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Aushärtung Von Aluminiumlegierungen

Aushärtung von Aluminiumlegierungen

Die Ausscheidungshärtung ist eine Möglichkeit zum Erhöhen der Festigkeit metallischer Werkstoffe. Das Verfahren wird auch als Aushärten bezeichnet. Voraussetzung für das Aushärten ist, dass eine Legierung mit beschränkter Mischkristallbildung vorliegt, das heißt dass die Bestandteile der Legierung oberhalb einer Umwandlungstemperatur in das Metallgitter eingelagert (gelöst) sind und unterhalb dieser Temperatur nicht mehr ineinander lösbar sind. Wird so eine Legierung langsam von einer Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur abgekühlt, entmischen sich die Legierungsbestandteile und es entsteht ein Gemisch aus Kristalliten der Legierungsbestandteile. Zum Aushärten muss demgegenüber die Legierung abgeschreckt, d.h. so schnell abgekühlt werden, dass sich die Legierungsbestandteile nicht trennen können. Es liegt dann ein übersättigter Mischkristall vor. Ein Halbzeug das aus diesem Mischkristall besteht ist zunächst relativ weich und kann gut plastisch umgeformt werden. Das Aushärten erfolgt dann durch Diffusion der eingelagerten Legierungsbestandteile. Diese konzentrieren sich an bevorzugten Stellen im Gefüge und behindern dadurch die Versetzungsbewegung, wodurch sich die Festigkeit erhöht. Die Auslagerung kann entweder bei Raumtemperatur erfolgen, oder es wird eine spezielle Auslagerungsglühung durchgeführt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Ausscheidungshärtung ist das Aushärten von Aluminiumlegierungen. Notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzung für die Aushärtbarkeit einer Aluminiumlegierung ist, dass sie Kupfer, Magnesium, Silizium oder Zink enthält. Ein prominentes Beispiel für die Ausscheidungshärtung ist das Duraluminium, eine Legierung aus Aluminium, 4% Kupfer und 0,5% Magnesium. Die Lösungsglühung erfolgt bei 510°C. Nach dem Abschrecken kann das Material umgeformt werden. Im Gegensatz zu Stahl ist Duraluminium nach dem Abschrecken zunächst noch weich! Die Endfestigkeit wird durch Kaltauslagern oder Warmauslagern (eine Ausscheidungsglühung) erreicht. Ähnliche Vorgänge wie bei der Ausscheidungshärtung treten auch beim Altern und dem BH Effekt von Stahl auf. Weitere Möglichkeiten der Festigkeitserhöhung sind das Einlagern von Fremdatomen im Mischkristall, die Verfestigung durch Kaltumformung, die Kornfeinung sowie die diffusionslose Umwandlung (Umwandlungshärtung). Kategorie:Stoffeigenschaften ändern

Festigkeit

Festigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft, die beschreibt welchen Widerstand ein Werkstoff dem Versagen entgegensetzt. Je nach Werkstoff und Belastung kann das Versagen zum Beispiel ein Sprödbruch oder eine plastische Verformung sein. Zu unterscheiden ist die Festigkeit von der Härte. Bei der Festigkeit unterscheidet man zwischen den Begriffen der
- Zugfestigkeit
  - Formelzeichen: R_m
  - Einheitenzeichen: N/mm² (= MPa)
- und der Fließgrenze (Dehngrenze bzw. Streckgrenze)
  - Formelzeichen: R_p bzw. R_e
  - Einheitenzeichen: N/mm² (= MPa) Die Dehngrenze wird dabei einer bestimmten plastischen Verformung, z.B. 0,2%, zugeordnet. Man schreibt dann R_. Die (ausgeprägte) Streckgrenze spielt nur bei un- und niedriglegierten Stählen in bestimmten Wärmebehandlungszuständen eine Rolle, insbesondere bei Baustahl. In die mechanische Auslegung von Bauteilen fließt der Mindestwert bzw. gewährleistete Wert der Festigkeiten ein. Die Mindestzugfestigkeit liegt beispielsweise bei einem Stahl für den Stahlbau (S235JR - früher St37-2) welcher im Hausbau verwendung findet, je nach Qualität bei 370 N/mm². Seine Mindeststreckgrenze hingegen bei 235 N/mm². Würde man nun in einem Zugversuch eine Probe dieses Stahls, welche einen Querschnitt von 1 mm² hat, mit einer Kraft belasten, müsste diese bei mindestens 370 N liegen um die Probe zu zerreißen. 370 N entsprechen auf der Erde dem Gewicht einer Masse von 37,7 kg. Daraus kann geschlossen werden, dass beim Versuch, mit diesem Stahldraht eine Masse von 37,7 kg oder größer zu heben, ein Versagen des Werkstoffes nicht mehr ausgeschlossen werden kann. Aber auch bei geringeren Belastungen kann der Draht bleibend (plastisch) verformt werden. Da dies meistens nicht zugelassen wird, verwendet man bei der mechanischen Auslegung von Bauteilen häufig die Mindeststreckgrenze (Re). Dieser Wert beschreibt die Festigkeit eines Werkstoffs bis zur Grenze der elastischen Verformung. Das heißt bei einer Zugkraft Fz von 235 N auf eine Probe mit einem Querschnitt von 1 mm² dehnt sich diese Probe zwar, sie kehrt aber, ohne sich bleibend (plastisch) zu verformen, in ihren Ursprungszustand zurück. Hier lässt sich eine Masse von 23,955 kg (mit 235 N / 9,81 m/s²) ermitteln, mit deren Gewicht dieser Werkstoff im Zugversuch belastet werden kann, sich aber elastisch verhält. Aus Sicherheitsgründen werden die genannten Kennwerte in der technischen Anwendungen grundsätzlich noch durch einen Sicherheitsfaktor dividiert, der die Unsicherheiten bei der Beurteilung der Beanspruchung und die Streuung der Widerstandsgrößen berücksichtigt, aber auch vom möglichen Schaden bei Versagen des Bauteils abhängt. Im Stahlbau liegt der Sicherheitsfaktor unter guten Bedingungen bei 1,2 bis 1,5, in manchen Fällen sind aber auch Beiwerte im Bereich 3 bis 4 notwendig. Da die Kennwerte immer nur im einachsigen Zugversuch ermittelt werden, Bauteile aber oft mehrachsig beansprucht werden, gilt es, eine einachsige Vergleichsspannung zu ermitteln, die dann mit der bekannten Festigkeit verglichen werden kann. Hier haben sich vier sog. Festigkeitshypothesen etabliert, wobei die beiden erstgenannten am häufigsten angewandt werden:
- Hypothese der maximalen Schubspannung (Tresca)
- Gestaltänderungsenergiehypothese (von Mises)
- Hypothese der maximalen Normalspannung
- Hypothese der maximalen Dehnung Bei der Hypothese der maximalen Schubspannung lautet die Formel für die Berechnung der Vergleichsspannung \sigma_v = \sigma_I - \sigma_ für \sigma_I > \sigma_ > \sigma_ Bei der Gestaltänderungsenergiehypothese gilt \sigma_v = \sqrt Darin sind \sigma_,\sigma_,\sigma_ die Hauptspannungen. Die beiden anderen Hypothesen sind weniger bedeutend, sind aber bei nahezu hydrostatischen Spannungszuständen (d.h. in drei Achsen gleich großen Spannungen) genauer. Bei schwingungsbeanspruchten Bauteilen besteht ein Sonderfall. Man nennt ihn die Dauerschwingfestigkeit. Siehe auch: Zerreißlänge Kategorie:Festigkeitslehre Kategorie:Werkstoffeigenschaft ja:材料強度学

Werkstoff

Werkstoffe sind Arbeitsmittel rein stofflicher Natur, die in Produktionsprozessen als Arbeitsgegenstände weiter verarbeitet werden und in die jeweiligen Endprodukte eingehen. In der Regel handelt es sich dabei um Festkörper. Die Qualität und die Eigenschaften der Endprodukte oder Halbzeuge werden durch die Wahl mehr oder weniger geeigneter Werkstoffe entscheidend beeinflusst. Zur Sicherstellung der Güte (Qualität) werden Werkstoffe im Rahmen der Werkstoffprüfung geprüft.

Gliederung

In der heutigen Werkstoffkunde unterscheidet man im Allgemeinen fünf Werkstoffgruppen:
- Metalle (z. B. Eisen)
- Nichtmetalle (z. B. Graphit)
- organische Werkstoffe (z. B. Holz, Kunststoff)
- anorganische nichtmetallische Werkstoffe (z. B. Keramik, Glas)
- Halbleiter (z. B. Silizium) Darüberhinaus stellen die Verbundwerkstoffe eine Kombination aus Werkstoffen mehrerer Werkstoffgruppen dar. Eine weitere Einteilungsmöglichkeit unterscheidet nach:
- Konstruktions- bzw. Strukturwerkstoffe
- Funktionswerkstoffe
- Werkzeugwerkstoffe

Geschichte der Werkstoffe

Der Einsatz von Werkstoffen zieht sich bereits durch die gesamte Vorgeschichte der Menschheit. Das Material für einen Faustkeil (Stein) ist ein Werkstoff und ein Charakteristikum der Steinzeit. Im 8. Jahrtausend v. Chr. begann die technische Nutzung von Metallen. Zunächst wurde mit gediegenen (elementar vorkommenden) Metallen wie Gold, Silber und Kupfer gearbeitet. Der Gebrauchswert dieser Werkstoffe war jedoch noch zu gering, was zur Entdeckung und Herstellung der ersten Legierung, nämlich der Bronze, führte. Die Erschmelzung von Bronze setzt bereits einen vervollkommneten Bergbau für Kupfer- und Zinnerze voraus. Außerdem waren Verhüttungstechniken nötig. Die immer bessere Beherrschung dieser Technologien führten schließlich dazu, dass auch Eisen verhüttet werden konnte. Nach dem Dreiperiodensystem werden die jeweiligen Perioden nach den fortschrittlichsten eingesetzten Werkstoffen bezeichnet (siehe auch Hauptartikel Archäometallurgie). Parallel dazu wuchs mit der Entstehung von Siedlungen und Städten der Bedarf nach Werkstoffen für das Bauwesen (Stein, Holz), Hieb- und Stichwaffen, Münzen (Metalle) und Haushaltsgegenständen (z. B. Keramikgefäße, Glaskunst).

