Werkstoffe 9 - Nichteisenmetalle

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WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014

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Nichteisenmetalle: Aluminium & Kupfer - Darstellung & Eigenschaften

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9. NICHTEISENMETALLE

9.1. ALUMINIUM UND ALUMINIUMLEGIERUNGEN

9.2. KUPFER UND KUPFERLEGIERUNGEN

9.3. MAGNESIUM UND MAGNESIUMLEGIERUNGEN

9.4. TITAN UND TITANLEGIERUNGEN

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Als Nichteisenmetalle („NE-Metalle“) werden alle Metalle außer Eisen

bezeichnet, sowie alle Legierungen, in denen Eisen nicht als Basiselement

enthalten ist bzw. der Anteil an Reineisen 50% nicht übersteigt.

Reinmetalle Edelmetalle

Schwermetalle

Leichtmetalle

Knetlegierungen

Gußlegierungen

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Aluminium und Aluminium-legierungen

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“Employ another metal instead of iron.” “Copper?” said Morgan.

“No! That would be too heavy. I have better than that to

offer.” “What then?” asked the major.

”Aluminium!” replied Barbicane. ”Aluminium?” cried his three

colleagues in chorus. “Unquestionably, my friends. This valuable

metal possesses the whiteness of silver, the indestructibility of

gold, the tenacity of iron, the fusibility of copper, the lightness

of glass. It is easily wrought, is very widely distributed, forming

the base of most of the rocks, is three times lighter than iron,

and seems to have been created for the express purpose of

furnishing us with the material for our projectile.”

JULES VERNES, From the Earth to the Moon (1865)

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Aluminium in Zahlen

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Kennzahlen

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Kennzahlen

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Kennzahlen

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Kennzahlen

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Geschichte

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Geschichte

Aluminium ist unter Berücksichtigung seiner Häufigkeit ein Metall

mit relativ kurzer Geschichte

erstmalige Erwähnung von Alaun in der Historia naturalis bei

PLINIUS d.Ä. (23-79) unter der lat. Bezeichnung alumen

1807: Versuche von H. DAVY zur Darstellung von Aluminium durch

Schmelzflußelektrolyse

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Geschichte

1825: Erstsynthese durch H.C. ØRSTED

1827: Reindarstellung durch F. WÖHLER

Al ist zu dieser Zeit teurer als Gold:

NAPOLEON III. pflegte mit seinem Hofstaat mit

Aluminiumbesteck von Aluminiumtellern zu

speisen (weniger angesehene Gäste mußten

sich ordinärem Gold und Silber begnügen!)

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Geschichte

1855: Weltausstellung in Paris – L‘Argent de l‘argile

1859: SAINTE-CLAIRE DEVILLE veröffentlicht erstes Verfahren zur tech-

nischen Darstellung von Al Preis sinkt um 90%

1886: C.M. HALL und P. HÉROULT veröffentlichen unab-

hängig voneinander Patente zur Schmelzflußelek-

trolyse von Al2O3

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1888: $ 10,40

1894: $ 1,64

1939: $ 0,40

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Geschichte

1887: C.J. BAYER entwickelt Verfahren zur großtechnischen Dar-

stellung von Al2O3 aus Bauxit

1906: Entwicklung von Duraluminium durch A. WILM

1911: Eloxal-Verfahren

Preisentwicklung

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Geschichte

Einfluß der Verfahren von DEVILLE und HALL-HÉROULT auf den Al-Preis:

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Vor-kommen

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Vor-kommen

dritthäufigstes Element in der Erdkruste (7,57 Gew.-%), häufigstes Metall

gediegene Vorkommen sehr selten, aber bekannt (RUS, CHN, AZE)

größte Menge in Form von Alumosilicaten (Tone, Gneise, Granite)

einziges wirtschaftlich bedeutendes Gestein ist Bauxit:

benannt nach Les Baux-de-Provence (Südfrankreich), bestehend aus:

Gibbsit, γ-Al(OH)3

Böhmit, γ-AlO(OH)

Diaspor, AlO(OH)

Hämatit, Fe2O3

Goethit, α-FeO(OH)

Kaolinit, Al2Si2O5(OH)4

Anatas, TiO2

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Vor-kommen

dotierte Korunde (α-Al2O3) als Schmucksteine:

Fe2+/Ti3+: blau

Fe3+: gelb/grün

V4+: violett

Cr3+: rot

Saphire Rubin

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Vor-kommen

Hauptförderländer:

Jahresförderung:

