Home About us Products Services Contact us Bookmark
:: wikimiki.org ::
Austenit

Austenit

Als Austenit werden γ-Mischkristalle des Eisens bezeichnet.

Struktur und Eigenschaften

Austenit besitzt eine kubisch-flächenzentrierte Struktur mit einer maximalen Löslichkeit für Kohlenstoff von 2,06 %. Das Gefüge besitzt eine geringe Härte. Seine Festigkeit kann durch Kaltverformung enorm gesteigert werden; dadurch kommt es zu Problemen bei seiner Bearbeitung durch Zerspanung. Bei der Betrachtung durch ein Auflichtmikroskop ist das Gefüge erkennbar an charakteristischen Zwillingsgrenzen. Austenit ist der Haupt-Gefüge-Bestandteil vieler nichtrostender Edelstähle und ist nicht ferromagnetisch. Austenit kommt bei Raumtemperatur nur in Legierungen vor, unlegierte Stähle haben unterhalb von etwa 723 °C den gesamten Austenit zu Perlit und (abhängig vom Kohlenstoffgehalt) Ferrit oder Zementit umgewandelt.

Weitere Bedeutung

Im weiteren Sinn wird der Begriff Austenit auch auf andere kubisch-flächenzentrierte Strukturen übertragen. Ein Beispiel sind die Formgedächtnis-Legierungen. Der Name Austenit stammt von dem Werkstoffkundler Sir William Chandler Roberts-Austen (1843-1902).

Siehe auch


- Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
- Härten

Weblink


- [http://www.lernwerkstoffe.de/ekd.html Eisen-Kohlenstoff-Diagramm] Kategorie:Werkstoffkunde ja:オーステナイト

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

Kubisches Gitter

Das kubische Gitter dient in der Festkörperphysik, der Kristallographie oder in verwandten Naturwissenschaften zur Beschreibung des Kristall-Aufbaus eines Festkörpers. Es gibt drei verschiedene kubische Gitter, nämlich kubisch primitiv, kubisch-raumzentriert und kubisch-flächenzentriert. Im kubischen Gitter befinden sich mathematische Punkte in den Ecken von gedachten Elementar-Würfeln. In einer Kristallstruktur ist das Gitter besetzt mit Atomen, Ionen oder Molekülen.

Symmetrien

Kubische Gitter besitzen zahlreiche Symmetrien, unter anderem:
- Translationssymmetrie entlang der Kanten, Flächendiagonalen und Raumdiagonalen; das bedeutet: ein Verschieben in diese Richtungen erzeugt wieder ein identisches Gitter.
- Rotationssymmetrie um die Mittelachse (vierzählig) und um die Raumdiagonale (dreizählig); das bedeutet: ein Drehen um diese Achsen um einen Viertel- bzw. Drittelkreis erzeugt wieder ein identisches Gitter.
- Spiegelsymmetrie. Weil das Gitter nur aus mathematischen Punkten besteht, hat das Gitter sehr häufig eine höhere Symmetrie als die Kristallstruktur, die aus Atomen, Molekülen oder Ionen aufgebaut ist.

Spezialfälle


Spiegelsymmetrie

Kubisch-Primitives Gitter

Im kubisch-primitiven Gitter (auch simple cubic) befinden sich die Gitterpunkte an den Würfelecken. Die Raumerfüllung beträgt bei gleich großen, sich berührenden Kugeln auf den Gitterplätzen ca. 52%.

Kubisch-Raumzentriertes Gitter (Wolfram-Typ)

Im kubisch-raumzentrierten Gitter (krz, auch bcc für body centered cubic) befinden sich zusätzlich Gitterpunkte in der Mitte des Würfelvolumens. Die Raumerfüllung beträgt ca. 68%. Sie misst damit nur 92% des kubisch-flächenzentrierten Gitters. Die größte Gitterlücke ist die Oktaederlücke. Oktaederlücke

Kubisch-Flächenzentriertes Gitter (Kupfer-Typ)

Im kubisch-flächenzentrierten Gitter (kfz, auch fcc für face centered cubic) befinden sich zusätzliche Gitterpunkte in den jeweiligen Flächenmitten der Würfelflächen. Die Raumerfüllung beträgt ca. 74%. Dies entspricht damit einer dichtesten Kugelpackung, daher findet man auch die Bezeichnung kubisch-dichteste Packung. Die größte Gitterlücke ist die Tetraederlücke.

Siehe auch


- Kubisches Kristallsystem
- Perkolationstheorie Kategorie:Kristallographie

Löslichkeit

Die Löslichkeit eines Stoffes gibt an, ob und in welchem Umfang ein Reinstoff in einem Lösungsmittel gelöst werden kann. Sie bezeichnet also die Eigenschaft eines Stoffes, sich unter homogener Verteilung (als Atome, Moleküle oder Ionen) mit dem Lösungsmittel zu vermischen. Meist ist das Lösungsmittel eine Flüssigkeit. Es gibt aber auch feste Lösungen, wie z.B. Legierungen, Gläser, keramische Werkstoffe und dotierte Halbleiter. Bei der Lösung von Gasen in Flüssigkeiten bezeichnet der Begriff "Löslichkeit" einen Koeffizienten, der die im Diffusionsgleichgewicht mit dem Gasraum in der Flüssigkeit gelöste Gasmenge bezogen auf den Druck des Gases angibt. Man unterscheidet die
- qualitative Löslichkeit (ist der Stoff in einem bestimmten Lösungsmittel löslich?) und die
- quantitative Löslichkeit (welche Stoffmenge kann in einem Liter eines bestimmten Lösungsmittels gelöst werden?).

Qualitative Löslichkeit

In welchen Flüssigkeiten ein Stoff löslich ist, hängt von dem chemischen Aufbau eines Stoffes ab. So sind salzartige Stoffe fast nur in polaren Lösungsmitteln wie Wasser oder auch Fluorwasserstoff (HF) löslich. Viele lipophile, z. B. wachsartige, Stoffe sind dagegen nur in organischen Lösungsmitteln wie Benzin (ein apolares Lösungsmittel) löslich. Einige, wie zum Beispiel Ethanol (Trinkalkohol) sind sowohl in Wasser als auch apolaren Lösungsmitteln löslich. Aceton ist mit fast jeder Flüssigkeit mischbar. Heute weiß man, daß es bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt allein aus thermodynamischen Gründen (Entropie) für jeden Stoff in jedem anderen Stoff immer eine gewisse Löslichkeit geben muß. Die immer genauer werdenden Analysemethode bestätigen das.

Quantitative Löslichkeit

Die Löslichkeit eines Stoffes in einem Lösungsmittel ist nicht in allen Fällen begrenzt. So ist Saccharose mit Wasser in einem beliebigen Verhältnis mischbar. Bei der Mischung von Phenol mit Wasser gibt es dagegen zwei Bereiche: eine Lösung von Phenol in Wasser und eine Lösung von Wasser in Phenol. Dazwischen bleibt ein Bereich "verbotener" Mischungsverhältnisse ausgespart, der zur Ausbildung einer Schichtung von zwei flüssigen Phasen führt. Die quantitative Löslichkeit gibt bei begrenzt löslichen Systemen die Menge eines Stoffes an, die unter gegebenen Bedingungen (Temperatur, Druck, wenn nicht anders angegeben Standardbedingungen) maximal in einer bestimmten Menge der Lösung löslich ist. Bei Salzen muss die Löslichkeit aus dem Löslichkeitsprodukt berechnet werden: K_L = [\mathrm A^+]^m [\mathrm B^-]^n Die Löslichkeit des Salzes AmBn: L = \frac = \frac = \sqrt[n+m] Die quantitative Löslichkeit wird in verschiedenen Einheiten angegeben:
- g / l Lösung
- g / 100 g Lösung ("Gewichtsprozent", korrekter: "Massenprozent")
- ml / 100 ml Lösung ("Volumenprozent", Vol.-%)
- g / kg Lösung
- Mol / l Lösung (Molarität)
- Val / l Lösung (Normalität, eigentlich veraltet, aber in Chemie- und Medizinischen-Laboratorien noch weit verbreitet)
- Mol / kg Lösemittel (Molalität) In gemischten Lösungen, wie in z.B. natürlichen Wässern, kommt es regelmäßig vor, dass die Konzentrationen von Anionen und Kationen nicht stöchiometrisch paarweise übereinstimmen, wie es der Lösung einzelner Salze entspräche. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist der gelöste Kalk, der durch gelöstes Kohlenstoffdioxid als Kalziumhydrogenkarbonat in Lösung geht. Über das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure verschieben sich mit den ständig wechselnden Kohlenstoffdioxid-Gehalten des Wassers (z.B. durch Atmung und Photosynthese der Wasserorganismen) auch die Konzentrationen der Carbonat- und Hydrogencarbonat-Anionen, während die Konzentration der Calcium-Kationen davon zunächst unberührt bleibt. In diesem Fall entscheidet das Produkt aus den durchaus nicht äquvalenten Konzentrationen an Calcium- und Carbonat-Ionen darüber, ob und in welchem Umfang es wegen einer Überschreitung des Löslichkeitsproduktes zu einer Ausfällung von Calciumcarbonat (z.B. als Kesselstein oder Seekreide) kommt.

