
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Legie-rungen
82Pb bis 7% Pb: Fließvermögen , Korrosionsbeständigkeit , Zugfestig-
keit , Duktilität
Druckdichtigkeit (Besetzung eventuell entstehender Poren beim
Volumendefizit während des Erstarrens)
Pb ist unlöslich und liegt fein dispergiert im Gefüge vor ( Spanbar-
keit )
in Knetlegierungen bereits in geringen Mengen schädlich: Warm-
brüchigkeit bei Warmumformung
Bronzen
Legierungskomponenten und deren Einfluß
Gußlegierungen
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Legie-rungen
bis 2,5% Ni: Zähigkeit (bei gleichbleibender Festigkeit), Korro-
sionsbeständigkeit
in Knetlegierungen max. 0,3% Ni: Festigkeit , Härte
28Ni
26Fe Zugabe in geringen Mengen: Verfestigungsfähigkeit (in Knetlegie-
rungen), Bildung eines feineren Korns
Schmelzen/Gießen werden erschwert: Bildung einer zähen Schlak-
kenhaut
Bronzen Gußlegierungen
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Legie-rungen
Anwendungen:
gute Festigkeitseigenschaften
gute Leitfähigkeit für Wärme und Strom (bei geringen Sn-Anteilen)
sehr korrosionsbeständig, gute Beständigkeit gegenüber Seewasser, Chemi-
kalien und Industrieatmosphäre
gute Federeigenschaften, gute Biegbarkeit
Einsatz in Elektrotechnik/ Elektronik
Bronzen Knetlegierungen
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Legie-rungen
CuSn4: Federn, Schrauben, Rohre und Behälter der chemischen Industrie
CuSn6: hochbeanspruchte, verschleißfeste Federn im Maschinen und Uhren-
bau, Zahnräder, Schneckengetriebe
CuSn3Zn9/CuSn4Zn4Pb4: Steckverbindungen in Kraftfahrzeugen
Bronzen Knetlegierungen
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Legie-rungen
Anwendungen:
korrosionsbeständig, verschleißfest, meerwasserbeständig Einsatz in
Maschinen-, Schiff- und Automobilbau
CuSn10/CuSn11Ni2: Leit-, Lauf- und Schaufelräder von Pumpen und
Wasserturbinen
CuSn5Zn5Pb5: qualitativ hochwertige Ventile
und Armaturen, Sanitäranwendungen (Pb )
Bronzen Gußlegierungen
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Messinge
Legie-rungen
Messinge: Legierungen aus Cu und Zn
bedeutendste Legierungsgruppe innerhalb der Cu-Werk-
stoffe ( Messing-Stammbaum)
erste CuZn-Legierungen vor mehr als 4000 Jahren ( Ba-
bylon/Assyrien)
keine systematische Produktion, da in den verwendeten
offenen Öfen das Zink bei etwa 900 °C verdampft
Verhüttungsprozeß in geschlossenen Gefäßen (Galmei-
Verfahren, nach Galmei, ZnCO3, einem Zinkerz) hohe
Perfektion der Messingherstellung im Römischen Reich
engl.: brasses
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Messing-Stammbaum:
exemplarische Vertreter von Kalt- und Warmformmessing
Legie-rungen
Messinge
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Legie-rungen
Unterscheidung in Kalt- und Warmformmessinge:
Kaltformmessinge 5-37% Zn
(homogene Gefüge,
sogenannte a-Messinge)
Warmformmessinge bis 45% Zn
(heterogene Gefüge,
neben a- auch b-Phase)
außerdem Zerspanungsmessinge (Zusatz von Pb,
CuZn35Pb oder CuZn43Pb) und Gußmessinge
Messinge
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Legie-rungen
Zustandsschaubild Kupfer-Zink:
bis 37% Zn: α-Phase mit kfz-Gitter
37 - 46% Zn: Mischgefüge α-/β-Phase
46 - 50% Zn: β-Phase mit krz-Gitter
Messinge
α-Messing β-Messing
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Legie-rungen
82Pb Pb ist unlöslich und lagert sich an den Korngrenzen ab
Zerspanbarkeit , gute Warmumformbarkeit
13Al Festigkeit (durch Mischkristallhärtung ohne wesentliche Beein-
flussung des Warmformvermögens), Witterungsbeständigkeit ,
Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser
in Gußlegierungen: Festigkeit
Messinge
Legierungskomponenten und deren Einfluß
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Legie-rungen
50Sn bis 8% Sn löslich (bis 300 °C)
Korrosionsbeständigkeit
14Si Löslichkeit 0,5 - 4%
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften: Härte , Verschleiß-
widerstand (durch Bildung einer intermetallischen Phase Hete-
rogenisierung des Gefüges)
in Gußlegierungen: Festigkeit , Zerspanbarkeit
Messinge
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Legie-rungen
28Ni sehr gut löslich; 9 - 26%: Neusilber
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und des Formverän-
derungsvermögens
Korrosionsbeständigkeit
25Mn bis etwa 5% Mn
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
Korrosionsbeständigkeit
Messinge
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Legie-rungen
Anwendungen:
Einsatz im Maschinen-, Apparate-, Kraftwerks- und
Fahrzeugbau
Elektrotechnik: Klemmen, Steckverbindungen usw.
Schmuckwaren (Modeschmuck)
Haushalts- und Bedarfsartikel
Münzen
Nordisches Gold (CuZn5Al5Sn1)
Messinge
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Legie-rungen
weitere Legierungen
CuAl-Legierungen
CuNi-Legierungen
CuBe-Legierungen
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Legie-rungen
weitere Legierungen CuAl-Legierungen
einphasige Mischkristalle bei Aluminiumbronzen nur bis 8% Al möglich
Al > 8%:
Bildung einer β–Phase, die bei Abkühlung auf 565 °C mar-
tensitische Umwandlung durchläuft spröde Phase ver-
mindert Festigkeit & Dehnbarkeit
Zugabe weiterer Legierungselemente ( heterogene Ge-
füge):
Fe kornverfeinernd, festigkeitssteigernd
Ni Korrosionsbeständigkeit , Dauerschwingfestigkeit
Mn Warmfestigkeit
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Legie-rungen
weitere Legierungen CuAl-Legierungen
Eigenschaften:
verschleißfest, warmfest bis 400 °C
beständig gegen Seewasser, Korrosion, Verzunderung, Erosion & Kavita-
tion
Verwendung:
Schiffspropeller
Gleitelemente, Lager, Wellen,
Schrauben, Muttern, Bolzen
Schneckenräder, Zahnräder
Apparate in der chemischen Indu-
strie
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Legie-rungen
weitere Legierungen
CuAl-Knetlegierungen
CuAl-Gußlegierungen
CuAl-Legierungen