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Vor-kommen

Entwicklung des Aluminiumpreises in neuerer Zeit:

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Dar-stellung

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Dar-stellung

Bauxitabbau

• Gewinnung von Al2O3

BAYER-Verfahren

• Schmelzflußelektrolyse von Al2O3

HALL-HÉROULT-Verfahren

Einzelschritte der Aluminium-Gewinnung

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Dar-stellung

Prozeßübersicht

Bauxit Aluminiumoxid Aluminium

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Dar-stellung

BAYER-Verfahren

Na[Al(OH)4]

KristallisationAl(OH)3

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Dar-stellung

BAYER-Verfahren

Aufschluß von Bauxit mit Natronlauge bei 7 bar und 180 °C:

Bauxit + NaOH Na[Al(OH)4] + Fe2O3 + TiO2 usw.

unlöslicher Rotschlamm ( Ga)

Verdünnung der Aluminatlauge mit folgender Kristallisation von Al(OH)3:

Na[Al(OH)4] ⇄ Al(OH)3↓ + NaOH

Brennen zu Al2O3 in Drehöfen/Wirbelschichtanlagen bei 1200-1300 °C:

2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O

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Dar-stellung

HALL-HÉROULT-Verfahren

Schmelzflußelektrolyse

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Dar-stellung

HALL-HÉROULT-Verfahren

Elektrolyse einer eutektischen Schmelze von 10% Al2O3 in

90% Kryolith (Senkung des Fp. von 2045 °C auf ca. 960 °C)

Elektrodenvorgänge:

Kathode: 4 Al3+ + 12 e- 4 Al Reduktion

Anode: 6 O2- 3 O2 + 12 e- Oxidation

Graphit-Elektroden reagieren mit O2 zu CO/CO2 regelmäßiger Ersatz

Summengleichung: 2 Al2O3 + 3 C 4 Al + 3 CO2

Reinheit: >99%

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Dar-stellung

HALL-HÉROULT-Verfahren

Pre-bake-Technologie: Anoden wer-

den separat hergestellt (emissions-

arm, 83% Verbreitung)

Anodenersatz

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Dar-stellung

HALL-HÉROULT-Verfahren

SÖDERBERG-Technologie: Anoden wer-

den während der Elektrolyse „ge-

backen“ (geringere Qualität)

Anodenersatz

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Dar-stellung

Ökobilanz Ökobilanz

Stoff- und Energiebilanz für die Erzeugung von 1 t Aluminium:

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Dar-stellung

Einsatz von Sekundäraluminium aus Recycling-Prozessen

Ökobilanz

360-800 kg Rotschlamm ( Deponie)

15700 kWh ( Wasserkraft)

Ökobilanz

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Dar-stellung

Ökobilanz Recycling

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Eigen-schaften

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Eigen-schaften

13Al

Aluminium * Wegen der geringeren Dichte wiegen Al-Leitungen

nur halb so viel wie vergleichbare Cu-Leitungen!

physikalische Eigenschaften:

silberweißes Leichtmetall

Fp.: 660 °C, Kp.: 2467 °C

ϱ = 2,70 g cm-3

Kristallgitter: kfz, a = 405,0 pm

σ = 37,7 m Ω-1 mm-2 *

λ = 235 W m-1 K-1

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Eigen-schaften

chemische Eigenschaften:

Hauptgruppenelement (IIIa/13, Erdmetalle bzw. Bor-Gruppe)

Elektronenkonfiguration: [Ne] 3s2 3p1

Oxidationszahlen: (+I), +III

unedler Charakter: ε0 (Al/Al3+) = - 1,66 V

Passivierung an der Luft (Al2O3-Schicht, die durch anodische Oxida-

tion bis auf 0,02 mm verstärkt werden kann) Eloxal-Verfahren

Verbindungen nur des dreiwertigen Ions wichtig:

Korund (α-Al2O3) Zeolithe Alaun [KAl(SO4)2 12 H2O]

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Eigen-schaften

Entwicklung 1911 durch DE SAINT-MARTIN

Methode der Oberflächentechnik zur Erzeugung einer oxidischen Schutz-

schicht auf Al durch anodische Oxidation

kein galvanisches Überzugsverfahren (Aufbringen einer Schutzschicht), son-

dern Umwandlung der obersten Metallzone zum Oxid/Hydroxid

Schichtdicke: 5-25 µm (Vergleich: natürliche Schutzschicht einige nm!)