Beispiel für die Löslichkeitsberechnung eines Einzelsalzes

Berechnung der Löslichkeit für Aluminiumsulfat in Wasser, bei bekanntem KL
\mathrm 2 Al^ + \mathrm 3 SO^_4 Bild:Gleichgewicht.png \mathrm Al_2(SO_4)_3 K_L = [\mathrm Al^]^2 \cdot [\mathrm SO^_4]^3 Das heißt: Aus jeder Formeleinheit Aluminiumsulfat entstehen in der Lösung 2 Aluminiumionen und 3 Sulfationen.
Weiterhin gilt folgender Zusammenhang zwischen Reaktionskonstante KL und der Löslichkeit L:
\mathrm [Al^] = 2L bzw. \mathrm [SO^_4] = 3L Die Faktoren vor L erklären sich durch den Stöchiometrischen Faktor.
Dies setzt man nun in die Gleichung für KL ein, daraus folgt dann: K_L = \mathrm(2L)^2 \cdot \mathrm(3L)^3 damit L = \sqrt[5] Jetzt noch KL einsetzen in den Taschenrechner eintippen: Fertig

Lösung von Gasen in Flüssigkeiten

An der Grenzfläche zwischen Gasen und Flüssigkeiten kommt es zur Diffusion von Gasmolekülen zwischen dem Gasraum und dem Lösungsraum. Dabei ist der Eintritt von Molekülen in die Lösung proportional dem Partialdruck des Gases und der Austritt proportional der Konzentration des Gases in der Lösung (siehe Henry-Gesetz). Bei der sog. Sättigungskonzentration herrscht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen beiden Diffusionsrichtungen. Die Sättigungskonzentration ist proportional zum Partialdruck im Gasraum. Der verbindende Proportionalitätsfaktor wird hier als "Löslichkeit" bezeichnet: Gaslöslichkeit(Gas i) = Partialdruck(i) / Sättigungskonzentration(i) Das heißt, dass die Gaslöslichkeit mit steigendem Druck zunimmt. Generell gilt auch, dass die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten mit steigender Temperatur abnimmt.

Lösung von Metallen in Metallen

Im normalen Sprachgebrauch stellt man sich unter Lösungen meist flüssige Medien vor, aber es gibt (bei Raumtemperatur) auch feste Lösungen - die Legierungen. Lösungen von Metallen in Metallen werden Legierungen genannt. So ist zum Beispiel Schmuckgold oft eine Lösung von Gold in Silber (und umgekehrt).

Siehe auch


- Lösung (Chemie)
- Legierung
- Stoffkonzentration
- Chemie für die Schule
- Portal:Chemie Kategorie:Chemie Kategorie: Eigenschaft

Kohlenstoff

Kohlenstoff (von lat. carbo = Holzkohle und lat. carbonium = Kohlenstoff) ist ein chemisches Element. Es kommt in der Natur sowohl in gediegener Form als auch chemisch gebunden vor. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration (halbgefüllte L-Schale) besitzt es die Fähigkeit zur Bildung von komplexen Molekülen und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens.

Modifikationen des Kohlenstoff

Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren allotropen Modifikationen vor: Diamant, Graphit und Fullerene. Makroskopisch sind die Eigenschaften nahezu diametral.
Graphit ist ein guter elektrischer Leiter von tiefschwarzer Farbe. Dabei ist die Leitfähigkeit anisotrop: sehr gut entlang der Kristallebenen und schlecht senkrecht zu den Ebenen. Er ist leicht spaltbar und dient als Schmiermittel. Diamant hingegen ist ein sehr guter Isolator und transparent. Außerdem ist Diamant das härteste bekannte Element und wird als Schleifmittel eingesetzt. Alle Werkstoffe auf Kohlenstoff-Basis lassen sich auf diese beiden Grundtypen zurückführen (siehe unten).

Atommodell des Kohlenstoffs

Das Modell der Atom- und Molekülorbitale veranschaulicht, wie es zu der unterschiedlichen Ausprägung der Erscheinungsformen des Kohlenstoffs kommt. Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen. Nach dem Schalenmodell besetzen zwei Elektronen die innere 1s-Schale. Das 2s-Niveau der zweiten Schale nimmt ebenfalls zwei Elektronen auf, zwei weitere das 2px- und 2py- Niveau. Nur die vier äußeren Elektronen der zweiten Schale treten chemisch in Erscheinung. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in einem s-Niveau ist kugelförmig. In einem p-Niveau ist sie anisotrop. Die Elektronen bevölkern einen tropfenförmigen Raum, jeweils einen Tropfen links und rechts vom Zentrum entlang der x-Achse, wenn man sich das Atom im Zentrum eines kartesischen Koordinatensystem plaziert vorstellt. Senkrecht dazu stehen das py- und pz-Orbital.

Diamant (sp3) Struktur

Schalenmodell Die s und p Niveaus können [Hybrid-Orbitale|hybridisieren] und 4 energetisch gleichwertige sp3-Orbitale bilden.Orbitale besitzen eine langgestreckte Tropfenform an. War sie bei den p- Orbitalen spiegelsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordnet, erscheinen sie jetzt keulenartig in eine Richtung verlängert. Das Bild veranschaulicht die Hauptkeulen, die Nebenkeulen wurden der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen.
Die vier sp3-Orbitalesind symmetrisch zueinander im Raum orientiert, sie zeigen in die Ecken eines gedachten Tetraeders. Überlappen sich die sp3-Orbitale von Atomen, können sie feste kovalente Bindungen bilden, die dann die tetraedrische Struktur wiederspiegeln. Sie bilden das Grundgerüst des Diamantgitters (siehe Kristallstruktur dort.)

Graphit (sp2) Struktur

Diamant Sind nur 2 der p-Orbitale an der Hybridisierung beteiligt, entstehen die sog. sp2-Orbitale. Die sp2- Orbitale richten sich senkrecht zum übriggebliebenen p-Orbital aus. Steht beispielsweise das p-Orbital senkrecht auf der x-y-Ebene, liegen die sp2- Orbitale symmetrisch in der x-y-Ebene. Sie haben den gleichen Winkel von 120° zueinander. Das Bild links veranschaulicht die Situation. Das p-Orbital ist der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen worden. sp2-Kohlenstoff-Atome können miteinander kovalente Bindungen bilden, die dann in einer Ebene liegen. Ihre Struktur ist hexagonal, d.i. die Grundstruktur der Planarebenen des Graphits (siehe Kristallgitterstruktur dort). Die übriggebliebenen p-Orbitale wechselwirken ebenfalls untereinander. Sie formen die pi-Bindungen mit deutlich geringeren Bindungsenergien als die sigma-Bindungen der sp2 beziehungsweise sp3-Orbitale.
Chemisch sprechen wir von einer Doppelbindung. Die Schreibweise C=C vernachlässigt den unterschiedlichen Charakter beider Bindungen.
Die Bindungsenergie der diamantartigen tetraedrischen sp3-Einfachbindung 'C-C' liegt bei 350 kJ/mol, die der graphitartigen hexagonalen sp2-Doppelbindung C=C nur um 260 kJ/mol höher.
In einem Kohlenstoff-Ring mit sechs Kohlenstoff-Atomen stabilisiert sich die pi-Bindung durch Delokalisierung der Elektronen innerhalb des Rings (mehr dazu siehe Benzol).