Wichtige Eigenschaften

Physikalische Werkstoffeigenschaften


- Härte
- Dichte
- Festigkeit
- Elastizität
- Plastizität

Technologische Werkstoffeigenschaften


- Wärmeleitfähigkeit
- Gießbarkeit
- Umformbarkeit
- Zerspanbarkeit

Siehe auch


- Portal Werkstoffe
- Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe
- Nanowerkstoffe

Weblinks


- [http://www.dgm.de Deutsche Gesellschaft für Materialkunde]
- [http://www.peterlutz.ch/lernen/werkstoff/werkstoffe/mgru1a.html Werkstoffe - Grundbegriffe] (von Peter Lutz)]
- [http://www.werkstoffinnovationen.de/ Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft - WING] ! Kategorie:Werkstoffkunde

Mischkristall

Als Mischkristall wird ein Kristall oder Kristallit bezeichnet, der aus mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen besteht, wobei die Fremd-Atome oder -Ionen statistisch verteilt sind. Diese können entweder in die Zwischengitterplätze eingelagert sein (Einlagerungsmischkristall oder interstitielle Lösung) oder ein Atom des anderen Elements ersetzen (Substitutionsmischkristall). In der Mineralogie wird der Begriff des Mischkristalls auch auf die Mischung verschiedener Minerale angewendet, wobei diese im einfachsten Fall zweier Minerale eine sogenannte Mischreihe ausbilden und sich die resultierenden Minerale wiederum zu bestimmten Teilen aus den Molekülen der Endglieder, also der beiden Ausgangsminerale, zusammengesetzt sind. Formal entspricht dies einem Substitutionsmischkristall, wie am Beispiel der Mischkristallreihe der Olivine ([Mg, Fe]2SiO4) mit den Endgliedern Forsterit (Mg2SiO4) und Fayalit (Fe2SiO4) deutlich wird. Hyalosiderit und Hortonolith stellen Minerale einer definierten Mischung zwischen beiden Endgliedern dar, also eine bestimmte Anzahl von SiO4-Molekülen mit entweder Eisen oder Aluminium als Zentralatom. Weitere wichtige Beispiele für Mischreihen sind die Feldspäte, Pyroxene oder Amphibole.

Beispiele


- Austenit
- Ferrit

Siehe auch


- Kristall
- Kristallsystem Kategorie:Kristallographie Kategorie:Chemie Kategorie:Mineralogie Kategorie:Metallurgie

Kristallit

Kristallite sind Kristalle, die die eigentliche Kristallform nicht oder nur teilweise abzeichnen. Kristallite entstehen, wenn Kristalle in einer Schmelze erstarren, in der sie von umliegenden Kristallen am freien Wachstum gehindert werden. Sie erstarren zu einem polykristallinen Gefüge mit einer sehr kleinen und kaum wahrnehmbaren Korngröße und werden daher oft mit amorphen Feststoffen wie Glas verwechselt. Kategorie:Kristallographie

Übersättigung

Die Übersättigung eines thermodynamischen Systems bzw. einer Phase, also beispielsweise einer Lösung, bezeichnet einen Zustand desselben, der sich oberhalb des Sättigungspunktes befindet. Das bedeutet beispielsweise, dass eine solche Lösung weiter Stoffe in sich löst, obwohl der eigentliche Gleichgewichtszustand schon erreicht ist. Unter gewöhnlichen Bedingungen würde eine solche Überschreitung des Gleichgewichtszustands durch eine Phasenumwandlung verhindert. Bei übersättigten Systemen tritt diese jedoch nicht am erwarteten Gleichgewichtspunkt des Phasendiagramms auf. Eine Übersättigung kann durch die meist langsame Abkühlung einer gesättigten Lösung bzw. eines gesättigten Mediums erreicht werden. Vor allem in Bezug auf Wasserdampf in der Luft zeigt sich beim Fehlen von Kondensationskernen (Aerosolen) im Laborversuch (Nebelkammer) eine Übersättigung von maximal ca. 800 %. Unter atmosphärischen Bedingungen ist dies jedoch nicht der Fall, hier lassen sich maximale Übersättigungen von 100 % beobachten, wobei diese jedoch sehr selten sind und in der Regel nur Übersättigungen von wenigen Prozentpunkten auftreten. Übersättigte Lösungen werden zum Beispiel zur Reinigung von Stoffen oder zur Gewinnung von Kristallen mittels Kristallisation verwendet. Von Gefahr ist bei diesen der Siedeverzug. Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Kristallographie

Halbzeug

Als Halbzeuge bezeichnet man in der Fertigung solche bereits vor- oder zubereiteten Rohmaterialien, die in größeren Abmessungen vorliegen, insbesondere also Bleche, Stangen, Hohlstäbe, Profile und Coils. Dabei wird ein Halbzeug in der Regel so ausgewählt, dass eine Dimension (beispielsweise der Durchmesser oder die Dicke) bereits der entsprechenden Dimension des herzustellenden Produktes bestmöglich entspricht; in den anderen Dimensionen (Länge, Breite) wird das Halbzeug auf die jeweils benötigten Abmessungen zugeschnitten. Halbzeuge liegen in der Regel in genormten Größen vor. Dies beinhaltet festgelegte Toleranzen. !Halbzeug

Gefüge (Werkstoffkunde)

Das Gefüge entsteht, wenn die Schmelze eines kristallinen Stoffes unter Normalbedingungen abkühlt. Beim Erreichen der Erstarrungstemperatur kommt es an vielen Stellen innerhalb der Schmelze, ausgehend von zufällig entstandenen Kristallisationskeimen, zur Kristallbildung. Diese wachsen im weiteren Verlauf der Abkühlung solange, bis sie schließlich aneinanderstoßen. Da die einzelnen Kristalle, dem Zufall der Entstehung entsprechend, unterschiedlichste Ausrichtungen haben, können sie an den Grenzflächen nicht miteinander verwachsen. Diese Unregelmäßigkeiten in der kristallinen Ordnung bilden die makro- oder mikroskopisch sichtbare Struktur des Stoffes, das Gefüge. Struktur In Metallen und Legierungen sind die Kristalle mikroskopisch klein, man nennt sie deshalb auch Kristallite oder Körner. Die Berührungsflächen zwischen den Mikrokristallen heißen dementsprechend Korngrenzen. Der Begriff Gefüge – oder auch Mikrostruktur – umfasst dabei das Gemenge der Kristallite selbst, sowie alle ggf. auftretenden Phasen und Defekte wie zum Beispiel Poren oder Lunker. Im Gestein wird das Gefüge aus den, in ihm enthaltenen, Mineralen gebildet. Form, Größe, Anzahl und Verteilung der Minerale entscheiden hier über die Eigenschaften des Gesteins. Einkristalle und amorphe Materialien weisen kein Gefüge auf. Das Gefüge von Metallen wird mit den Mitteln der Metallographie sichtbar gemacht und anschließend mikroskopisch untersucht. Zur Beweisführung, vor allem bei der Analyse von Schadensfällen, werden Fotos von den Gefügeschliffbildern gemacht.
Durch Beurteilung von Größe, Form und Anordnung der Kristallite mit ihren Korngrenzen, sowie Verunreinigungen lassen sich umfangreiche Aussagen über den Wärmebehandlungszustand und die zu erwartenden mechanischen Eigenschaften tätigen. Umgekehrt lässt sich das Gefüge der Metalle (und die daraus resultierenden technologischen Eigenschaften) durch gezielte Wärmebehandlung sehr genau einstellen. So wird z. B. bei austenitischen CrNi-Stählen eine bestimmte Korngröße eingestellt, um damit eine definierte Dehnung und Festigkeit zu erreichen.

Versuch zur Gefügebildung

Ein mit bloßem Auge sichtbares Gefüge lässt sich mit Hilfe eines einfachen Versuchs erzeugen:
"Klempnerlot" (Blei-Zinn-Legierung mit etwa 35% Zinn) wird mit einem Spiritus- oder Bunsenbrenner in einer Stahlkelle erhitzt und geschmolzen. Die Zugabe von Kolophonium macht die Oberfläche oxidfrei (die entstehenden Schlacken werden beiseite geschoben). Lässt man nun die Schmelze langsam abkühlen, kann die Kristallisation und Gefügebildung direkt beobachtet werden.

Übersicht von Gefügeschliffbildern

Diese Übersicht von schematisch dargestellten Gefügeschliffbildern erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit:

Am Beispiel Stahl:

Kategorie:Werkstoffkunde Kategorie:Struktur

Versetzung (Materialwissenschaft)

In der Werkstoffwissenschaft ist eine Versetzung ein modellhaftes Objekt, dass einen 1-dimensionalen Gitterfehler in einem Kristall darstellt. Sie entsteht beim Kristallwachstum aus der Schmelze oder bei der Rekristallisation im festen Zustand, infolge von Eigenspannungen oder bei der plastischen Verformung und wird durch eine Versetzungslinie dargestellt. Plastische Verformung von Kristallen geschieht meistens über die Erzeugung und Bewegung von Versetzungen.

Versetzungsarten

Die eigentliche Versetzungslinie ist von einem Gebiet mit verzerrtem Gitter umgeben. Richtung und Größe der Verzerrung werden durch den Burgersvektor b (benannt nach W. G. Burgers) beschrieben. Stehen Burgersvektor und Versetzungslinie senkrecht zueinander, so spricht man von einer Stufenversetzung; liegen sie parallel, so handelt es sich um eine Schraubenversetzung. Es sind jedoch auch beliebige Mischformen zwischen diesen beiden Grundtypen möglich.