Vorbehandlung: Entfettung/Beizung (mit H2SO4/NaOH)

Eloxal-Verfahren elektrische Oxidation von Aluminium

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Eigen-schaften

Elektrodenvorgänge:

Kathode: 6 H3O+ + 6 e- 3 H2 + 6 H2O

Anode: 2 Al 2 Al3+ + 6 e-

2 Al3+ + 9 H2O Al2O3 + 6 H3O+

Gesamtreaktion: 2 Al + 3 H2O Al2O3 + 3 H2

Varianten: 1. Eintauchverfahren in ruhenden Bä-

dern

2. Spritzverfahren mit Elektrolytdüse

3. Durchlaufverfahren in ruhenden Bädern

Eloxal-Verfahren

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Eigen-schaften

Erzielung einwandfreier Schichten durch

homogenes Gefüge des Metalls: Ungleichmäßig-

keiten übertragen sich auf die Oberfläche

keine Fremdeinschlüsse ( Korrosion!)

Verschluß der Poren durch Pigmenteinlagerung

Härte der Schicht etwa 8-9

(MOHSsche Härteskala)

Eloxal-Verfahren

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Eigen-schaften

auch aluminothermisches Verfahren oder GOLDSCHMIDT-Verfah-

ren (1894)

technische Anwendung der hohen O-Affinität des Al zur Her-

stellung von Metallen, z.B. gemäß:

3 Fe3O4 + 8 Al 9 Fe + 4 Al2O3 + 3341 kJ

Einsatz u.a. beim Schienenschweißen:

Thermit-Verfahren

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Anwen-dungen

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Anwen-dungen

Einsatz von Aluminium:

Bauwesen (geringe Dichte)

Verpackungsindustrie (z.B. Getränke-/Konservendosen, aber auch im Ver-

bund, u.a. Tetrapak®)

Behälter- und Apparatebau/chemische Industrie

Elektrotechnik (gute Leitfähigkeit, spezifisch besser als Cu Hochspan-

nungsfreileitungen)

Elektronik (z.B. in Leiterbahnen integierter Schaltkreise)

Nahrungsmittelindustrie

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Legie-rungen

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Legie-rungen

Legierungen

Knet-legierungen

Guß-legierungen

aushärtbar nicht

aushärtbar

EN 573

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten

wichtigste Möglichkeit der Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen

Grund: keine polymorphe Umwandlung bei Aluminium nicht durch Mar-

tensitbildung härtbar

WILM (1909): Entwicklung von Duraluminium (Aluminiumlegierung mit 4% Cu,

0,5% Mg und etwas Mn)

Abschrecken nach Glühen höhere Festigkeitswerte

Voraussetzungen für Aushärten:

Mischkristalle mit abnehmender Löslichkeit für eine Komponente für T

Auftreten einer intermetallischen Verbindung

Anwesenheit weiterer Elemente zur Stabilisierung des Festigkeitsanstiegs

eigtl..: Ausscheidungshärten, engl.: precipitation hardening

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten Vorgehensweise

Ausgangs-

gefüge

Lösungsglühen

homogener

Mischkristall

übersättigte,

feste Lösung

kaltausgehär-

tete Legierung

warmausgehär-

tete Legierung

Abschrecken

Auslagern

Auslagern

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten

Erwärmung in das Gebiet der α–Mischkristal-

le (unterhalb der eutektischen Temperatur)

vollständige Lösung von Cu (homogene

Mischkristalle)

Glühzeit: 10 min – 5 h

Lösungsglühen auch: Homogenisieren bzw. Diffusionsglühen

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten

Abschrecken

Abschrecken aus der Glühtemperatur (mit

Wasser)

Konservierung der Mischkristallphase, keine

Ausscheidung von Al2Cu möglich Übersät-

tigung an Cu

Anstieg der Festigkeit (35-50%), bei gleich-

zeitig guter Verformbarkeit

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten

Lagern der abgeschreckten Teile bei RT

instabiler Zustand strebt Gleichgewicht an

nachträgliche Ausscheidung von Cu

einphasige Entmischung führt zu Spannungsfeldern

im Gitter

erheblicher Anstieg von Härte, Zugfestigkeit &

Dehngrenze

Rückbildung: Erwärmung kaltausgehärteter WS Homogenisierung Än-

derung der Eigenschaftswerte auf Ausgangszustand

Kaltaushärten Bsp.: AlCuMg-Legierung

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten

Aushärten bei 120-180 °C (5 - 50 h)

einphasige Entmischung und Bildung ei-

ner zweiten Phase (Mg2Si)

intensiverer Anstieg von Härte, Zugfestig-

keit & Dehngrenze

Vorteile: kurze Behandlungsdauer & pro-

duktionstechnisch bessere Realisierbarkeit

Warmaushärten Bsp.: AlMgSi-Legierung

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten

Cave: optimale Haltetemperatur nicht überschrei-

ten, sonst rückläufige Veränderung der Eigenschaf-

ten

Festigkeitsabfall durch übermäßige Auslagerung:

„Überalterung“

Kombination mit Schweißen?