Dreifach (sp1) Bindung

Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital hybridisiert, ergeben sich zwei linear angeordnete Bindungskeulen. Orientieren wir sie entlang der x-Achse, zeigen die verbliebenen p-Orbitale in y- und z-Richtung. Zwei sp-hybridisierte Atome können eine Kohlenstoff-Dreifachbindung formen. Ein Beispiel ist das Gas Ethin (Acetylen) HC ≡ CH. Während sp3-Bindungen dreidimendionale Strukturen formen und sp2 zweidimensionale, bilden sp1-Bindungen höchstens eindimensionale Ketten, wie zum Beispiel H-C≡C-C≡C-H.

Erscheinungsformen des Kohlenstoffs

Elementarer Kohlenstoff existiert in drei Modifikationen, basierend auf den Bindungsstrukturen sp3 und sp2: Diamant, Graphit und Fulleren. Neben diesen drei Modifikationen gibt es weitere unterschiedliche Formen elementaren Kohlenstoffs.

Modifikationen

Diamant

Siehe auch: Diamant
Die sp3-kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoff-Atome besitzen keine freien Elektronen. Das Material ist ein Isolator mit einer Bandlücke von 5.45 eV, der sichtbares Licht nicht absorbiert. Zugabe von Fremdatomen erzeugt Zustände in der Bandlücke und verändert somit die elektrischen und optischen Eigenschaften. So ist der gelbliche Ton vieler natürlicher Diamanten auf Stickstoff zurückzuführen wärend mit Bor dotierte Diamanten bläulich aussehen und halbleitend sind. Der Diamant wandelt sich unter Luftabschluß bei hohen Temperaturen in Graphit um. Er verbrennt bereits bei ca. 700-800 °C zu Kohlendioxid. Diamant gilt unter normal Bedinungen (1 bar/25 °C) gemeinhin als die metastabile Form des Kohlenstoffes. Aufgrund neuerer Forschung ist dies aber nicht mehr sicher, weil
1) die thermodynamische Stabilität zu niedrigen P-T-Bedingungen lediglich extrapoliert ist,
2) bei Gleichgewichtsuntersuchungen der Einfluß der Umgebung -geringe Spuren von Verunreinigungen, die unterhalb der heutigen Detektionsgrenze liegen, können bereits drastische Auswirkungen auf die Gleichgewichtslage einer Reaktion haben- nicht berücksichtigt wurde/wird (s.h. Carpenter, M.A: Thermodynamics of phase transitions in minerals: a macroscopic approach, in: Stability of Minerals, Chapman & Hall London, 1992 oder Salje, E.: Phase transitions in ferroelastic and coelastic Crystals, Cambridge University Press, Cambridge 1990)) und schließlich
3) Experimente chinesischer Wissenschaftler zeigen, daß in einer hydrothermalen Reaktion zwischen metallischem Natrium und Magnesiumcarbonat Kohlenstoff und Diamant stabil nebeneinander koexistieren.

Graphit

Siehe auch: Graphit
Die sp2-kovalent hexagonal gebundenen Kohlenstoff-Atome formen hochfeste Ebenen. Die Ebenen untereinander sind nur locker über Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Makroskopisch dominiert die Spaltbarkeit entlang der Planarebenen. Da die Ebenen so dünn sind, tritt ihre außerordentliche Festigkeit bei Graphit nicht in Erscheinung. Wegen dieser Struktur verhält sich Graphit sehr [anisotrop]: Entlang der Kristallebenen ist Graphit thermisch und elektrisch sehr leitfähig, die Leitung von Wärme oder Ladungen von Kristallebene zu Kristallebene ist dagegen relativ schelcht.

Fullerene

Siehe auch: Fulleren
Eine hexagonale Struktur ist planar. Ersetzt man einige Sechsecke durch Fünfecke, entsteht eine räumliche Struktur, die Fullerene. Die sp2-Bindungen liegen nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden ein räumlich geschlossenes Gebilde. Die kleinste mögliche Struktur erfordert 60 Kohlenstoff-Atome und gleicht im Aufbau einem Fußball. Die Molekülkugeln untereinander binden sich über eine schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung, genauso wie beim Graphit die Basalebenen. Die aus 60 bzw. 70 Atomen bestehenden Formen lassen sich isolieren und kristallisieren und können daher als Modifikation(en) gelten.

weitere Formen von Kohlenstoff

Graphen

Als Graphen bezeichnet man eine monoatomare Schicht von Kohlenstoff, die einer Basalebene entspricht. Wie bei Alkenen verweist die Endung en auf ungesättigte Doppelbindungen in den Kohlenstoff-Ringen (Betonung: Graph-én). Man versucht, Monolagen in makroskopischer Ausdehnung herzustellen, um die hohe Anisotropie der elektrischen Eigenschaften entlang und senkrecht zur Ebene für die Herstellung neuartiger Halbleiter zu nutzen. Streng genommen kann man Graphen nicht als Modifikation bezeichnen, da es parktisch um einen zweidimensionalen Kristall handelt.

Kohlenstoffnanoröhren

Siehe auch: Kohlenstoffnanoröhre
Eine weitere Form von Kohlenstoff sind zylindrisch angeordnete, sp2-gebundene Kohlenstoffatome. Ihre Geometrie entsteht aus einer planaren Schicht Graphit, die zu einem Zylinder aufgerollt wird. Die entstandene Röhre kann zusätzlich noch verdreht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Es können mehrere einwandige Röhren konzentrisch ineinander liegen, so dass man von multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) spricht, im Gegensatz zu single-walled carbon nanotubes (SWCNT). (siehe Kohlenstoffnanoröhren).

Kohlenstoffnanoschaum

Kohlenstoffnanoschaum ist eine zufällig orientierte, netzartige Anordnung von Kohlenstoff-Clustern, ähnlich der von Glaskohlenstoff, nur mit deutlich größeren Hohlräumen. Ihr durchschnittlicher Durchmesser liegt bei sechs bis neun Nanometern. Technisch gesprochen ist Kohlenstoffnanoschaum ein Aerogel mit einer Dichte von 0.2-1.0 Gramm/Kubikzentimeter.

Kohlenstoff-Fasern

Siehe auch: Kohlenstofffaser
Kohlenstoff-Fasern bestehen aus graphitartig sp2-gebundenem Kohlenstoff. In einer Idealfaser liegen die Graphitlagen geordnet wie in einer langen Papierrolle vor, die Graphitebenen orientiert entlang der Faserachse. In Wirklichkeit sind die Ebenen stark gestört und bilden nur lokale Ordnungen aus. Das Maß der Störung beeinflusst die Festigkeit.
Kohlenstofffasern sind serh zugfest und werden daher in Verbundwerkstoffen genutzt.

Ruß

Siehe auch: Ruß
Ruß besteht ebenfalls aus Kohlenstoff auf Graphitbasis. Je reiner der Ruß, desto deutlicher treten die Eigenschaften von Graphit hervor. Lampen- oder Kerzenruß ist stark mit organischen Verbindungen verunreinigt, die die Bildung größerer Graphit-Verbände verhindern.