Sichtbarmachung von Versetzungen

Obwohl es sich bei dem Versetzungskonzept „nur“ um ein physikalisches Modell handelt, sind die Gitterverzerrungen um eine Versetzungslinie real und können mit einer Reihe von Methoden sichtbar gemacht werden. Diese eigenen sich grundsätzlich auch zur Bestimmnung der Versetzungsdichte ρ (siehe dort).
- Ätzen
- IR-Mikroskopie
- Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
- Feldionenmikroskopie (FIM)

Versetzungsbewegung und Plastizität

Bis in die 1930er Jahre war es eine große Herausforderung, die Plastizität und Festigkeit der Metalle auf mikroskopischer Ebene zu erklären. In einem „defektfreien“ Kristall wird die theoretische Festigkeit τm durch den Ausdruck :\tau_m = \frac beschrieben (G = Schubmodul). Doch die tatsächlich beobachteten Werte liegen für praktisch alle Metalle ein Vielfaches unter dieser Abschätzung. 1934 entdeckten Egon Orowan, Michael Polanyi und G. I. Taylor unabhängig und etwa gleichzeitig, dass dieser Widerspruch durch das Versetzungskonzept aufgelöst werden kann. Unter der Wirkung einer im Vergleich zur theoretischen Festigkeit sehr kleinen Schubspannung können sich Versetzungen „bewegen“, d. h. die Atome der benachbarten Halbebene brechen ihre Bindungen kurzzeitig auf und binden sich an die der nächsten Halbebene an. Die Versetzungslinie „wandert“ scheinbar. Dies ist der elementare Mechanismus der plastischen Verformung. Er geschieht immer nur in solchen sog. Gleitebenen, in denen auch der Burgersvektor liegt. Außer bei reinen Schraubenversetzungen, die auch quergleiten können, ist die Gleitebene durch die Lage der Versetzung im Gitter bereits fest vorgegeben. Der Verlauf der Versetzungslinie kann jedoch auch durch die Wechselwirkung mit Leerstellen, z. B. beim Klettern, oder anderen Versetzungen gestört werden. Diese Prozesse führen zu einer Behinderung des Gleitprozesses und damit zu einer zunehmenden Kaltverfestigung des Kristalls und zur Bildung neuer Versetzungen (sog. Versetzungsmultiplikation). Die Kaltverfestigung ist irreversibel, solange die Temperatur unterhalb ca. 30 % der absoluten Schmelztemperatur Tm (in [K]) bleibt. Darüber kommt es zur Rekristallisation und damit zur Ausheilung (Erholung) der meisten Versetzungen, wodurch die Festigkeit wieder deutlich sinkt.

Versetzungen in Halbleitern

In der Halbleiterindustrie werden möglichst versetzungsfreie Einkristalle benötigt, da sonst die elektronischen Eigenschaften der Kristalle nachhaltig gestört werden würden. Dies gelingt großtechnisch beim Silizium und Germanium, bei allen anderen Kristallen sind in makroskopisch relevanten Volumina immer Versetzungen enthalten.

Siehe auch


- Versetzungsdichte
- Zwillingsbildung Kategorie:Kristallographie Kategorie:Werkstoffkunde

Zink

Zink ist ein chemisches Element. Es ist ein bläulich-weißes Metall und wird unter anderem zum Verzinken von Eisen und Stahlteilen sowie für Regenrinnen verwendet. Der Name Zink kommt von Zinke, Zind „Zahn, Zacke“, da Zink zackenförmig erstarrt. Weit verbreitet ist auch Titanzink.

Vorkommen

Zink kommt in folgenden Erzen vor:
- Zinkblende (ZnS): Zink-Schwefel-Verbindung mit ca. 65% Zinkanteil.
- Zinkspat (ZnCO3): Zinkkarbonat, auch Galmei mit ca. 50% Zinkanteil Zinkerze werden hauptsächlich in den folgenden Ländern abgebaut: Australien, Peru, Kanada, USA und Volksrepublik China. In Europa sind noch einige Zinkminen in Irland, Spanien und Schweden aktiv. Auch in Deutschland gab es Zinkerzlagerstätten z. B. bei Eschweiler im Rheinland oder am Rammelsberg im Harz. Oberirdisch kann man in diesen Gebieten seltene Pflanzen finden, die auf zinkhaltigen Böden besonders gut wachsen – z. B. das gelbe Galmeiveilchen, das nach dem alten Namen für Zinkerz Galmei benannt ist. Drei Zinkhütten standen im 19. Jahrhundert in Eschweiler.

Gewinnung

Zinkblende wird im Flammofen, Zinkspat im Schachtofen in Zinkoxyd umgewandelt. Mit Kohle vermischt wird in einem Muffelofen bei ca. 1.400°C reduziert, dabei entsteht das dampfförmige Hütten- oder Rohzink (98%). Nach der Kondensation wird es in Formen gegossen. Durch nochmaliges Umschmelzen wird das Zinkoxyd mit Schwefelsäure zu Zinksulfat umgewandelt. Im Elektrolyseverfahren wird daraus Feinzink (99,99%) gewonnen.

Eigenschaften

An der Luft bildet Zink eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkkarbonat. Am Bruch ist es silberweiß. Zink ist bei Zimmertemperatur und oberhalb 200°C spröde, es lässt sich nur zwischen 100°C und 200°C spanlos verformen. In der Regel liegt Zink in seinen Verbindungen in der Oxidationsstufe +II vor, in den Salzen liegt es als Zn2+ vor. Mehrere Salze binden Kristallwasser. Chemisch zählt Zink zu den unedlen Metallen. Dies kann beispielsweise dafür ausgenutzt werden, edlere Metalle aus ihren Salzen durch Reduktion elementar abzuscheiden: \mathrm Dabei gibt Zn zwei Elektronen ab und wird zu Zn2+ oxidiert (Redoxpotential -0,763 Volt). Cu2+ nimmt diese Elektronen auf und wird zu elementarem Kupfer (Cu) reduziert. In Einzelfällen kommt der Begriff „Zink“ auch in Eigennamen vor. Ursprünglich stammt dieser Nachname von Zink-verarbeitenden Faktoreien zu Beginn des späten Mittelalters. Laut Studien ist der Name verbunden mit psychischer Labilität, da die Dämpfe der Faktoreien des frühen Mittelalters den Zinks zu Kopf gestiegen ist.

Verwendung

Zink wird häufig zur Produktion von kostengünstigen Gussteilen verwendet, da der Zinkdruckguss die schnelle Fertigung von großen Stückzahlen unterschiedlichster Produkte erlaubt. Weitere Vorteile dieses Werkstoffes im Zinkdruckgussverfahren sind hohe Maßhaltigkeit, Eignung zu unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen sowie die hohe mechanische Belastbarkeit. Das Spektrum der Anwendungen reicht von der Kfz–Industrie, dem Maschinen- und Apparatebau, Baubeschlag, Sanitärindustrie, der Feingeräte- und Elektrotechnik bis hin zu Gebrauchsgegenständen und Spielzeugen. Im Dachdecker- und Klempnerhandwerk wird in der Regel Titanzink verwendet, welches mechanisch deutlich stabiler ist.

Rostschutz

Titanzink Der unedle Charakter des Zinks wird auch beim Rostschutz durch Verzinken ausgenutzt. Der Zinküberzug bildet mit dem Eisen ein elektrochemisches Lokalelement. Da Zink ein niedrigeres Redoxpotential als Eisen hat, wird es unter oxidierenden Bedingungen (meistens O2 und H2O) leichter oxidiert als Eisen. Bei diesem Rostschutz wird das Zink langsam zu Zn2+-Ionen oxidiert und damit verbraucht. Für die Rostschutzwirkung ist es nicht nötig, dass das gesamte Eisenstück verzinkt ist. Es reicht eine so genannte Opferanode, die allerdings regelmäßig ausgetauscht werden muss.

Zink-Kohlebatterie

Aufgrund des niedrigen Redoxpotentials und der einfachen Formbarkeit wird Zink auch als negative Elektrode in galvanischen Zellen, beispielsweise Zink-Kohle-Monozellen eingesetzt, aus denen auch Trockenbatterien aufgebaut sind.

Biologische Bedeutung

Trockenbatterie Zink zählt zu den essentiellen Spurenelementen für den Stoffwechsel von Lebewesen. Es ist Bestandteil mehrerer Enzyme, beispielsweise der RNA-Polymerase und der Glutathionperoxidase. Zink erfüllt im Körper viele verschiedene Funktionen. So nimmt es Schlüsselrollen im Zucker-, Fett- und Eiweißstoffwechsel ein und ist beteiligt am Aufbau der Erbsubstanz und beim Zellwachstum. Sowohl das Immunsystem als auch viele Hormone benötigen Zink für ihre Funktion. Eine bedeutende Rolle spielt es bei der Wundheilung. Das Spurenelement kann im Körper nicht gespeichert werden, es muss regelmäßig von außen zugeführt werden. Aufgrund von falschen Ernährungsgewohnheiten ist Zinkmangel auch in westlichen Ländern nicht selten, insbesondere bei Jugendlichen, die aufgrund des Wachstums besonders viel Zink benötigen. Eine 2005 auf einer Konferenz der amerikanischen Gesellschaft für Ernährungswissenschaften in San Diego vorgestellte Studie deutet darauf hin, dass Kinder, die täglich ausreichend Zink erhalten (20 Milligramm), eine deutliche Verbesserung der geistigen Leistungsfähigkeit erfahren. Zink verbesserte das visuelle Gedächtnis, die Leistungen in einem Wortfindungstest und die Konzentrationsfähigkeit. Zink ist neben Vitamin C auch ein wichtiges Grippemittel, dessen krankheitslindernde und -verkürzende Wirkung in Studien nachgewiesen werden konnte. Zinkmangel führt zu einer Unterfunktion der Keimdrüsen, Wachstumstörungen und Blutarmut. Folgende Nahrungsmittel sind gute Zinkquellen:
- rote Fleischsorten
- Fisch und Meeresfrüchte
- Kuhmilch und wässrige Milchprodukte
- Vollkornprodukte, speziell sauerteiggeführtes Brot (siehe Phytinsäure)
- Weizenkeime (Weizen)
- Ölsaaten (z. B. Sesam, Mohn, Kürbiskerne, Sonnenblumenkerne)
- Erdnüsse und Pekannüsse
- Pilze und Hefen Siehe auch: Hereditäres Zinkmangelsyndrom

Wichtige Verbindungen


- Zamak
- Zinkchlorid (ZnCl2)
- Zinkoxid (ZnO)
- Zinksulfid (ZnS) hat gute Eigenschaften im Bereich der Phosphoreszenz.