Warmaushärten

erst Schweißen, dann Aushärten (wegen Wärme-

einfluß!)

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten Überblick

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Legie-rungen

Exkurs: Aushärten Knet- und Gußlegierungen

Knetl

egie

rungen

Gußle

gie

rungen

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Legie-rungen

AlMn/AlMg:

nicht aushärtbar, hervorragende Kaltver-

formbarkeit

bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit

AlCuMg:

warm- und kaltaushärtbar

Rm bis 450 MPa, Rp0,2 ≈ 240 MPa

AlZnMgCu:

aushärtbar

Rm ≈ 520 MPa (höchste Festigkeit aller Aluminiumlegierungen)

Legierungen Knetlegierungen

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Legie-rungen

AlMgSi:

Rm bis 450 MPa, Rp0,2 bis 240 MPa (warmaus-

gehärtet) bzw. 110 MPa (kaltausgehärtet)

gut korrosionsbeständig

AlZnMg:

aushärtbar

Rm bis 350 MPa

beständig gegen chemische Beanspruchung

Legierungen Knetlegierungen

geschmiedete PKW-Felge aus einer härtbaren AlMgSi-Knetlegierung

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Legie-rungen

eutektische AlSi-Legierungen:

ausgezeichnete Gießeigenschaften ( Her-

stellung auch dickwandiger Gußstücke)

gute Festigkeit

Einsatz bei dünnwandigen, druck- und flüssig-

keitsdichten Gußstücken im Maschinen- und

Gerätebau

Legierungen Gußlegierungen

Motorblock aus einer AlSi-Gußlegierung

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Legie-rungen

eutektische AlSiMg-Legierungen:

aushärtbar

Si : Gießeigenschaften

AlSiCu-Legierungen:

aushärtbar

Rp0,2 ≈ 200 MPa (ausgehärtet)

Legierungen Gußlegierungen

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Legie-rungen

Knetlegierungen

Gußlegierungen

Bezeichnung

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Kupfer und Kupfer-legierungen

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Geschichte

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Geschichte

Kupfer ist eines der ersten der Menschheit bekannten Metalle:

Funde einer ersten Verwendung vor etwa 9000 Jahren in

Çatalhöyük, einer frühsteinzeitlichen Siedlung in Südana-

tolien

um 4800 v.Chr.: Gebrauchsgegenstände aus Cu in Ägypten

um 4000 v.Chr.: Verwendung von Waffen/Werkzeuge aus

Cu in Ägypten

Verwendung als primitives Zahlungsmittel vor Einführung

der Goldmünzen um 3400 v.Chr.

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Geschichte

um 3500 v.Chr.: Gewinnung des Metalls durch Reduktion seiner Erze mit

Holzkohle im Mittleren Osten

um 3000 v.Chr.: Legierungen mit Zinn Bronze

3200 – 1160 v.Chr.: umfangreicher staatlicher Abbau von

Malachit/Azurit am Berg Sinai

um 2500 v.Chr.: 400 m lange Cu-Wasserleitung im Tempel

des SAHURÉ

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Geschichte

erstes Gebrauchsmetall der Menschheit:

Name leitet sich von aes cyprium (Erz aus Zypern), da die Römer es haupt-

sächlich von dort bezogen; später wurde daraus verkürzt cuprum ( Ele-

mentsymbol Cu).

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Kupfer besitzt eine enorme kulturevolutionäre Bedeutung für die Mensch-

heit Kupfer(stein)zeit im erweiterten Dreiperiodensystem:

• STEINZEIT (bis 7000 v.Chr.)

• KUPFERZEIT/KUPFERSTEINZEIT (8000-2200 v.Chr.)

• BRONZEZEIT (3000-1200 v.Chr.)

• EISENZEIT (1700-500 v.Chr.)