Aktivkohle

Siehe auch Aktivkohle
Behutsames Graphitieren von organischen Materialien, wie zum Beispiel Kokosnuss-Schalen, führt zu einem porösen Kohlenstoff. Die Hohlräume stehen wie bei einem Schwamm miteinander in Verbindung und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Aktivkohle filtert Feststoffe aus Flüssigkeiten und kann Gase adsorbieren.

Glaskohlenstoff

Glasartiger Kohlenstoff ist eine Kohlenstoffform mit ausgeprägter struktureller Fehlordnung und glasartigem Bruchbild. Die Kohlenstoffatome mit sp2-Bindung sind in ebenen Schichten mit hexagonaler Symmetrie angeordnet. Im Gegensatz zu Graphit sind diese Schichten bei glasartigem Kohlenstoff nicht regelmäßig über größere Bereiche hinweg geordnet. Bänder aus graphitisch geordneten, übereinander geschichteten Strukturen bilden eine polymerähnliche Knäuelstruktur. Glasartiger Kohlenstoff ist im Makrobereich porenfrei, zwischen den Graphitschichten sind aber zahlreiche Hohlräume vorhanden. Ähnlich wie bei Gläsern beträgt der Durchmesser etwa 1 bis 3nm. Folgen der strukturellen Fehlordnung sind die geringe Dichte, die im Vergleich zu Graphit geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit und die Isotropie des Werkstoffs. Trotz der aufgeweiteten Struktur beträgt die Helium-Permeabilität nach der Vakuumverfallsmethode nur 10-11 cm² s-1. Neben seiner isotropen Festigkeit verbindet glasartiger Kohlenstoff die guten Hochtemperatureigenschaften von Graphit. Er sublimiert im Vakuum oder Inertgas erst bei Temperaturen oberhalb 3000 °C und oxidiert an Luft bei etwa 600 °C. Er ist hitze - und kälteschockbeständig. Glaskohlenstoff bildet auf Grund der starken Fehlordnung keine Interkalationsverbindungen. Die Folge ist die außerordentlich hohe Korrosionsbeständigkeit gegen saure und alkalische Reagenzien und Schmelzen. Lediglich Sauerstoff über 600 °C und oxidierende Schmelzen greifen Glaskohlenstoff an. Die hohe Reinheit des Werkstoffs prädestiniert Ihn für Anwendungen in der Analytik, Halbleiter- und Reinststofftechnik. Da Gefäße aus glasartigem Kohlenstoff keine Memory-Effekte zeigen, ist das Material im Bereich der Ultraspurenanalytik vielseitig einsetzbar.

Amorpher Kohlenstoff

(Entwurf: Sehr selten, nicht zu verwechseln mit Ruß. Enthält neben sp2 auch Anteile von sp3 gebundenem Kohlenstoff.)

Kohlenstoff-Verbindungen

Beispiele einiger anorganischer chemischer Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten:
- Oxide des Kohlenstoffs: Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Kohlenstoffsuboxid (C3O2)
- Kohlensäure (H2CO3) sowie ihre Salze, die Carbonate.
- Kohlenstoffdisulfid (Schwefelkohlenstoff, CS2).
- Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, Stahl.
- Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung Die gesamte lebende Natur basiert auf so genannten organischen Kohlenstoff-Verbindungen, hauptsächlich in Verbindung mit Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Zwischen der Erde, ihren Ozeanen und der Erdatmosphäre findet ein kontinuierlicher Fluss von Kohlenstoff statt. Diesen Prozess nennt man Kohlenstoffzyklus. Die organische Chemie umfasst, aufgrund der Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Ketten und kovalente Bindungen mit anderen Atomen zu bilden, mehr Verbindungen als die gesamte anorganische Chemie. Auch die Biochemie ist ein Teil der organischen Kohlenstoffchemie.

Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung

Die Inkohlung erhöht den Kohlenstoffgehalt organischer Substanzen innerhalb geologischer Zeiträume. Dieser Prozess führte zur Entstehung von Braun- und Steinkohle aus Pflanzenmaterial des Karbons. Ein schnelleres Verfahren ist das Aufheizen unter Intertgas. Die Karbonisierung (bis ca. 1900 °C) und Graphitierung bzw. Graphitisierung (oberhalb 2000 °C) führen zu hohen Kohlenstoffanreicherungen, je nach Materialmenge in Minuten oder wenigen Tagen. Kohlenstoffgehalt in Gew.-% einiger Rohstoffe für die Kohlenstoff-Gewinnung:
- Anthrazit: >90%
- Holzkohle: 90%
- Steinkohle: 85-90%
  - Koks (durch Karbonisierung von Steinkohle): ?
- Braunkohle: 60-75%
- Erdöl: 85-90%
- Erdgas: 85-95%
- Torf: 56
- Holz: 45-50%
  - Holzkohle (durch Karbonisierung von Holz): 80-90%

Weblinks


- [http://www.ifres.ch/Homepage/DB/Diss_Mauron.pdf Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes] (in Englisch)
- [http://www.chemieseite.de/hauptelemente/node35.php Kohlenstoff auf Chemieseite.de]
- [http://www.htw-germany.com/de/content/glaskohlenstoff.php?aw=1 Glaskohlenstoff] Siehe auch: organische Chemie, Radiokarbonmethode, Polymer, Kohlenstoff-Senke, Kohlendioxid Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Gruppe-14-Element Kategorie:Periode-2-Element ja:炭素 ko:탄소 ms:Karbon simple:Carbon th:คาร์บอน

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

Zerspanung

Zerspanung, auch Spanen genannt, bezeichnet in der Technologie alle mechanischen Bearbeitungsverfahren, bei denen das Material in die gewünschte Form gebracht wird, indem es in Form von Spänen abgetragen wird. Üblicherweise wird der Begriff Spanen (Zerspanen) heute meist im Zusammenhang mit der Metallbearbeitung gebraucht, obwohl auch die spanende Bearbeitung aller anderen festen Werkstoffe wie Holz und Kunststoff dazu gehört. Dazu hat die Industrialisierung und die damit einhergehende Entwicklung der Massenfertigung entscheidend beigetragen. Aus den Maschinenarbeitern in der Metallindustrie entwickelte sich das Berufsbild des Zerspanungsfacharbeiters bzw. Zerspanungsmechanikers. Genau genommen gehören aber auch die manuellen spanenden Formgebungsverfahren zum Spanen. Das Spanen oder auch zerspanen genannt ist ein Themenfeld in der Produktionsforschung. Das Grundprinzip des Spanens beruht auf dem Eindringen einer keilförmigen Werkzeugschneide in die Oberfläche des Werkstücks und anschließendem Abschälen einer dünnen Materialschicht, dem Span. Das Werkzeugmaterial muss dabei stets härter sein als der bearbeitete Werkstoff. Zur Bearbeitung relativ weicher Werkstoffe genügen einfache Stähle als Werkzeugmaterial. Bei härteren Materialien werden spezielle Werkzeugstähle, Hartmetall, Sinterwerkstoffe, Schneidkeramik, Korund oder Diamant als Werkzeugschneiden eingesetzt. Die Schneide kann eine exakt definierte Schneidengeometrie aufweisen, wie beispielsweise beim Drehen und Gewindeschneiden (spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide), oder unregelmäßig geformt sein wie beim Schleifen (spanende Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide).