Weblinks


- http://www.initiative-zink.de/ Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Periode-4-Element Kategorie:Gruppe-12-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie: Schwermetall ja:亜鉛 simple:Zinc

Duraluminium

Duraluminium (auch kurz Dural) ist eine Aluminium-Legierung, die vor allem durch ihre Anwendung in der Luftfahrt bekannt ist.

Entwicklung

Es wurde 1906 von Dr. Alfred Wilm in seinem Laboratorium in Düren entwickelt. Der Name stammt aus dem Lateinischen (durus=hart). Er bedeutet also "hartes Aluminium". Die Besonderheit des Duraluminium ist die erstmalige Anwendung der Ausscheidungshärtung bei Aluminiumlegierungen. Die Entdeckung der Härtbarkeit von bestimmten Aluminiumlegierungen erfolgte dabei eher zufällig. Alfred Wilm versuchte, in der Stahlherstellung gebräuchliche Verfahren auf Aluminiumlegierungen anzuwenden. Erst als er die Aluminiumproben einige Tage liegen ließ und danach Versuche anstellte, zeigte sich das erhoffte Resultat. Das Material wurde daraufhin ab 1909 von den Dürener Metallwerken erstmals hergestellt.

Anwendung

Bereits 1911 fand es großtechnische Anwendung für das Traggerüst des britischen Luftschiffs HMA No. 1 "Mayfly". Ab 1914 wurde Duraluminium auch für den deutschen Zeppelinbau (erstmals LZ 26 / Z XII) eingesetzt. 1929 wurde ein Ganzmetall-Luftschiff, das amerikanische ZMC-2, vollständig, das heißt inklusive Blechhülle aus Duraluminium gefertigt.

Eigenschaften/Herstellung/Verarbeitung

Duraluminium besteht aus etwa 93 bis 95 Prozent reinem Aluminium mit Zusätzen 3,5-5,5 Prozent Kupfer, sowie geringen Beigaben von Magnesium, Mangan und Silizium. Die Legierung wird auch heute noch fast unverändert in der Luftfahrt verwendet, weil noch leichtere Magnesiumlegierungen immer noch Korrosionsprobleme zeigen. Gegenüber reinem Aluminium hat Duraluminium nur eine geringfügig größere Dichte (2,7 g/cm³ zu etwa 2,75g/cm³ bis 2,87 g/cm³). Die Zugfestigkeit beträgt jedoch 850 N/mm² (85 kp/mm²) und damit etwa dem 11-fachen von reinem Aluminium, das nur etwa 80 N/mm² (8 kp/mm²) aufweist. Auch die technisch so wichtige Streckgrenze liegt bei über 250 N/mm² (25 kg/mm²) gegenüber 30 N/mm² 3 kp/mm² bei reinem Aluminium. Ähnlich verhält es sich bei der Brinellhärte, wo ein Wert von etwa 800N/mm² (80 kp/mm²) gegenüber 220 N/mm² (22 kp/mm²) erreicht wird. Ein weiterer wichtiger Punkt war, dass Duraluminium durch Alterung an seiner Festigkeit nichts einbüßte. Diese außergewöhnlichen Parameter haben ihre Grundlage darin, dass der Kupferanteil bei 500°C, also in der Schmelze, vom Aluminium vollständig aufgelöst werden kann. Bei Raumtemperatur beträgt dieser Anteil nur 0,5%. Das außerordentlich harte CuAl2 bildet sich nur langsam. Diese intermetallische Verbindung sorgt aber letztlich dafür, dass sich Gefügeänderungen in der Legierung kaum ausbreiten können. Durch das Aushärten erreicht Duraluminium also fast die Festigkeit von Stahl. Dadurch erst wurde der Ersatz von Stahl durch eine Aluminiumlegierung in der Luftfahrt überhaupt sinnvoll. Frühere in der Luftfahrt eingesetzte Legierungen (wie die Zink-Aluminium-Legierungen) waren korrosionsanfällig und erreichten bei weitem nicht die Werkstoffparameter wie Duraluminium. Neben den Luftschiffbauern wurde auch Hugo Junkers angeregt, Duraluminium bei der Junkers J7 einzusetzen. Mit dem Ganzmetalleindecker Junkers F13 gelang der Einzug des Materials in die zivile Luftfahrt. Duraluminium ist ein eingetragenes Warenzeichen der Dürener Metallwerke. Avional, Hiduminium und andere Namen sind ähnliche Legierungen, die ebenfalls Verwendung in der Luftfahrt fanden. Weitere Informationen siehe auch Stichwort Aluminium Kategorie:Legierung ja:ジュラルミン

Aluminium

Aluminium (von lat. alumen = Alaun) ist ein chemisches Element des Periodensystems mit der Ordnungszahl 13. Das Elementsymbol ist Al. Es gehört zur Borgruppe (früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet). Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste und tritt nur in chemisch-gebundenem Zustand auf.

Eigenschaften

Das Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Die Oxidschicht macht Aluminium sehr korrosionsbeständig. Durch elektrische Oxydation (eloxieren) oder auf chemischem Weg kann die schützende Oxydschicht verstärkt werden. Aluminium ist ein sehr weiches, zähes Metall, es ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünner Folie verarbeitet werden. Es lässt sich gut gießen, verformen, biegen, pressen, schmieden und spanabhebend bearbeiten. Entstandene Spannungen durch Kaltverformen können durch weichglühen (bis 250°C) beseitigt werden. Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter (60% von Kupfer).

Geschichte

Aluminium ist im Vergleich zu anderen Metallen noch nicht lange bekannt. Es wurde erst im Jahr 1808 durch Sir Humphry Davy entdeckt und benannt. Friedrich Wöhler gelang die Herstellung von Aluminium im Jahr 1827 basierend auf einer unreinen Form, die Hans Christian Ørsted zwei Jahre zuvor hergestellt hatte. Der Preis von Aluminium war zu jener Zeit höher als der von Gold. Durch Henri Sainte-Claire Deville wurde der Wöhler-Prozess im Jahr 1846 weiter verfeinert und 1859 in einem Buch publiziert. Dadurch fiel der Aluminiumpreis innerhalb von zehn Jahren um 90 Prozent. 1886 wurde unabhängig voneinander durch Charles Martin Hall und Paul Héroult das jetzt nach ihnen benannte Verfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess. Nach diesem Prinzip erfolgt noch heute die großtechnische Aluminiumherstellung. Im Jahr 1889 wurde das Verfahren durch Carl Josef Bayer weiter verbessert.

Vorkommen

Aluminium ist das Metall, welches in der Erdkruste am häufigsten vorkommt (7,57 Prozent des Gesamtgewichts der Erdkruste). Es tritt allerdings nirgends rein auf, sondern nur in chemischen Verbindungen. Aluminium findet man in der Natur häufig als Aluminiumsilikat in Ton, Gneis, Granit und Basalt. Eine wirtschaftliche Gewinnung von Aluminium ist nur aus Bauxit möglich. Bauxit enthält ca. 60% Aluminiumoxyd (Al2O3), ca. 30% Eisenoxyd (Fe2O3), Siliziumoxyd (SiO2) und Wasser. In seltener Form ist Aluminiumoxid in Korund, bekannt als Rubin und Saphir, vorhanden. Die rote bzw. blaue Farbe der Steine entstehen durch Verunreinigungen. Bauxitvorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Ungarn, Russland, Indien und USA.

Gewinnung und Darstellung

Nach dem Verfahren von Ørsted (1825) wird Aluminium aus Aluminiumchlorid und Kaliumamalgam hergestellt, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient: \mathrm Nach Wöhler wird metallisches Kalium zur Reduktion verwendet. Technisch gelingt die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren, Bayer-Verfahren). Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Der Energieaufwand beträgt etwa 13–16 kWh/kg. Wegen der geringen Dichte von Aluminium wird dieses Metall gerne da verwendet, wo Masse bewegt werden muss, vor allem in der Verpackungsindustrie und der Luft- und Raumfahrt; Aus diesem Grund gewinnt der Werkstoff Aluminium im Fahrzeugbau zunehmend an Bedeutung. In Legierungen mit Magnesium, Silizium und anderen Metallen werden Festigkeiten in Strangpressprofilen erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminium für die Gewichtsreduzierung sehr beliebt. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik ist Aluminium der Werkstoff der Wahl. Kraftfahrzeughersteller nutzen den Werbeeffekt des Werkstoffes. Im Haushalt trifft man Aluminium in Form von Getränkedosen und Aluminiumfolie an, zuweilen auch als Kochtöpfe. Umweltverbände kritisieren den Einsatz von Aluminium wegen des hohen Ressourcenverbrauchs bei der Herstellung. In der Lebensmittel-Herstellung findet es Verwendung als Lebensmittelfarbe (E 173) bei Überzügen von Zuckerwaren zur Dekoration von Kuchen und Feinen Backwaren. In Pulverform (Partikelgröße < 500 µm) ist es vor allem, wenn es nicht phlegmatisiert ist, aufgrund seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. So reagiert Aluminium beispielsweise mit Wasser unter Abgabe von Wasserstoff zu Aluminiumoxid. Ebenso ist es für die stark exotherme (bis zu 2500 °C) Thermit-Reaktion unerlässlich. Vorsicht: Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst, er hat das Gefahrenzeichen [F+]. Aluminium wird häufig durch eine Eloxalschicht geschützt. Die Aluminiumverarbeitung geschieht oft mit Hilfe von Gußverfahren (Aluminiumgießerei). Urformen:
- Sandguss
- Strangguss
- Druckguss
- Kokillenguss
- Strangpressen
- Sprühkompaktieren

Sicherheitshinweise

Aluminium ist eines der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, das keine vorteilhafte Funktion in lebenden Zellen zu haben scheint, aber einige Prozent der Bevölkerung reagieren allergisch — sie erleiden Ausschläge in jeder möglichen Form durch Verwenden von Antitranspirationsprodukten, Verdauungsstörungen und Unfähigkeit, Nährstoffe aus der Nahrung aufzunehmen, die in Aluminiumtöpfen gekocht wurde, oder Erbrechen und anderen Vergiftungserscheinungen durch Einnehmen aluminiumhaltiger Medikamente. Aluminium ist nicht so giftig wie Schwermetalle, aber vieles spricht für eine geringe Giftigkeit, wenn es in übermäßigen Mengen gebraucht wird. Jedoch ist der Gebrauch von Aluminiumgeschirr, das sehr populär wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und guten Hitzeübertragung ist, unbedenklich. Übermäßiger Verbrauch von Mitteln gegen Sodbrennen und Deodorants, die Aluminium enthalten, sind wahrscheinlichere Ursachen von Vergiftungserscheinungen. Es wurde eine Zeit lang vermutet, dass Aluminium Alzheimer hervorrufen kann. Diese Vermutung konnte nicht bewiesen werden. Ferner besteht jedoch der Verdacht, dass Aluminium Brustkrebs fördern könnte. Auch diese Vermutung ist noch nicht wissenschaftlich bestätigt.