Geschichte

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Geschichte

ÖTZI DJ

Ötzi (um 3300 v.Chr.) trug ein

Kupferbeil (99% Cu) mit sich

bekanntester Vertreter der Kupferzeit:

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Vor-kommen

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Vor-kommen

Kupfer gehört mit einem Vorkommen (65 ppm) in der Erdkruste zu den mä-

ßig häufigen Elementen (etwa 25. Platz)

gediegene Vorkommen selten

wichtigste Erze:

Chalkopyrit (Gelbkupfererz), CuFeS2

Chalkosin (Graukupfererz), Cu2S

Cuprit (Rotkupfererz), Cu2O

Malachit, Cu2(OH)2CO3

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Vor-kommen

je 20% der Weltvorräte liegen in Afrika (Sambia, Kongo, Namibia), Südame-

rika (Chile, Peru) und Nordamerika (USA, Kanada)

Hauptförderländer: Jahresförderung:

36%

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Vor-kommen

Entwicklung der Kupferpreises:

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Kupferbergbau:

Abbau von eher mageren Erzen (ab 0,3% Cu) – Vergleich Fe: ab 20%

Tagebau (ca. 75%) – Untertagebau (ca. 25%)

terrassenförmiger Tagebau: größte Erzgruben der Welt (> 1 km2 Abbaufläche

bei Abbauteufen von meh-

reren 100 m!)

Vor-kommen

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Dar-stellung

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Dar-stellung

Erzaufbereitung: Abtrennung der Cu-Erze von der Gangart

Zerkleinerung des Erzes in Erzbrechern und Mahlen der Bruchstücke zu Pul-

ver (Korngrößen um 100 µm)

Anreicherung zu Kupferkonzentraten durch Flotation

Erzkonzentrate mit 20-30% Cu-Gehalt

Cu-Erze

Gangart

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Dar-stellung

Übersicht der Verhüttungsmöglichkeiten:

ca. 17% ca. 83%

Primärkupfer-Synthese

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Dar-stellung

1. Schmelzen des Konzentrats zu Kupferstein (Gemisch aus Cu2S/FeS, bis

80% Cu) unter Zuschlag von SiO2 zur Schlackenbildung:

Röstarbeit: 6 CuFeS2 + 10 O2 3 Cu2S + 2 FeS + 2 Fe2O3 + 7 SO2

Schmelzarbeit: Fe2O3 + C + SiO2 Fe2SiO4 + CO

2. Konverterbetrieb: Verringerung des S- und Fe-Gehalts durch Einblasen

von Luft:

Schl.-blasen: 2 Cu2S + 2 FeS + 4 SiO2 + 9 O2 2 Cu2O + 4 Fe2SiO4 + 4 SO2

Garblasen: 2 Cu2O + Cu2S 6 Cu + SO2

Produkt: Rohkupfer/Blisterkupfer mit 98-99% Cu-Gehalt

Schmelzmetallurgie

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3. Raffination: Feuerraffination – elektrolytische Raffination

Ziel: selektive Oxidation der Verunreinigungen

Dar-stellung

Feuerraffination

• Oxidationsperiode: Beaufschlagung mit Flammen bei Luftüberschuß Verun-reinigungen schwimmen als Schlacke an der Badoberfläche und werden ab-gezogen

• Reduktionsperiode: Absenkung des O2-Gehaltes durch Zugabe von z.B. Erdgas

• Cu wird in einer Stranggußanlage zu Anoden vergossen

elektrolytische Raffination

• Anode: Anodenkupfer (300-450 kg)

• Kathode: Cu-Blech (130-160 kg)

• Elektrolyt: schwefelsaure, CuSO4-Lsg.

• Verhalten nach Spannungreihe: Ele-mente, die unedler sind als Cu, gehen in Lsg. (z.B. Zn → Zn2+ + 2e-); Elemente, die edler sind als Cu, gehen in den Anodenschlamm (z.B. Ag+ + e- → Ag)

Schmelzmetallurgie

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Dar-stellung

Schmelzmetallurgie Prozeßübersicht

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Dar-stellung

Teilrösten – Steinschmelzen – Konverterbetrieb

• Kombination von Schmelzen und Rösten in einem Arbeitsgang – Standardverfahren bei großen Kapazitäten

Schwebeschmelzverfahren (OUTOKUMPU-Verfahren)

• Direktverfahren: Vereinigung aller Verfahrensschritte

Badschmelzverfahren (MITSUBISHI-Verfahren/NORANDA-Prozeß)

Schmelzmetallurgie

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Dar-stellung

1. Auslaugung mit Schwefelsäure

Bldg. von CuSO4-Lsg.