Spanende Verfahren


- Bohren
- Drehen (Verfahren)
- Feilen
- Fräsen
- Gewindeschneiden
- Honen
- Hobeln
- Läppen
- Räumen
- Reiben
- Sägen
- Schleifen
- Schaben
- Stoßen

Maschinen zur Zerspanung


- Bohrmaschine
- Drehmaschine
- Fräsmaschine
- Hobelbank, Hobelmaschine
- Räummaschine
- Sägemaschine
- Schleifmaschine
- Stoßmaschine (Shaper)

Zerspanungswerkzeuge


- Bohrer
- Drehmeißel
- Feile
- Fräser
- Gewindebohrer
- Hobel
- Säge
- Schleifscheibe
- Schneideisen
- Wendeschneidplatten Kategorie:Zerspanen

Kristallzwilling

Ein Kristallzwilling besteht aus zwei miteinander verwachsenen Kristallen der gleichen Struktur und Zusammensetzung. Die beiden Einzelkristalle lassen sich entweder durch Punktspiegelung (Inversion), durch Spiegelung an einer Ebene, der so genannten Zwillingsebene, oder durch eine 180-Grad-Drehung um eine Achse, die dann Zwillingsachse genannt wird, zur Deckung bringen. Im Zwillingsgesetz werden diese Elemente durch die Millerschen Indizes ausgedrückt. Falls es sich bei Zwillingsebene oder -achse um Symmetrieebenen oder -achsen der Kristalle handelt, spricht man nicht von einem Zwilling, sondern nur von einer einfachen Parallelverwachsung. Mit der Zwillingsebene nicht notwendigerweise identisch ist die Verwachsungsfläche der beiden Kristalle, die durchaus eine Symmetrieebene sein kann: Bei Identität spricht man von Kontaktzwillingen, sonst von Durchwachsungszwillingen. Durch Verwachsung mehrerer Kristalle können auch Drillinge, Vierlinge etc. entstehen. Je nach Komplexität dieses Verzwilligungsprozesses kann ein so genannter Zwillingsstock entstehen, der eine höhere Kristallsymmetrie aufweist als die Einzelkristalle. Die Entstehung von Kristallzwillingen kann einerseits bereits auf Störungen der Struktur im Kristallkeim zurückgehen, aus dem sich der Kristall durch gleichmäßiges Wachstum entwickelt. In diesem Fall handelt es sich um einen Wachstumszwilling. Sie kann andererseits auch erst durch äußere Einflüsse hervorgerufen werden, beispielsweise durch mechanische Belastung oder durch temperaturbedingte Phasenübergänge des zugrundeliegenden Minerals, so dass man von Druck- beziehungsweise Umwandlungszwillingen spricht. Für die Analyse von Kristallzwillingen ist das Konzept der Punktgruppen sehr hilfreich. Durch das Vorhandensein von Zwillingssymmetrie wird eine höhere Symmetrie vorgetäuscht als der tatsächlichen Kristallstruktur entspricht. Man spricht auch vom Zwillingsgitter im Gegensatz zum tatsächlichen Kristallgitter. Das tatsächliche Kristallgitter findet man durch Weglassen von Symmetrieelementen des Zwillingsgitters; das Kristallgitter ist also eine Untergruppe der Punktgruppe des Zwillingsgitters. Gehören Zwillingsgitter und Kristallgitter zur selben Lauegruppe, so spricht man von einem merohedrischen Kristallzwilling (Verzwilligung durch Merohedrie). In allen anderen Fällen handelt es sich um nichtmerohedrische Kristallzwillinge. Im triklinen, monoklinen und orthorhombischen Kristallsystem sind merohedrische Kristallzwillinge immer Inversionszwillinge. Kategorie:Mineralogie Kategorie:Kristallographie

Ferromagnetismus

Der Ferromagnetismus (v. lat.: ferrum = Eisen + v. griech.: magnetis (lithos) = Stein aus Magnesien) ist ein kooperatives Phänomen von Festkörpern welches dadurch charakterisiert ist, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen. Ferromagnetische Festkörper bezeichnet man als Ferromagneten. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden "Domänen" oder "Weißsche Bezirke" genannt. Sie treten in Größen von 0,01 mm bis 1 mm auf und sind im unmagnetisierten Zustand (der Substanz) nicht einheitlich orientiert. Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagneten sind dann nur noch paramagnetisch. Die Temperatur, ab der die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur T_ (nach Pierre Curie, dem Mann von Marie Curie) bezeichnet. Der Paramagnetismus bleibt für alle Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur erhalten, selbst nach Übergang des Festkörpers in Flüssigkeitsphase oder Gasphase. Ferromagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur zeigen die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt. Bei tieferen Temperaturen werden auch die Lanthanoide Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Terbium ferromagnetisch. In der Praxis verwendet man häufig ferromagnetische Legierungen wie z.B. AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, NiMo („Permalloy“), oder NiCuCo („Mumetall“). Bemerkenswert ist, dass unter bestimmten Umständen auch einige Verbindungen im Allgemeinen nicht ferromagnetischer Elemente ferromagnetisches Verhalten aufweisen, beispielsweise Chromdioxid oder Europiumoxid.

Physikalischer Ursprung

Träger der elementaren magnetischen Momente sind die Elektronenspins. Wie bei anderen kooperativen magnetischen Phänomenen ist auch beim Ferromagnetismus die magnetische Wechselwirkung viel zu schwach, um für die Ordnung der Spins verantwortlich zu sein. Bei der ferromagnetischen Ordnung kommt noch hinzu, dass die parallele Ausrichtung magnetischer Momente energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die Austauschwechselwirkung. Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit des relativen Atomabstandes zeigt. Der relative Atomabstand ist hierbei das Verhältnis des Atomabstandes der benachbarten Atome zum Durchmesser der nicht abgeschlossenen Elektronenschale. In einem Satz: „Die Ordnung der magnetischen Momente wird durch die Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch magnetische Wechselwirkung!“

Domänen

Die Austauschwechselwirkung wirkt nur zwischen Fermionen, deren Wellenfunktionen einen wesentlichen Überlapp aufweisen, in der Regel also nur zwischen nahegelegenen Teilchen. Die magnetische Wechselwirkung wirkt hingegen auch zwischen weit entfernt liegenden magnetischen Momenten. Daher steigt in einem ausgedehnten Ferromagneten der magnetische Energieaufwand irgendwann über den Energiegewinn der Austauschwechselwirkung. Die ferromagnetische Ordnung des Festkörpers zerfällt dann in unterschiedlich orientierte Domänen. Die Bereiche des Festkörpers, in denen unterschiedlich orientierte Domänen aufeinandertreffen, heißen Domänenwand. Je nach Drehsinn der Magnetisierung in der Wand spricht man von Blochwand oder Néelwand. Die Ausbildung der Domänenwand erfordert die Verrichtung von Arbeit gegen die Austauschwechselwirkung, die Verkleinerung der Domänen (des Volumens einer zusammenhängenden Domäne) reduziert die magnetische Energie eines Festkörpers. Diese Arbeit kann aus der Fläche der Hystereseschleife berechnet werden. Aufgrund der nicht kontinuierlich erfolgenden Ausrichtung der Weißschen Bezirke unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder können sog. Barkhausensprünge beobachtet werden.

Siehe auch


- Magnetische Ordnung
- Antiferromagnetismus
- Ferrimagnetismus
- Paramagnetismus
- Diamagnetismus
- Pyromagnetismus
- Ferrofluid Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Magnetismus ja:強磁性

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

Perlit (Stahl)

Allgemeines über Perlit

Perlit ist ein lamellares eutektoides Gefüge (eutektoider Punkt bei 0,8% Kohlenstoff) aus Ferrit und Zementit in Stahl. Perlit ist keine Phase, sondern ein Phasengemisch. Er entsteht isotherm bei 723 °C (im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Linie PSK) und einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,02% und 6,67%. Bis 2,06%C liegt der Perlit als Gefügebestandteil vor, oberhalb von 2,06%C ist der Perlit Bestandteil des Ledeburits II (eutektisches Gefüge). Er hat eine mittlere Härte und Festigkeit. Häufig spricht man von einer Perlitstufe, die gemessen am Lamellenabstand, in Perlit, Sorbit und Troostit unterteilt wird. Durch das Ätzen bei der Erstellung eines Schliffbildes wird Ferrit stärker angegriffen, als Zementit, weshalb die Zementitlamellen etwas aus der Oberfläche hervortreten und bei Vergrößerung als Schattenlinien auftreten. Weiterhin wird weißes Licht an den hervorstehenden Lamellen gebeugt und leicht geschwächt in perlmutfarbiger Färbung reflektiert. Diesem Effekt verdankt das Gefüge den Namen Perlit.