Ökologie

Hinsichtlich der Umweltbelastung ist die gute Recyclierbarkeit von Aluminium hervorzuheben. Außerdem wird durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen gespart, was zur Energieeinsparung bei der Anwendung führt. Andererseits wird für die Elektrolyse von Aluminium sehr viel Elektroenergie benötigt. Der Abbau von Bauxit führt zu Umweltzerstörungen. Aluminium ist physiologisch unbedenklich und hat deshalb seine berechtigte Anwendung in der Nahrungsmittelindustrie.

Aluminiumlegierungen

Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung bekam 1907 den Markennamen Duraluminium. Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Chrom, Zink, Zirkon und Molybdän legiert werden, um bestimmte Eigenschaften zu fördern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken.
- Aluminiumgusslegierungen - Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen. Typische Aluminiumgusslegierungen sind: AlSi, AlSiCu, AlSiMg, AlCuTi, AlMg
- Aluminiumknetlegierungen - Platten und Bandproduktion durch Warmumformen (Walzen, Strangpressen). Typische Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlMg, AlSi, AlZnMg, AlZnMgCu, AlMn
- Aushärtung von Aluminiumlegierungen - Gitterverspannung durch Abschrecken Es gibt Aluminiumknetlegierungen (AW, engl. wrought), zum Beispiel AlMg4,5Mn, und Aluminiumgusslegierungen (AC). Aluminiumgusslegierungen werden z.B. für Leichtmetallfelgen verwendet.

Verbindungen


- Aluminiumoxid Al2O3, auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harter Kristalle vor und wird als Schleif- oder Poliermittel verwendet.
- Kaliumaluminiumsulfat KAl(SO4)2, bekannt als "Alaun" zum Blutstillen.
- Aluminiumacetat Al(CH3-COO)3, bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge.
- Aluminiumorganische Verbindungen - Triethylaluminium u.v.m. - werden im großtechnischen Maßstab als Katalysatoren in der Polyethylen-Herstellung eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Halbleitertechnik. Hier werden flüchtige Aluminiumalkyle (Trimethylaluminium, Triethylaluminium etc.) als Vorstufen zur CVD (Chemical-Vapor-Deposition)- Abscheidung von Alumiumoxid verwendet, das man als Isolator und Ersatz für das nicht ausreichend isolierende Siliziumdioxid einsetzt.
- Bei der Aluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet (siehe auch Thermitverfahren).

Siehe auch


- Liste der größten Aluminiumproduzenten
- Aluminiummarkt

Weblinks


- [http://www.taprofessional.de/charts/Aluminium-Line-Chart.htm Charts: Kurs-Entwicklung Aluminium in Dollar]
- [http://www.aluinfo.de/index.html www.aluinfo.de]
- [http://www.kalzip.com/de/produkte/aluminium_home.htm Aluminum als Werkstoff in der Architektur] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:ErdmetallKategorie:Periode-3-Element Kategorie:Metall ja:アルミニウム ko:알루미늄 simple:Aluminium th:อะลูมิเนียม

Magnesium

Magnesium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Als acht-häufigstes Element ist es zu etwa zwei Prozent am Aufbau der Erdkruste beteiligt.

Geschichte

Die Herkunft der Elementbezeichnung wird in der Literatur unterschiedlich dargestellt: # von altgriech. μαγνητις λυθος in der Bedeutung Magnetstein # von Magnesia (Griechenland), einem Gebiet im östlichen Griechenland # von Magnesia, einer Stadt in Kleinasien, auf dem Gebiet der heutigen Türkei.
1755 erkannte Joseph Black in England Magnesium als ein Element. 1808 isolierte Sir Humphry Davy reines Metall durch Elektrolyse einer Mischung aus Magnesia und Quecksilberoxid. AA Bussy stellte es 1831 in massiver Form dar.

Vorkommen

Magnesium kommt nicht in elementarer Form vor, als Verbindungen überwiegen Carbonate, Silicate, Chloride und Sulfate. Es ist ein sehr häufig vorkommendes Element, so bestehen ganze Gebirgszüge, wie die Dolomiten, aus einem magnesiumhaltigen Mineral, dem Dolomit. In Wässern ist es ebenfalls meistens vorhanden und verursacht zusammen mit dem Calcium die Härte des Wassers. Im Meerwasser ist es mit mehr als 1 kg/m³ enthalten.

Mineralien


- Dolomit CaMg(CO3)2
- Magnesit (Bitterspat) MgCO3
- Enstatit MgSiO3
- Olivin (Mg, Fe)2 [SiO4]
- Serpentin Mg3[Si2O5] (OH)4
- Talk Mg3[Si4O10] (OH)2
- Meerschaum Mg4[Si6O15] (OH)2
- Kieserit MgSO4
- H2O
- Schönit K2Mg(SO4)2
- 6 H2O
- Carnallit KMgCl3
- 6 H2O
- Spinell MgAl2O4

Eigenschaften

Das feste, silbrig-glänzende Leichtmetall Magnesium, das circa ein Drittel leichter als Aluminium ist, überzieht sich an Luft mit einer schützenden Oxidhaut, in Wasser mit einer schwerlöslichen Magnesiumhydroxidschicht, welche bei höheren Temperaturen aber unbeständig ist. Schwache Säuren und Ammoniumsalze greifen die Hydroxidschicht ebenfalls an. Gegen Fluorwasserstoffsäure und Alkalien ist es im Gegensatz zum Aluminium relativ beständig. Frisch hergestelltes Magnesiumpulver erwärmt sich an der Luft bis zur Selbstentzündung. Dünnes Band oder Folien lassen sich leicht entzünden. Es verbrennt mit einer grellweißen Flamme zu Magnesiumoxid MgO und Magnesiumnitrid Mg3N2. Auch in vielen Oxiden wie Kohlenmonoxid, Stickoxid und Schwefeldioxid verbrennt Magnesium. Reinmagnesium ist schlecht gießbar und hat eine geringe Festigkeit und Härte.

Verwendung

Metallisches Magnesium

Schwefeldioxid Reines Magnesium hat technisch wenig Bedeutung. Magnesiumband und -draht wird in (Foto-)Blitzbirnen, beziehungsweise früher als Blitzlichtpulver verwendet, Magnesiumpulver in Brandsätzen, -bomben und Leuchtmunition, aber auch als Zusatz in Feuersteinen für Feuerzeuge. In der Metallurgie dient es als vielseitiges Reduktionsmittel :
- Kroll-Prozess zur Herstellung von Titan
- Reduktionsmittel zur Herstellung von Uran, Kupfer, Nickel, Chrom und Zirconium
- Magnesiumgranulat zur Entschwefelung von Eisen und Stahl
- Zuschlagstoff für Kugelgrafitguss In der organischen Chemie wird es zur Herstellung von Grignard-Verbindungen genutzt. Grignard-Verbindung Weil sich Magnesium sehr leicht entzündet wird es auch als sehr robustes Feuerzeug verwendet. Diese, als Fire Starter Kits vertriebenen, Magnesiumblöcke haben auf einer Seite einen langen Stab dessen Abrieb, wie der Feuerstein beim Feuerzeug, sich mit dem Luftsauerstoff entzündet. Die Prozedur ähnelt stark der in der Steinzeit üblichen Methode, durch Feuerstein und Zunder Feuer zu machen, wobei das Magnesium die Rolle des Zunders übernimmt. Zuerst werden, mit einem Messer, vom Metallblock möglichst lange und dünne Spähne abgeschabt und auf dem eigentlichen Brennmaterial plaziert. Anschließend werden, durch schaben an der Rückseite Funken möglichst nahe an den Magnesiumspänen erzeugt, die sich daraufhin entzünden. Der gleiche Effekt lässt sich auch mit Anspitzern erzielen, da sie häufig aus einer Magnesium Legierung gefertigt werden, jedoch müssen die, zur Zündung notwendigen Funken, anderweitig erzeugt werden.

Magnesiumlegierungen

Werkstofftechnisch sind Mg-Al-, Mg-Mn-, Mg-Si-, Mg-Zn- und vor allem Mg-Al-Zn-Legierungen von Bedeutung. Wichtigste Anwendung ist aber wohl die Härtung von Aluminiumlegierungen durch einen Mg-Zusatz bis zu fünf Prozent. Zusätzlich verbessert sich die Schweißbarkeit. Sie finden Anwendung als Verpackungsmaterial, zum Beispiel in Getränkedosen. In den letzten Jahrzehnten hat man wegen der möglichen Gewichtseinsparung versucht, Aluminium durch Magnesium zu ersetzen. Bei gleicher Belastbarkeit sind Bauteile aus Magnesiumlegierungen leichter als solche aus Kunststoff. Das machte Magnesium schon früh für mobile Anwendungen interessant. 1909 stellte man Anwendungen auf einer Luftschiffausstellung vor. In Kraftfahrzeugen nutzte man Magnesiumlegierungen zur Herstellung von Gehäuseteilen sowie zur Herstellung von Felgen für Großfahrzeuge. Ab den 1930ern verwendete man sie massiv im deutschen Flugzeugbau. Die möglichen Gewichtseinsparungen, gerade im Flugmotorenbau, führten zu einem schnellen Ausbau der Magnesiumgewinnung in den USA Anfang der 1940er. Heute werden auch Fahrgestelle und Rumpfteile von Flugzeugen und Fahrradteile aus Magnesiumlegierungen hergestellt. Die Kurbelgehäuse der Motoren des VW-Käfers bestanden aus Mg-Si-Legierungen. Heute werden im Maschinenbau überwiegend Mg-Al-Zn-Legierungen verwendet. Durch Druckgiessen lassen sich viele Bauteile endabmessungsnah und ohne kostenintensive Nachbearbeitung herstellen:
- Felgen
- Profile
- Gehäuse
- Motorhauben
- Motordeckel
- Handbremshebel Teile des 3-Liter-Lupos und zunehmend Teile anderer Automarken werden aus Magnesiumlegierungen gefertigt. Magnesiumlegierungen zeichnen sich durch hohe Dämpfung aus. Dies führt bei Schwingungsbelastung zu einer Verringerung der Vibration und Geräuschemission. Auch aus diesem Grund sind Magnesiumlegierungen interessante Werkstoffe.