2. Extraktion mit orga-

nischen Lösemitteln

3. Electrowinning

Electroextraction: electrodeposition of

metals from their ores that have been put

in solution or liquefied.

Cu ≈ 99,9% (aber H2-haltig)

Hydrometallurgie

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Dar-stellung

Entwicklung der Outokumpu Tec: elektrolysefreie Direktgewinnung von rei-

nem Cu aus sulfidischen Erzen

Hydrometallurgie HydroCopperTM-Verfahren

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Dar-stellung

Überblick über die chemischen

Reaktionen:

Hydrometallurgie HydroCopperTM-Verfahren

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Dar-stellung

Recyclingrate: nur 45% (!)

Cu-Bedarf ≫ möglicher Rückfluß an Sekundär-Cu, da Verwendung

von Cu in sehr langlebigen Produkten (ø 35 Jahre)

elektrolytische Raffination ermöglicht Recycling

ohne Qualitätseinbußen

Ökobilanz: 200 t Erz 1 t Cu

14 t Schrott 1 t Cu

Recycling Sekundärkupfer

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Eigen-schaften

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Eigen-schaften

29Cu

Kupfer

physikalische Eigenschaften:

lachsrotes Metall

Fp.: 1083 °C, Kp.: 2567 °C

ϱ = 8,96 g cm-3

Kristallgitter: kfz, a = 361,5 pm

elektr. Leitfähigkeit: σ = 59,1 m Ω-1 mm-2

Wärmeleitfähigkeit: λ = 401 W m-1 K-1

Rm = 200 - 400 MPa

Rp0,2 = 40 – 80 MPa

E-Modul: 12,5 GPa

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Eigen-schaften

chemische Eigenschaften:

Nebengruppenelement (Ib/11, sogenannte Münzmetalle)

Elektronenkonfiguration: [Ar] 3d10 4s1

Oxidationszahlen: (0), +I, +II, (+III, +IV)

(Halb-)Edelmetall: ε0 (Cu/Cu2+) = + 0,34 V

Passivierung an der Luft (durch Cu2O-Schicht)

Patina: basische Kupfercarbonate

Verbindungen nur des zweiwertigen Ions wichtig:

CuO CuSO4 · 5 H2O

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Eigen-schaften

mechanische Eigenschaften:

verhältnismäßig weiches, aber sehr zähes, schmied- und dehnbares Metall

weiches Cu: E-Modul: bis. 130 GPa, Rm ca. 200 MPa, A > 40%

bei Kaltverformung: Rm bis 320 MPa (allerdings A < 5%!)

reines Cu besitzt keinen warmspröden Bereich und läßt sich gut warm um-

formen, gleichzeitig versprödet Cu auch bei tiefen Temperaturen nicht

beachtliche Dauerfestigkeit

in Legierungen: Rm bis 1500 MPa (allerdings λ )

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Eigen-schaften

Verarbeitung:

Schmelzen: neutrale/oxidierende Schmelzführung (H2-Aufnahme vermei-

den!), Desoxidation nötig

Gießen: alle üblichen Form- und Gießverfahren geeignet

Wärmebehandlung: Entspannungsglühen bei

100-150 °C, Weichglühen bei 400-500 °C

spanlose Formgebung: sehr gute Umformung in

alle Halbzeugarten (Bleche, Bänder, Rohre, Stan-

gen usw.)

spanende Formgebung: schlechte Zerspanbarkeit (wg. hoher Zähigkeit und

großer Dehnung von unlegiertem Cu)

Schweißen, Kleben, Löten gut möglich

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Anwen-dungen

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Anwen-dungen

Hauptverwendungsbereiche des Kupfers:

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Anwen-dungen

Hauptverwendungsbereiche des Kupfers:

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Legie-rungen

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Legie-rungen

Bronzen

Messinge

weitere Legierungen

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Legie-rungen

Bronzen Messinge

weitere Legierungen

Kupferlegierungen Produktion

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Legie-rungen

Kupferlegierungen Bezeichnung

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Legie-rungen

im warmgewalzten Zustand weich und gut dehn bar

hohe Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität Ein-

satz für elektrische Leitungen & im Maschinen- und

Anlagenbau für Kühl- und Wärmetauscherrohre

Kupferlegierungen Übersicht

unlegiertes Kupfer

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Legie-rungen

sehr zug- und verschleißfest & korrosionsbestän-

dig, gute Polierbarkeit

Verarbeitung zu Feinmechanikteilen, korrosions-

beständigen Schrauben & Federn sowie Armatu-

ren & Kleingeräteteilen

Kupferlegierungen Übersicht

Kupfer-Zink-Legierungen Messinge

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Legie-rungen

hohe Festigkeit und hoher Verschleißwiderstand

Einsatz in Schneckenrädern & Kontaktfedern

Kupferlegierungen Übersicht

Kupfer-Zinn-Legierungen Bronzen

Kupfer-Zinn-Zink-Legierungen

gut vergießbar, korrosionsbeständig, gut spanend be-

arbeitbar, gute Gleiteigenschaften

Einsatz in Armaturen- und Pumpengehäusen

Rotguß

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Legie-rungen

hohe Festigkeit, Zähigkeit & Korrosionsbeständigkeit (Meerwasser!)

Einsatz:Schiffbau, Anlagenbau für meerwasserführende Anlagenteile

Kupferlegierungen Übersicht

Kupfer-Aluminium-Legierungen

Kupfer-Nickel-Legierungen

federhart, elektrisch gut leitend, korrosionsbestän-

dig, silbrig glänzende Oberfläche

Verarbeitung zu federnden elektrischen Kontakten,

Schlüsseln, Armaturen & „Silbermünzen“

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Bronzen

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Legie-rungen

Bronzen

„klassische“ Bronzen: Legierungen aus Cu und Sn

heute jedoch selten Zweistofflegierungen, sondern mit weiteren Legie-

rungskomponenten und Zusätzen versehen ( Bronze-Stammbaum)

Etymologie: Bronze nach Brundisium, dem lateinischen

Namen der süditalienischen Stadt Brindisi

Hochburg der Bronzeverarbeitung und des Handels mit

Bronze in der Antike

engl.: bronzes

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Legie-rungen

Bronzen

große kulturgeschichtliche Bedeutung ( Bronzezeit)

Bronze gilt als eine der ersten gezielt hergestellten Legierungen

Verwendung in vielen Kunstgegenständen

Sonnenwagen von Trundholm (um 1400 v. Chr.)

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Legie-rungen

„Bronze-Stammbaum“:

exemplarische Vertreter von Zwei- und Mehrstoffbronzen

Bronzen

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Legie-rungen

Unterscheidung in Knet- und Gußlegierungen:

Bronzen

Knetlegierungen bis 8,5% Sn

(Hyperzinnbronzen bis 17% Sn)

Gußlegierungen mit 9-12% Sn

(Glockenbronze mit 20% Sn)

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Legie-rungen

Zustandsschaubild Kupfer-Zinn:

vielfältige Phasen mit kristallo-

graphischer Ähnlichkeit

Bronzen

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Legie-rungen

Legierungskomponenten und deren Einfluß

Beimischung in geringen Mengen zur Desoxidation

Vermeidung der Bildung von SnO2 (ungünstige Einflüsse)

bis 0,4%: Schmelzführung , Gießbarkeit , Verfestigungsfähig-

keit , elektrische Leitfähigkeit , Warmverformbarkeit

15P

30Zn Beimischung in geringen Mengen zur Desoxidation

Verformbarkeit , elektrische Leitfähigkeit

bis 9% in CuSnZn-Gußlegierungen Rotguß

Bronzen Knetlegierungen

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Legie-rungen

82Pb bis 7% Pb: Fließvermögen , Korrosionsbeständigkeit , Zugfestig-

keit , Duktilität

Druckdichtigkeit (Besetzung eventuell entstehender Poren beim

Volumendefizit während des Erstarrens)

Pb ist unlöslich und liegt fein dispergiert im Gefüge vor ( Spanbar-

keit )

in Knetlegierungen bereits in geringen Mengen schädlich: Warm-

brüchigkeit bei Warmumformung

Bronzen

Legierungskomponenten und deren Einfluß

Gußlegierungen

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Legie-rungen

bis 2,5% Ni: Zähigkeit (bei gleichbleibender Festigkeit), Korro-

sionsbeständigkeit

in Knetlegierungen max. 0,3% Ni: Festigkeit , Härte

28Ni

26Fe Zugabe in geringen Mengen: Verfestigungsfähigkeit (in Knetlegie-

rungen), Bildung eines feineren Korns

Schmelzen/Gießen werden erschwert: Bildung einer zähen Schlak-

kenhaut

Bronzen Gußlegierungen

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Legie-rungen

Anwendungen:

gute Festigkeitseigenschaften

gute Leitfähigkeit für Wärme und Strom (bei geringen Sn-Anteilen)