Perlitbildung

gebeugt Bei der Bildung des Eutektoids Perlits verarmt das Gefüge lokal an Kohlenstoff, während sich die Nachbargebiete durch Diffusion immer weiter an Kohlenstoff anreichern. Bedingt durch die Abwechslung von kohlenstoffarmen und -reichen Gebieten, entsteht dabei die typische Lamellenstruktur. Stellt sich nun ein Kohlenstoffgehalt von 0,02% in der kohlenstoffarmen Lamelle ein, klappt das Gefüge der Lamelle in Ferrit (α-Fe) um. Der Kohlenstoffgehalt in der kohlenstoffreichen Lamelle dagegen steigt bis 6,67%, es bildet sich also Zementit (Fe3C), den man, da er aus dem Austenit (γ-Fe) entsteht auch Sekundärzementit (Fe3CII) nennt.
Kühlt das Gefüge weiter ab, so fällt aus dem α-Fe, bedingt durch die sinkende Fähigkeit Kohlenstoff zu binden (0,00001% Kohlenstoff bei Raumtemperatur), weiter Zementit aus, den man jetzt, da er aus α-Fe ausfällt, Tertiärzementit (Fe3CIII) nennt. Bei einer untereutektoiden Perlitbildung, also bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,02 Ma.% < C < 0,8 Ma.% , entsteht im Gefüge bei Temperaturen oberhalb von 723°C bereits α-Eisen aus dem γ+α-Gebiet, weshalb bei Temperaturen unterhalb von 723°C neben dem im Perlit enthaltenen α-Eisen auch noch α-Eisen aus dem γ+α-Gebiet vorliegt. Bei einer übereutektoiden Perlitbildung, also bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 Ma.% < C < 6,67 Ma.%, entsteht bereits vor der Perlitumwandlung Zementit. Im Gegensatz zu dem bei der Perlitbildung entstehenden Zementit, liegt dieser Zementit nicht in Lamellenform vor, sondern bildet sich vornehmlich an den Korngrenzen und ist somit gefügemäßig zu unterscheiden. Ist die Starttemperatur klein, so daß es zu keiner Diffusion von Kohlenstoff kommen kann, kann auch kein Perlit entstehen. Stattdessen bildet sich bei der Abkühlung das Zwischenstufengefüge Bainit.

Einfluß der Abkühlgeschwindigkeit

Bainit Idealerweise gehorcht das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm den Gleichgewichtslinien. Kühlt man nun aber mit höherer Geschwindigkeit ab, so gelten diese Gleichgewichtslinien nicht mehr und der Perlitpunkt (0,8% Kohlenstoff , 723°C) weitet sich zu einem Perlitgebiet bei tieferen Temperaturen aus. Dadurch ist es möglich auch unter- und übereutektoiden Stahl rein perlitisch umzuwandeln. Die erhöhte Geschwindigkeit führt außerdem zu feinlammelarem Perlit, also zu Sorbit bzw. Troostit.
Steigt die Abkühlgeschwindigkeit auf einen Wert, größer als die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff, so kann es zu keiner Perlitbildung kommen und es bildet sich Martensit. Kategorie:Werkstoffkunde ja:パーライト

Ferrit

Ferrit ist die Bezeichnung für bestimmte Magnetwerkstoffe und zwei Modifikationen des Eisens.

Ferrit als Magnetwerkstoff

Ferrite sind elektrisch schlecht oder nicht leitende ferromagnetische keramische Werkstoffe aus Eisenoxid Magnetit (Fe3O4) und weiteren Metalloxiden.

Eigenschaften

Man unterscheidet weichmagnetische und hartmagnetische Ferrite. Weichmagnetische Ferrite (Einsatz in der Elektrotechnik/Elektronik als Transformator- und Spulenkerne) werden durch Zusatz von Nickel, Zink oder Mangan hergestellt und zeichnen sich durch möglichst geringe Magnetisierbarkeit aus. Hartmagnetische Ferrite (Einsatz als Dauermagnetwerkstoff) enthalten zusätzlich Bor, Barium, Strontium und Molybdän und sollen ein möglichst großes Dauermagnetfeld behalten können. Ob ein magnetischer Werkstoff eher weich- oder hartmagnetisch ist, lässt sich anhand seiner Hysteresekurve ermitteln. Für weichmagnetische Ferrite wird eine möglichst leichte Magnetisierbarkeit (Remanenz) angestrebt, was einer schmalen Hysteresekurve entspricht. Bei hartmagnetischen Ferriten ist dagegen eine möglichst hohe Koerzitivfeldstärke gefordert. Ferrite sind wie alle keramischen Werkstoffe recht hart und spröde und daher bruchgefährdet.

Herstellung

Ferrit wird in einem Sinterprozess (Erhitzen der in Pulverform gepresst vorliegenden Ausgangsstoffe) hergestellt. Hartmagnetische Ferrite werden durch eine chemische Reaktion, die Kalzination, aus den Ausgangstoffen Eisen(III)-oxid und Barium- bzw. Strontiumcarbonat hergestellt. Dieser Prozess wird veraltet als „Vorsintern“ bezeichnet. Anschließend muss das Reaktionsprodukt möglichst fein aufgemahlen (Einbereichsteilchen, Weißsche Bezirke), zu Presslingen geformt und anschließend gesintert werden. Direkt aus den Ausgangstoffen geformte Presskörper können zwar konzertiert kalziniert und gesintert werden, die magnetischen Kennwerte von auf diesem Wege hergestellten Produkten sind aber sehr schlecht. Weichmagnetische Ferrite werden ebenfalls vorgesintert (Bildungsreaktion), aufgemahlen und gepresst. Jedoch findet die anschließende Sinterung in speziell angepassten Atmosphären (Sauerstoffmangel) statt. Die chemische Zusammensetzung und vor allem die Struktur von Vorsinterprodukt und Sinterprodukt unterscheiden sich stark.

Anwendungsgebiete

Anwendung finden Magnetwerkstoffe auf Ferritbasis vor allem in der Elektrotechnik; da sie kaum elektrisch leitfähig sind und daher nahezu keine Wirbelstromverluste auftreten, sind sie als Kernmaterial für Spulen und Transformatoren auch für höchste Frequenzen geeignet. Weichmagnetische Ferrite:
- Ferritkerne in Spulen, zum Beispiel für Ferritantennen oder Filter
- Zum Verändern der Leitungseigenschaften, siehe Bespulte Leitung
- in der Hochfrequenztechnik(HF) und beim Antennenbau, z.B. Kerne in Baluns und Zirkulatoren in Richtkopplern
- Impulsübertrager und Signalübertrager für hohe Frequenzen, z.B. in Symmetriergliedern
- Transformatoren und Drosseln in der Leistungselektronik
- Drosseln z.B. zur Entstörung
- Magnetköpfe in Tonbandgeräten (Löschkopf), Videorecordern, Computer-Festplatten und Diskettenlaufwerken
- Stealth-Technik zur Tarnung (Ferrit absorbiert Radar-Wellen)

Je nach Anwendung werden verschiedenste Bauformen hergestellt: Ringkerne, Stabkerne, sog. bobbin-Kerne, Topfkerne, E- und U-Kerne (in Kombination mit gleichartigen oder mit I-Kernen). Die Buchstaben-Kennzeichnung erfolgt dabei in Anlehnung an die Form. Ein Großteil der Massenferrite wird inzwischen in Asien hergestellt. Seit einigen Jahren werden in China enorme Fertigungskapazitäten aufgebaut. Hartmagnetische Ferrite:
- Magnetisierbare Beschichtung auf Ton- und Videobändern (hier jedoch nicht keramisch gebunden)
- Kernspeicher in Computern (heute veraltet)
- Dauermagnete aller Art, z.B. Magnetsegmente in permanentmagnetisch erregten Elektromotoren, in Lautsprechern

Ferrit im Eisen und Stahl

Ferrit ist die Bezeichnung für zwei kristallographische Modifikationen des Eisens. Der α-Ferrit ist kubisch-raumzentriertes Eisen, das max. 0,02% Kohlenstoff lösen kann. Er ist relativ weich, magnetisch und korrosionsanfällig. Der α-Ferrit tritt nur bei Temperaturen unter 911°C auf. Der ebenfalls kubisch-raumzentrierte δ-Ferrit ist im System Fe-C nur bei Temperaturen über 1392 °C stabil. Bei hochlegierten Stählen kann er jedoch im unterkühlten Zustand auch bei Raumtemperatur vorhanden sein und ist dann auch ferromagnetisch.