Magnesiumverbindungen


- Totgebranntes Magnesiumoxid zur Auskleidung von Hochtemperaturanlagen wie Schmelzöfen, Gießpfannen und so weiter
- Magnesia (Magnesiumcarbonat) zur Verbesserung des Griffs durch Aufsaugen des Schweißes im Bereich des Turnens, Gewichthebens und der Leichtathletik
Medizinische Anwendungen
- Magnesiumhydroxid zur Bindung von überschüssiger Magensäure.

Physiologie

Magnesium ist als Mineralstoff für Mensch, Tier und Pflanze unentbehrlich. Im Blattgrün der Pflanzen (Chlorophyll) ist es etwa zu zwei Prozent enthalten. Pflanzen verwelken bei Magnesiummangel. Der Mensch benötigt Magnesium für das Zusammenspiel von Muskel und Nerv sowie für die Muskelkkontraktion. Magnesiummangel löst beim Menschen Herzrhythmusstörungen und Muskelkrämpfe aus. Im Bereich von Psyche und Stoffwechsel wird vermutet, dass auch Depression durch einen Magnesiummangel verstärkt wird. Auch kann es durch Mangel zum Herzinfarkt kommen. Der Körper enthält 20 g Magnesium. Die erforderliche Tagesdosis von ca. 300 mg wird in der Regel durch eine ausgewogene Ernährung mit Vollkornbrot, Nüssen, Gemüse (Blattspinat, Kohlrabi) erreicht. Erhöhter Bedarf kann über Nahrungsergänzungsmittel gedeckt werden. Gefahr von Magnesiummangel besteht beispielsweise
- bei kohlehydratarmer Ernährung oder Diäten,
- in der Schwangerschaft und Stillzeit,
- in der Wachstumsphase bei Jugendlichen,
- bei Alkoholmissbrauch,
- bei Stress,
- bei Sportlern,
- bei Abführmittelmissbrauch, Erbrechen, oder bei langanhaltendem Durchfall. Bei Magnesiumpräparaten als Tabletten, Kau- oder Lutschtabletten, Granulat oder Injektionslösungen ist die Dosierung wichtig. Verschiedene Studien (z. B. J. Clin. Invest. 88 (1991) 396-402) kommen zu dem Ergebnis, dass bei einer Einnahme von 120 mg ca. 35% resorbiert werden, jedoch bei Einnahme einer kompletten Tagesdosis von 360 mg nur noch ca. 18%.

Herstellung

Die Herstellung von Magnesium erfolgt vorwiegend über zwei Wege:
- Schmelzelektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid in DOW-Zellen.
Sie bestehen aus großen eisernen Trögen, die von unten beheizt werden. Als Anoden dienen von oben eingelassene Graphitstäbe, die an den Spitzen von einer ringförmigen Kathode umgeben sind. Das metallische Magnesium sammelt sich auf der Salzschmelze und wird abgeschöpft. Das entstehende Chlorgas sammelt sich im oberen Teil der Zelle und wird wieder verwendet zur Herstellung von Magnesiumchlorid aus Magnesiumoxid. Zur Schmelzpunkterniedrigung des Magnesiumchlorids wird der Salzschmelze noch Calcium- und Natriumchlorid zugesetzt.
- Thermische Reduktion von Magnesiumoxid (Pidgeon Prozess)
In einem Behälter aus Chrom-Nickel-Stahl wird gebrannter Dolomit, Schwerspat und ein Reduktionsmittel wie Ferrosilicium, Koks oder Calciumcarbid eingefüllt. Anschließend wird evakuiert (Abpumpen des Gases) und auf 1160 °C erhitzt. Das dampfförmige Magnesium kondensiert am wassergekühlten Kopfstutzen außerhalb des Ofens. Das chargenweise gewonnene Magnesium wird durch Vakuumdestillation weiter gereinigt. Der Pidgeon Prozess sowie einige andere Herstellverfahren spielen eine untergeordnete Rolle.

Verbindungen


- Magnesiumcarbonat MgCO3
- Magnesiumchlorid MgCl2
- Magnesiumdiborid MgB2, ein Supraleiter
- Magnesiumfluorid MgF2
- Magnesiumhydrid MgH2
- Magnesiumhydroxid (Brucit) Mg(OH)2
- Magnesiumoxid MgO
- Magnesiumsulfat MgSO4
- Spinell MgAl2O4

Vorsichtsmaßnahmen

Magnesiumschmelzen und Magnesiumpulver sind leicht brennbar. Mit Luft und Wasser reagieren sie sehr heftig.
Magnesiumbrände dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden. Im Allgemeinen wird trockener Sand, trockene Gusseisenspäne oder Feuerlöschmittel der Klasse D empfohlen.
Magnesium reagiert zudem mit Wasser und reduziert dieses zu Wasserstoff und Sauerstoff. Das gleißend helle Licht von brennendem Magnesium kann die Augen schädigen, deswegen sollte niemals direkt in die Flamme gesehen werden.

Weblinks


- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Mg/index.html WebElements.com - Magnesium]
- [http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Mg.html EnvironmentalChemistry.com - Magnesium]
- [http://www.pniok.de/mg.htm Abbildung in der Elementansammlung von Heinrich Pniok auf www.Pniok.de] Kategorie:Erdalkalimetall Kategorie:Periode-3-Element Kategorie:Nahrungsergänzung ja:マグネシウム ko:마그네슘 th:แมกนีเซียม

Alterung

Zum Begriff Alterung
- bei Lebewesen, siehe Alter
- bei Material, siehe Korrosion und Materialermüdung

Bake-hardening-Stahl

Bake-hardening-Stahl ist ein Werkstoff, der eine Festigkeitsteigerung durch Erwärmen auf Temperaturen um 200 °C erfährt. Der Name bezeichnet diesen Vorgang: bake-> backen und hardening -> verfestigen. Dieser Stahl wird oft für Karosserieteile verwendet, da er gut in der Presse umformbar ist und beim Einbrennen des Lackes eine Festigkeitssteigerung erfährt. Karosserieteile aus diesem Material können heute aus dünnerem Blech als früher hergestellt werden. Ein Beispiel ist die Motorhaube eines Kfzs, die nun statt der üblichen 0,7 Millimeter nur noch 0,43 Millimeter dick ist. Kategorie:Stahl

Stahl

Stahl bezeichnet alle metallischen Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist und die durch Schmieden oder Walzen plastisch umformbar sind.

Definition

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält. Dieser Definition folgt auch die DIN EN 10020, nach der Stähle Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% C sind. Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen. Hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit oder Zementit vor. Gegenwärtig gibt es aber einige Gruppen von Stählen, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil mehr ist. Ein Beispiel dafür sind IF-Stähle, in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell eingelagert ist. Gegenwärtig werden unter Stählen eisenbasierte Legierungen verstanden, die plastisch umgeformt werden können.

Eigenschaften

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Elementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung (gleichzeitige thermischer Behandlung mit plastischer Umformung) können die Eigenschaften von Stahl für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden. Der Stahl kann zum Beispiel sehr weich und dafür ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, wie etwa das Weißblech der Getränkedosen. Demgegenüber kann er sehr hart und dafür spröde hergestellt werden, wie z. B. martensitische Stähle für Messer (Messerstahl). Moderne Entwicklungen zielen darauf, den Stahl gleichzeitig fest und duktil (verformbar) herzustellen, als ein Beitrag für den Leichtbau von Maschinen. Das wichtigste Legierungselement im Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt entweder elementar oder als Verbindung (Zementit=Fe3C) vor. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen. Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche Phasen: Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit und primärer, sekundärer und tertiärer Zementit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasen wie fein- (ex Sorbit) und feinststreifiger Perlit (ex Troostit) sowie nadeliger/körniger Bainit ("Zwischenstufe") und massiver/nadeliger Martensit bzw. Hardenit entstehen (siehe auch Härten). Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden. Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt rund 7,85
- 10³ kg/m³, der E-Modul ca. 210 GPa.

Stahlherstellung

Hochofenroute

Bei diesem Verfahren wird zuerst Roheisen aus Eisenerz und Koks hergestellt. Außerdem kann zusätzlich Schrott eingesetzt werden. Danach wird durch weitere Verfahren aus Roheisen Stahl hergestellt. Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalkstein und Koks zum Möller vermischt und anschließend in den Hochofen chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden. Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, dem so genannten Frischen, wird der Kohlenstoff oxidiert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigtem und unberuhigt vergossenem Stahl (unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silizium). Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen (Materialentmischungen, z. B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden.

Direktreduktion

Die Nachteile des Hochofens sind, dass hohe Ansprüche an die Einsatzmaterialien gestellt werden und der Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, so dass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO2-Ausstoß stellt eine hohe Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen, die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletsherstellung in Drehrohröfen sowie die Corex-, Midrex- und Finex-Verfahren. Die bisher am meisten verbreiteten Verfahren sind Midrex - bzw HYL Direktreduktionsverfahren, die Eisenschwamm bzw. HBI ( Hot Briquetted Iron ) als festes Einsatzmaterial erzeugen. Dieses ist immer noch mit einer gewissen Menge von Gangart des Ausgangserzes belastet, aber der Kohlenstoffgehalt ist normalerweise nicht höher als 1%. Das Corex-Verfahren ist neueren Datums und erzeugt ein flüssiges, roheisenähnliches Vormaterial, dessen Kohlenstoffgehalt bei ca. 3,5 bis 4% liegt.

Stahlherstellungsverfahren

Man kann zwischen so genannten Blasverfahren und Herdfrischverfahren unterscheiden. Bei den Blasverfahren wird das Roheisen mit Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das Frischen), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr ist in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Blasverfahren kann man zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu den Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren, das Thomasverfahren, die Rennfeuer und frühen Hochöfen. Das bekannteste Aufblasverfahren ist das LD Verfahren. Bei den Herdfrischverfahren wird der zur Oxidation notwendige Sauerstoff dem zugesetzten Schrott und Erz entnommen. Außerdem muss den Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. Die bekanntesten Herdfrischverfahren sind das Siemens-Martin-Verfahren und der Elektroofenprozess. In moderner Zeit wird Stahl zunehmend in integrierten Stahlwerken hergestellt, die die Roheisenherstellung, die Stahlproduktion und die Halbzeug-Fabrikation in einem Werk integrieren, um Transporte, Energie und damit Kosten zu sparen.

Historische Verfahren

Meteoreisen

Ursprünglich wurde das Eisen von Eisenmeteoriten verarbeitet. In Lehmöfen, die mit Holzkohle und Luft, durch Blasebalge, beschickt wurden, konnten enorme Temperaturen erreicht werden. 1300–1600 °C waren nötig, um die Eisen-Nickel-Legierung, die in den Meteoren enthalten ist (80-95 % Eisen), herauszuschmelzen.

Rennfeuer

Ca. 1500 v. Chr wurden die ersten Rennöfen gebaut. Diese sind Lehmöfen, in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 °C, die das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: Rennen von Rinnen. Das Eisen wird durch die Holzkohle reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte Luppe, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden kann. Schmieden

Stück- oder Wolfsofen

Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden die Öfen nicht mehr in die Erde sondern oberirdisch gebaut (Vorläufer der Hochöfen) und zusätzlich durch wassergetriebene Blasebälge mit Luft versorgt. Auch wurde der Stahl mit wassergetriebenen Hammerwerken bearbeitet.

Gussstahl

Das Roheisen wird im seit 1842 angewendeten Gussstahlverfahren zusammen mit Schrott geschmolzen. Der Sauerstoffanteil im Schrott frischt das Roheisen und verbessert somit die Qualität des Stahls.

Puddel-Verfahren

Das Puddel-Verfahren wurde im Jahre 1784 von Henry Cord in England erfunden. Dabei wird die schon zäh werdende Roheisenmasse mit Stangen gewendet, so dass möglichst viel der Oberfläche mit der Umgebungsluft in Berührung kommen kann. Durch diesen Sauerstoffkontakt wird das Roheisen gefrischt und so zu Stahl verarbeitet (siehe auch Eiffelturm, Griethauser Brücke).

Thomas- und Bessemerverfahren, DSN-Verfahren

Griethauser Brücke Diese sind Konverterverfahren, bei denen durch Bodendüsen des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt werden. Die Thomas- und Bessemerverfahren verwenden Luft, im DSN-Verfahren (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt. Das auch "saures Windfrischverfahren" genannte Bessemerverfahren wurde 1855 von Henry Bessemer entwickelt. Das Thomasverfahren (auch "basisches Windfrischverfahren" genannt und bekannt durch die Konverterform: die Thomasbirne) wurde 1878 von Percy Gilchrist und Sidney Thomas erfunden. Sie unterscheiden sich durch die Ausmauerung des Ofens, welche entweder sauer oder basisch wirkt und so verschiedene Eigenschaften aufweist (im Thomasverfahren eine Dolomit-Teer-Mischung).

OBM-Verfahren

Im OBM-Verfahren (Oxygen-Bottom-Maxhütte oder Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-Verfahren) werden Sauerstoff und Butan oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen. Mit der Stillegung der Neuen Maxhütte in Sulzbach-Rosenberg im Jahr 2003 ist der einzige deutsche OBM Konverter stillgelegt worden. In Charleroi (Belgien) existieren OBM Konverter im Stahlwerk Duferco Carsid.

Siemens-Martin-Verfahren

Dieses war die bevorzugte Stahlherstellungsmethode, von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung zusammen mit Emile Martin und Pierre Martin, bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts. Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspanntem Schmelzraum und dem Unterofen. Im Oberofen wird flüssiges Roheisen, Roheisenmasseln (sic!) oder der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen wird mit öl- oder gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von Eisenerz. Das Verfahren wurde inzwischen durch Sauerstoffblasverfahren verdrängt. 1993 wurde in Brandenburg an der Havel der letzte deutsche SM-Ofen stillgelegt. Er ist heute als technisches Denkmal erhalten.

Aktuelle Verfahren

Linz-Donawitz-Verfahren

Im Linz-Donawitz- oder LD-Verfahren wird durch eine Lanze Sauerstoff auf das Schmelzbad im Konverter geblasen, so werden unerwünschte Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke abgestochen werden. Durch Zugabe von Schrott und Erz kann der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen chargiert werden, da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht aufschmelzen kann. Der fertige Stahl wird durch Kippen des Konvertergefäßes in Pfannen abgestochen. Das Verfahren ist benannt nach den Standorten Linz und Donawitz der österreichischen Unternehmen VÖEST und Alpine Montan – beide inzwischen fusioniert zur Voestalpine – die dieses Verfahren entwickelten. Inzwischen existieren mehrere Varianten des LD-Verfahrens, bei dem etwa gleichzeitig Sauerstoff und anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (LBE, Lance Bubbling Equilibrium).

Elektrostahlverfahren

Bei den Elektrostahl-Verfahren wird die zum Schmelzen erforderliche Wärme durch einen Lichtbogen oder durch Induktion erzeugt. Der Lichtbogenofen wird mit Schrott, Eisenschwamm und Roheisen beschickt. Außerdem werden noch Kalk zur Schlackenbildung und Reduktionsmittel zugegeben. Der von den Graphitelektroden zum Schmelzgut verlaufende Lichtbogen erzeugt Temperaturen bis zu 3500°C. Deshalb können auch schwer schmelzbare Legierungelemente wie Wolfram und Molybdän als Ferrolegierungen eingeschmolzen werden. Mit Lichtbogenöfen können alle Stahlsorten hergestellt werden.

Corexverfahren

Der COREX-Prozess ist ein zweistufiges Schmelzreduktionsverfahren („smelting-reduction“), in dem Roheisen auf Basis nicht verkokter Kohle und Eisenerzen hergestellt werden kann. Es ist also kein Verfahren zur Herstellung von Stahl. Ziel des Schmelzreduktionsverfahren ist es, durch die Kombination von Schmelzprozess, Kohlevergasung und Direktreduktion flüssiges Eisen zu erzeugen, dessen Qualität dem Hochofenroheisen entspricht. Die Schmelzreduktion kombiniert den Prozess der Direktreduktion (Vorreduktion von Eisen zu Eisenschwamm) mit einem Schmelzprozess (Hauptreduktion). Der Prozess läuft also zweistufig in getrennten Aggregaten ab. Zuerst werden die Erze zu Eisenschwamm reduziert, im zweiten Schritt erfolgt die Endreduktion und das Aufschmelzen zu Roheisen. Die für den Schmelzvorgang nötige Energie liefert die Verbrennung von Kohle (nicht verkokt). Dabei entstehen große Mengen Kohlenmonoxid als Abgas, das als Reduktionsgas genutzt wird. Der Name COREX leitet sich aus den Worten "Kohle" und "reduziert" ab.

Veränderung von Stahleigenschaften

Stahl kann gewollte Eigenschaften (Härte, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit...) annehmen. Die drei grundsätzlichen Methoden zur Veränderung der Stahleigenschaften sind:
- Legieren
- Wärmebehandlung (Glühen, Härten, Vergüten, Tempcore-Verfahren...)
- Kaltverformen (Walzen, Ziehen...)

Wirtschaftliche und historische Bedeutung

Der Werkstoff Stahl und die Steigerung seiner Produktion ging über etwa 130 Jahre direkt einher mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung bis in die Gegenwart. In manchen Wirtschaftsbereichen (z. B. Schiffbau) stellte die Stahlproduktion die einzige Wachstumsgrenze dar. Die technisch-industrielle Revolution der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und die enorme Steigerung der Stahlproduktion bedingten sich gegenseitig. Der Pariser Eiffelturm symbolisiert als gewaltige Stahlkonstruktion diesen Zeitabschnitt. Die Stahlproduktion einer Volkswirtschaft wurde lange Zeit sogar als Maß für ihre Leistungsfähigkeit angesehen. Vor und nach dem Zweiten Weltkrieg spielte der Stahl bei der Produktion von Rüstungsgütern, insbesondere von Panzern, die Hauptrolle. Deutschlands Norwegenfeldzug wurde wegen des schwedischen Eisenerzes unternommen, und die Alliierten wollten das Ruhrgebiet, damals der größte geografische Waffenproduzent Europas, mittels gezielter Dammbrüche überschwemmen. In der Nachkriegszeit wurde in Europa die Montanunion gegründet, um die Stahlproduktion unter Kontrolle zu halten. Aus dieser Verbindung entstand in mehreren Schritten die Europäische Union.