Weblink


- [http://www.lernwerkstoffe.de/ekd.html Eisen-Kohlenstoff-Diagramm] Kategorie:Elektrische Bauelemente Kategorie:Werkstoffkunde Kategorie:Magnetismus ja:フェライト

Zementit

Zementit ist eine intermetallische Verbindung von Eisen und Kohlenstoff der Zusammensetzung Fe3C (ein Eisencarbid). Zementit hat ca. die zehnfache Härte des Eisens. Bei langen Glühzeiten oder extrem langsamer Abkühlung zerfällt der metastabile Zementit in Eisen und Graphit. Zementit ist kompliziert aufgebaut, da es aus zwei Raumgittern besteht, die ineinander verschachtelt sind. Er besitzt ein orthorhombisches Raumgitter, in dem die Eisen- und Kohlenstoffatome tetragonal angeordnet sind. Zementit ist sehr hart (HV=800) und verschleißfest, aber spröde und daher schlecht formbar. Er hat eine geringere Dichte als Eisen und ist magnetisch, beim Erwärmen geht der Magnetismus bei 215°C verloren. Als Primärzementit (Fe3CI) wird Zementit bezeichnet, das durch eine Kristallisation aus der Schmelze hervorgegangen ist (Linie CD). Sekundärzementit (Fe3CII) entsteht durch Ausscheidung aus dem Austenit (Linie ES), Tertiärzementit (Fe3CIII) durch Ausscheidung aus dem Ferrit (Linie PQ). Siehe auch: Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Kategorie:Chemische Verbindung Kategorie:Werkstoffkunde ja:セメンタイト

Formgedächtnis-Legierung

Formgedächtnis-Legierungen (FGL, engl. sma - shape memory alloy) werden oft auch als Memorymetalle bezeichnet. Dies rührt von dem Phänomen, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung scheinbar „erinnern“ können.

Einführung

FGL können sehr große Kräfte ohne auffallende Ermüdung in mehreren 100.000 Bewegungszyklen übertragen. Sie bestechen durch ihr im Vergleich zu anderen Aktorwerkstoffen mit Abstand größtes spezifisches Arbeitsvermögen (Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen). Die Formwandlung basiert auf der temperaturabhängigen Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen (allotrope Umwandlung) eines Werkstoffes. Es gibt die Austenit genannte Hochtemperaturphase und das Martensit (Niedertemperaturphase). Beide können durch Temperaturänderung in einander übergehen (Zweiwegeffekt). Die Strukturumwandlung ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung. Zur Einleitung der Phasenumwandlung sind die Parameter Temperatur und mechanische Spannung gleichwertig; d. h. die Umwandlung kann nicht nur thermisch, sondern auch spannungsinduziert herbeigeführt werden. Ein bekannter Vertreter für diesen Strukturwandel ist u.a. Eisen bzw. Stahl. Allerdings besitzt Stahl kein Formgedächtnis, es muss daher noch eine andere Bedingung erfüllt sein. Formgedächtnis-Legierungen brauchen in jedem Kristallsystem eine Reihe gleichberechtigter Schersysteme, die sich aus der Raumsymmetrie der Elementarzelle ergeben. Sind alle Scherungen bei einer Umwandlung gleich verteilt, ist keine äußere Formänderung zu erkennen. Werden aber beispielsweise durch äußere Kräfte nur einige Schersysteme bevorzugt, werden Formänderungen beobachtet.

Nutzbare Effekte

Grundsätzlich können alle FGL alle FG-Effekte ausführen. Der jeweilig gewünschte Effekt ist Aufgabe der Fertigungs- und Werkstofftechnik und muss durch Abstimmung von Einsatztemperaturen und Optimierung der Effektgrößen antrainiert werden.

Einweg-(Memory)-Effekt

Der Einwegeeffekt ist durch eine einmalige Formänderung beim Aufheizen einer zuvor im martensitischen Zustand pseudoplastisch verformten Probe gekennzeichnet.

Zweiweg-(Memory)-Effekt

Wie oben beschriebenen, gestattet der Einwegeffekt nur eine einmalige Formänderung. Das erneute Abkühlen bewirkt keine Formänderung. Will man nun Formgedächnis-Legierungen auch für die Aktorik, z. B. als Stellelement, nutzen, muss das Bauelement wieder in seine „Kaltform“ zurückkehren können. Es gibt zwei Arten Formrückkehr realisieren:
- äußere Zweiwegeffekte (extrinsisch)
- intrinsische Zweiwegeffekte Als äußeren Zweiwegeffekt bezeichnet man die Formrückkehr beim Abkühlen eines Bauteil durch einen von außen wirkende (mechanische) Kraft erzwungen. Dies kann zum Beispiel durch eine Feder realisiert werden, die während des Erwärmen gespannt wurde. Es gibt aber auch die Möglichkeit, dass Formgedächtnis-Legierungen von sich aus die Formrückkehr vollziehen. Dies bezeichnet man als intrinsischen Zweiwegeffekt. Diese Legierungen können sich an zwei Formen – eine bei hoher und eine bei niedriger Temperatur – „erinnern“. Damit das Bauelement beim Abkühlen seine definierte Form wieder einnimmt, muss es durch thermomechanische Behandlungszyklen „trainiert“ werden. Dies bewirkt die Ausbildung Spannungsfeldern im Material, die die Bildung von bestimmten Martensit-Varianten beim Abkühlen fördern. Somit stellt die trainierte Form für den kalten Zustand lediglich eine Vorzugsform des Martensit-Gefüges dar. Die Umwandlung der Form kann beim intrinsischen Zweiwegeffekt nur stattfinden, wenn keine äußeren Kräfte entgegenwirken. Somit ist das Bauelement beim Abkühlen nicht in der Lage Arbeit zu verrichten.

Pseudoelastisches Verhalten („Superelastizität“)

Bei einigen FGL kann zusätzlich zur normalen linear-elastischen Verformung eine durch äußere Krafteinwirkung verursachte reversible Formänderung beobachtet werden. Diese scheinbar „elastische“ Verformung kann die Elastizität konventioneller Metalle bis zum 20-fachen übertreffen. Die Ursache dieses Verhaltens ist aber eine andere – sie ist auf eine Phasenumwandlung innerhalb des Werkstoffes zurückzuführen. Hierbei bildet sich unter äußeren Spannungen der kubisch-flächenzentrierte Austenit in den monoklinen Martensit um. Bei Entlastung wandelt sich der Martensit wieder in Austenit um. Da während der Umwandlung jedes Atom sein Nachbaratom beibehält, spricht man auch von einer diffusionslosen Phasenumwandlung. Deswegen wird dies als pseudoelastisches Verhalten bezeichnet. Das Material kehrt beim Entlasten durch seine innere Spannung wieder in seine Ursprungsform zurück. Dafür sind keine Temperaturänderungen erforderlich. Der Effekt wird aus Vermarktungsgründen auch häufig als Superelastizität bezeichnet (biegsames Brillengestell). Der Begriff "Superelastizität" selbst entstammt einem Übersetzungsfehler, der sich leider auch in dem ein oder anderen Fachartikel wiederfindet. Ist aber eher irreführend, da man leicht denken könnte, für die Elastizität und für das pseudoelastische Verhalten seien die selben Vorgänge verantwortlich. Anwendung findet dieser Effekt u. a. im Bereich der Medizintechnik.