Rohstoffsituation

Obwohl die Erdkruste zu fünf Prozent aus Eisen, dem wichtigsten Ausgangsmaterial für Stahl, besteht, wird gegenwärtig der Rohstoffbedarf der Industrie nicht gedeckt. Beginnend im 2. Halbjahr 2003 zeigt sich eine dramatisch veränderte Rohstoffsituation, die vor allem durch den stark steigenden Stahlbedarf der Volkswirtschaften in der Volksrepublik China, Indien und Brasilien verursacht wurde. Seit einigen Jahren wächst allein die Stahlproduktion in China jährlich um mehr als die gegenwärtige Gesamtproduktion Deutschlands. Plötzlich reichte die Erzeugung der Erzminen nicht mehr aus, die Umschlagkapazitäten der Erzhäfen waren erschöpft, und es waren auch nicht mehr genug Schiffe für den Erztransport verfügbar. Ähnliche Entwicklungen ergaben sich für Koks, welcher für die Roheisenherstellung benötigt wird, und für Schrott als Sekundärrohstoff für die Stahlerzeugung. Die Konsequenzen aus dieser Entwicklung wurden von den großen Stahlherstellern der Industrieländer unterschätzt, so dass der aktuelle Rohstoffbedarf nicht gedeckt werden kann. Infolgedessen haben sich die Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Gegenwärtig ist Stahl knapp und teuer. Es ist keine Trendwende in Sicht, die Stahlproduktion und der Rohstoffbedarf werden weiter steigen, obwohl die Wachstumsrate durch staatliche Eingriffe gegenwärtig sinkt. Der Bedarf an Eisenerz wird durch das Erschließen neuer Abbaugebiete gedeckt werden können. Außer der Stahlindustrie sind auch Beton und Aluminium von diesem Phänomen betroffen. Eine Ursache für den hohen Erdölpreis ist ebenfalls der gestiegene Rohstoffbedarf der Schwellenländer.

Ökologie

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelbar ist, indem der Schrott wieder geschmolzen wird. Demgegenüber ist der Hochofenprozess ökologisch bedenklich, da er ein bedeutender Emittent von Kohlendioxid ist. Deshalb wird intensiv an neuen Verfahren der Roheisenerzeugung geforscht.

Konkurrenzmaterialien

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerem spezifischem Gewicht, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da diese Werkstoffe aber durchweg weniger fest sind als Stahl, kann der Gewichtsvorteil durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (etwa dünneres Blech mit Aussparungen aber dafür Sicken) ausgeglichen werden.

Arten von Stählen

Nach DIN EN 10020 wird zwischen den zwei Hauptgüteklassen
- Qualitätsstahl (QS) und
- Edelstahl (SS) unterschieden. Die Kurznamen der Stähle sind in der DIN EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt. Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt. In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

Unlegierte Stähle

Unlegierte Stähle werden in Stahlwerkstoffe, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind, und in Stähle für eine Wärmebehandlung eingeteilt.

Niedriglegierte Stähle

(Der Gehalt aller Legierungselemente außer Kohlenstoff beträgt < 5%) Niedriglegierte Stähle haben prinzipiell ähnliche Eigenschaften wie unlegierte Stähle. Technisch wichtig ist ihre wesentlich bessere Eignung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung und mit speziellen Legierungskombinationen auch die erhöhte Warmfestigkeit.

Hochlegierte Stähle

(Der Gehalt eines der Legierungselemente beträgt mindestens 5%) Hochlegierte Stähle sind für Sondereigenschaften erforderlich. Zunderbeständigkeit oder besondere physikalische Eigenschaften lassen sich nur durch hochlegierte Stähle erzeugen

Einteilung nach Anwendungsgebieten

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen dies entnommen werden kann:
- Allgemeiner Baustahl
- Automatenstahl
- Betonstahl
- Einsatzstahl
- Federstahl
- Nichtrostender Stahl (Nirosta) - Diese gibt es als ferritische und austenitische Stähle. Ersterer wird durch Legieren von mindestens zehn Prozent Chrom erhalten. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Die austenitischen Stähle sind bei Raumtemperatur nichtmagnetisch.
- Nitrierstahl
- Säurebeständiger Stahl
- Spannstahl
- Tiefziehstahl - Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst, die zum Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle sind im Allgemeinen sehr weich und dürfen keine ausgeprägte Streckgrenze aufweisen.
- Vergütungsstahl
- Werkzeugstahl - Wird zur Herstellung von Werkzeugen und Formen verwendet.
  - Schnellarbeitsstahl
  - Damaszener Stahl - Dieser ist ein Werkstoff für Säbel und ist für seine Flexibilität und Festigkeit bekannt. Damaszener Stahl ist kein Stahl im eigentlichen Sinn, sondern ein Verbundwerkstoff aus verschiedenen Stählen, die durch Feuerschweißen verbunden werden.

Siehe auch


- Stahl/Tabellen und Grafiken
- Stahlsorte
- Eisen(II)oxid
- Vermieulit
- Stahlblech

Weblinks


- [http://www.tis-gdv.de/tis/ware/stahl/coils/coils.htm Transport-Informations-Service: Fachinformationen zum Transport von Stahl]
- http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/eisen/eisen.html
- http://stahl.profzone.ch/
- http://www.lpm.uni-sb.de/chemie/begleitmaterial/Metallkunde.pdf - Umfangreiches Dokument zur Metallkunde, besonders Eisengewinnung und Stahlherstellung. Im Adobe PDF Format.
- http://www.stahl-online.de mit vielen guten Informationen
- http://www.metallurgie.at - Metallurgiestudium an der Montanuniversität Leoben
- http://www.stahldat.de Informationen zu Normdaten etc. von Stahl
- http://www.quarks.de/dyn/25340.phtml Wissenschaftssendung Quarks&Co: Stahl - kein altes Eisen Kategorie:Baustoff Kategorie:Legierung ja:鋼 simple:Steel

Mischkristall

Als Mischkristall wird ein Kristall oder Kristallit bezeichnet, der aus mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen besteht, wobei die Fremd-Atome oder -Ionen statistisch verteilt sind. Diese können entweder in die Zwischengitterplätze eingelagert sein (Einlagerungsmischkristall oder interstitielle Lösung) oder ein Atom des anderen Elements ersetzen (Substitutionsmischkristall). In der Mineralogie wird der Begriff des Mischkristalls auch auf die Mischung verschiedener Minerale angewendet, wobei diese im einfachsten Fall zweier Minerale eine sogenannte Mischreihe ausbilden und sich die resultierenden Minerale wiederum zu bestimmten Teilen aus den Molekülen der Endglieder, also der beiden Ausgangsminerale, zusammengesetzt sind. Formal entspricht dies einem Substitutionsmischkristall, wie am Beispiel der Mischkristallreihe der Olivine ([Mg, Fe]2SiO4) mit den Endgliedern Forsterit (Mg2SiO4) und Fayalit (Fe2SiO4) deutlich wird. Hyalosiderit und Hortonolith stellen Minerale einer definierten Mischung zwischen beiden Endgliedern dar, also eine bestimmte Anzahl von SiO4-Molekülen mit entweder Eisen oder Aluminium als Zentralatom. Weitere wichtige Beispiele für Mischreihen sind die Feldspäte, Pyroxene oder Amphibole.

Beispiele


- Austenit
- Ferrit

Siehe auch


- Kristall
- Kristallsystem Kategorie:Kristallographie Kategorie:Chemie Kategorie:Mineralogie Kategorie:Metallurgie

Verfestigung

Als Verfestigung bezeichnet man die Zunahme der mechanischen Festigkeit eines Werkstoffs durch plastische Verformung. Insbesondere bei Metallen tritt Verfestigung auf, wenn sie, ggf. auch lokal, über die Elastizitätsgrenze hinaus plastisch verformt werden. Im Zugversuch macht sich das dadurch bemerkbar, dass die wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve nach Überschreiten der Elastizitätsgrenze nicht horizontal, sondern ansteigend verläuft (siehe Grafik). Bild:SpannungDehnung.png Eine Verfestigung kann auch lokal durch Kugelstrahlen, Festwalzen und andere mechanische Bearbeitungsverfahren erzeugt werden. Die Verfestigung kommt dadurch zu Stande, dass bei der plastischen Verformung im Kristallgitter sog. Versetzungen erzeugt und durch das Kristallgitter bewegt werden. Diese Versetzungen können sich an Gitterfehlern oder an anderen Versetzungen aufstauen, so dass ihre Bewegung durch das Kristallgitter gehemmt wird. In Folge dessen steigt die Spannung, die für die weitere plastische Verformung notwendig ist, immer weiter. Wenn sich die Versetzungen im Kristallgitter nicht mehr bewegen können, kommt es zur Werkstofftrennung, zum Bruch. Kategorie:Werkstoffkunde

Kornfeinung

Kornfeinung ist eine Möglichkeit zum Erhöhen der Festigkeit metallischer Werkstoffe. Es handelt sich dabei um die Erzeugung eines feineren, kleineren Korns im Gefüge durch geeignete Wärmebehandlung. Für die Abhängigkeit der Streckgrenze von der Korngröße gilt die sog. Hall-Petsch-Beziehung: :R_e = \sigma_0 + K / \sqrt mit \sigma_0 der Startspannung für die Versetzungsbewegung, K einer Konstante und d_ dem mittleren Korndurchmesser.

Praktische Bedeutung

Die Kornfeinung erhöht neben der Festigkeit auch die Zähigkeit von metallischen Werkstoffen. Dies verringert die Neigung des Stahls zur Entstehung von Warmrissen. Kategorie:Werkstoffkunde

Kategorie:Stoffeigenschaften ändern

Kategorie:Fertigungstechnik Kategorie:Werkstoffkunde Kategorie:Metallurgie

Wikipedia:Articles for deletion/Collydean

:The following discussion is an archived debate of the proposed deletion of the article below. Please do not modify it. Subsequent comments should be made on the appropriate discussion page (such as the article's talk page or on a Votes for Undeletion nomination). No further edits should be made to this page. The result of the debate was KEEP. — JIP | Talk 08:23, 2 October 2005 (UTC)

Collydean

Article about a community in a Scottish town, Glenrothes. I'm not sure what Wikipedia policy is on communites like this, but it looks non notable to me. JoanneB 14:38, 24 September 2005 (UTC) Hey I think its alright that you have added an article on a scottish town - and it's really great that maybe more people from that area could learn more information - but if you Really want to keep it up - then please add some more information on the place - what does the after schoolclubs do - what other sghts can you see in Collydean - etc. Then maybe you can save the article.
- Keep or merge with Glenrothes. Kappa 16:12, 24 September 2005 (UTC)
- Keep or (merge) as per Kappa. Guettarda 02:05, 25 September 2005 (UTC)
- Keep, similar communities are generally considered notable. ··gracefool |☺ 15:40, 27 September 2005 (UTC) :The above discussion is preserved as an archive of the debate. Please do not modify it. Subsequent comments should be made on the appropriate discussion page (such as the article's talk page or in an undeletion request). No further edits should be made to this page.


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