Werkstoffe


- NiTi (Nickel-Titan; Nitinol)
- CuZn (Kupfer-Zink)
- CuZnAl (Kupfer-Zink-Aluminium)
- CuZnNi (Kupfer-Zink-Nickel)
- FeNiAl (Eisen-Nickel-Aluminium)
- Formgedächtnis-Polymere

Anwendungsbeispiele


- Die hohe Stellkraft wird in Hydraulikpumpen ausgenutzt.
- Verschiedene Anwendungen als medizinische Implantate wurden entwickelt, so zum Beispiel für Stents, kleine Strukturen zur Stabilisierung von Arterien. Eindrucksvoll ist auch eine an der RWTH Aachen vorgestellte miniaturisierte Blutpumpe, die in komprimierter Form mittels eines Katheters in ein Blutgefäß nahe dem Herzen eingeführt wird und sich im Kontakt mit dem körperwarmen Blut in die als Pumpe wirksame Form entfaltet.
- In der Weltraumtechnik werden Formgedächtnis-Materialien oft zum Entfalten der Sonnensegel und ähnlicher Aktivitäten verwendet, dabei wird hauptsächlich der Einweg-Effekt benutzt.
- Nutzung der hohen Rückstellkräfte als Einsatz in Wärmekraftmaschine (siehe unter [http://www.smaterial.com/SMA/engine/engine.html SMAterial.com])
- Als Stellglieder, wie z.B. Federn (siehe unter [http://www.smaterial.com//SMA/research/spring/spring.html SMAterial.com])
- Adaptive Änderung von Tragflächen und Winglets an Flugzeugen (siehe unter [http://www.smaterial.com/SMA/applications/applications.html SMAterial.com])

Weblinks


- [http://www.wundersamessammelsurium.de/Warmes/Nitinol/index.html Spielereien mit Nitinol]
- [http://www.euro-ortho.de/Produkte/EuroNiti/NitiGeschichte/NitiGeschichte.htm Zur Geschichte von Nitinol]
- [http://www.ifm.maschinenbau.uni-kassel.de/%7ehelm/shape-memory-alloys-1.html Universität Kassel: Formgedächtnislegierungen]
- [http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin2_01/ing/Beitrag7/index.html Memory-Metalle in der Forschung]

Literatur


- Paul Gümpel (Hrsg.): Formgedächtnislegierungen. EXPERT-Verlag, 2004, ISBN 3-8169-2293-7
- Matthias Mertmann: NiTi-Formgedächnislegierungen für Aktoren der Greifertechnik. VDI Verlag, 1997, ISBN 3-18-346905-7
- Jörg Spielfeld: Thermomechanische Behandlung von Kupferlegierungen mit Formgedächnis. VDI Verlag, 1999, ISBN 3-18-355705-3 Kategorie:Legierung

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

In verarbeitetem Eisen (Stahl bzw. Gusseisen) ist stets eine gewisse Menge Kohlenstoff enthalten, dessen Anteil die Qualitätseigenschaften des Stahls bzw. Gusseisens bestimmt. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) ist ein Gleichgewichtsschaubild für das binäre System Eisen-Kohlenstoff, aus dem sich in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und der Temperatur die Phasenzusammensetzung ablesen lässt. Ist die zeitliche Gefügeentwicklung bei unterschiedlich schneller Abkühlung von Interesse, werden so genannte Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder verwendet. Der Kohlenstoff ist der wichtigste Legierungsbestandteil des Eisens, bereits kleinste Veränderungen des Kohlenstoffgehaltes haben große Auswirkungen auf die Eigenschaften des Werkstoffes. Die Aussagefähigkeit des Eisen-Kohlenstoff-Diagrams wird jedoch geringer, je schneller abgekühlt bzw. erwärmt wird oder je größer der Gehalt an anderen Legierungselementen ist. Das EKD wird in zwei Formen dargestellt, dem metastabilen System (Fe-Fe3C), in dem der Kohlenstoff in gebundener Form vorkommt und dem stabilen System (Fe-C) mit elementarem Kohlenstoff in Form von Graphit. Die beiden Systeme werden meist in einem Diagramm abgebildet und entsprechend gekennzeichnet.

Darstellung der Phasen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Graphit Auf der x-Achse werden die Gewichtsprozente des Kohlenstoffes aufgetragen, auf der y-Achse die Temperatur. Das Diagramm stellt nur den technisch interessanten Kohlenstoffgehalt von 0 bis 6,67% dar (nur wenige Vorlegierungen haben höhere Kohlenstoffgehalte), das entspricht einem Zementitgehalt von 100%. Die Linien stellen die zu anderen Temperaturen verschobenen Haltepunkte bzw. Knickpunkte dar und grenzen die einzelnen Phasenfelder voneinander ab. Die signifikanten Punkte werden mit Buchstaben gekennzeichnet, bei einigen Darstellungen wird oft der Punkt I mit Punkt J gekennzeichnet. Der Linienzug ABCD stellt die Liquiduslinie dar, oberhalb dieser ist die Legierung flüssig, der Linienzug AHIECF entspricht der Soliduslinie, unterhalb der die Legierung komplett erstarrt ist. In dem Temperaturintervall zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur hat die Legierung eine breiige Konsistenz und besteht aus Restschmelze, δ-Eisen, γ-Eisen und Zementit (Fe3C) in wechselnden Konzentrationen und Mengenverhältnissen. Wird bei der Abkühlung der Legierung die Liquiduslinie unterschritten, so beginnt die Primärkristallisation aus der Schmelze. Aufgrund der verschiedenen allotropen Modifikationen des Eisens bilden sich je nach Kohlenstoffgehalt verschiedene Phasen. Das Eisen bildet verschiedene Einlagerungsmischkristalle δ-, γ und α-Mischkristalle mit verschiedenen Löslichkeiten für Kohlenstoff. Die Gründe für das unterschiedliche Lösungsvermögen der einzelnen Mischkristalle sind die verschiedenen Raumgitter und Gitterkonstanten. Die metallografischen Bezeichnungen der Mischkristalle lauten δ-Ferrit, Austenit für γ-Mischkristalle und Ferrit für α-Mischkristalle.

Grobe Unterteilung


- Schmelze bezeichnet das flüssige Eisen. Oberhalb der Liquiduslinie ist das gesamte Eisen flüssig, zwischen Liquidus- und Soliduslinie nur ein Teil.
- δ-Ferrit (Delta-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
- Austenit (γ-Mischkristalle): kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur
- α-Ferrit (Alpha-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
- Graphit (stabiles System) bzw. Zementit (Fe3C; metastabiles System) Bei Perlit und Ledeburit handelt es sich nicht um Phasen, sondern um besondere Phasengemische (Gefüge). Diese entstehen nur im stabilen oder metastabilen System, also bei langsamer Abkühlung.

Metallografische Bezeichnung

Gefüge Die metallografischen Bezeichnungen der Mischkristalle lauten δ-Ferrit, Austenit für γ-Mischkristalle und Ferrit für α-Mischkristalle. Die Eisen-Kohlenstoff-Verbindung Fe3C oder auch Zementit ist ebenfalls eine Phase, diese ist aber nicht mit Eisenmischkristallen zu verwechseln, es handelt sich hierbei um eine intermetallische Phase. Zementit kommt in drei unterschiedlichen Formen vor, wobei die chemische Zusammensetzung des Zementits immer die gleiche ist: Im nebenstehenden Diagramm fehlt bei Kohlenstoffgehalten von 2,06%C bis 4,3%C der Sekundärzementit in der Beschriftung. Er ist zwar vorhanden, kann aber metallografisch nicht nachgewiesen werden. Neben den reinen Phasen treten auch Phasengemische auf:

Isotherme Reaktionen

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt drei isotherme Reaktionen, eine peritektische (Linie HIB), eine eutektische (Linie ECF) und eine eutektoide (Linie PSK). Bei der Erwärmung oder Abkühlung des Stahls entstehen an einigen Lini