sehr korrosionsbeständig, gute Beständigkeit gegenüber Seewasser, Chemi-

kalien und Industrieatmosphäre

gute Federeigenschaften, gute Biegbarkeit

Einsatz in Elektrotechnik/ Elektronik

Bronzen Knetlegierungen

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Legie-rungen

CuSn4: Federn, Schrauben, Rohre und Behälter der chemischen Industrie

CuSn6: hochbeanspruchte, verschleißfeste Federn im Maschinen und Uhren-

bau, Zahnräder, Schneckengetriebe

CuSn3Zn9/CuSn4Zn4Pb4: Steckverbindungen in Kraftfahrzeugen

Bronzen Knetlegierungen

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Legie-rungen

Anwendungen:

korrosionsbeständig, verschleißfest, meerwasserbeständig Einsatz in

Maschinen-, Schiff- und Automobilbau

CuSn10/CuSn11Ni2: Leit-, Lauf- und Schaufelräder von Pumpen und

Wasserturbinen

CuSn5Zn5Pb5: qualitativ hochwertige Ventile

und Armaturen, Sanitäranwendungen (Pb )

Bronzen Gußlegierungen

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Messinge

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Messinge

Legie-rungen

Messinge: Legierungen aus Cu und Zn

bedeutendste Legierungsgruppe innerhalb der Cu-Werk-

stoffe ( Messing-Stammbaum)

erste CuZn-Legierungen vor mehr als 4000 Jahren ( Ba-

bylon/Assyrien)

keine systematische Produktion, da in den verwendeten

offenen Öfen das Zink bei etwa 900 °C verdampft

Verhüttungsprozeß in geschlossenen Gefäßen (Galmei-

Verfahren, nach Galmei, ZnCO3, einem Zinkerz) hohe

Perfektion der Messingherstellung im Römischen Reich

engl.: brasses

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Messing-Stammbaum:

exemplarische Vertreter von Kalt- und Warmformmessing

Legie-rungen

Messinge

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Legie-rungen

Unterscheidung in Kalt- und Warmformmessinge:

Kaltformmessinge 5-37% Zn

(homogene Gefüge,

sogenannte a-Messinge)

Warmformmessinge bis 45% Zn

(heterogene Gefüge,

neben a- auch b-Phase)

außerdem Zerspanungsmessinge (Zusatz von Pb,

CuZn35Pb oder CuZn43Pb) und Gußmessinge

Messinge

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Legie-rungen

Zustandsschaubild Kupfer-Zink:

bis 37% Zn: α-Phase mit kfz-Gitter

37 - 46% Zn: Mischgefüge α-/β-Phase

46 - 50% Zn: β-Phase mit krz-Gitter

Messinge

α-Messing β-Messing

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Legie-rungen

82Pb Pb ist unlöslich und lagert sich an den Korngrenzen ab

Zerspanbarkeit , gute Warmumformbarkeit

13Al Festigkeit (durch Mischkristallhärtung ohne wesentliche Beein-

flussung des Warmformvermögens), Witterungsbeständigkeit ,

Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser

in Gußlegierungen: Festigkeit

Messinge

Legierungskomponenten und deren Einfluß

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Legie-rungen

50Sn bis 8% Sn löslich (bis 300 °C)

Korrosionsbeständigkeit

14Si Löslichkeit 0,5 - 4%

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften: Härte , Verschleiß-

widerstand (durch Bildung einer intermetallischen Phase Hete-

rogenisierung des Gefüges)

in Gußlegierungen: Festigkeit , Zerspanbarkeit

Messinge

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Legie-rungen

28Ni sehr gut löslich; 9 - 26%: Neusilber

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und des Formverän-

derungsvermögens

Korrosionsbeständigkeit

25Mn bis etwa 5% Mn

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften

Korrosionsbeständigkeit

Messinge

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Legie-rungen

Anwendungen:

Einsatz im Maschinen-, Apparate-, Kraftwerks- und

Fahrzeugbau

Elektrotechnik: Klemmen, Steckverbindungen usw.

Schmuckwaren (Modeschmuck)

Haushalts- und Bedarfsartikel

Münzen

Nordisches Gold (CuZn5Al5Sn1)

Messinge

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weitere Legierungen

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Legie-rungen

weitere Legierungen

CuAl-Legierungen

CuNi-Legierungen

CuBe-Legierungen

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Legie-rungen

weitere Legierungen CuAl-Legierungen

einphasige Mischkristalle bei Aluminiumbronzen nur bis 8% Al möglich

Al > 8%:

Bildung einer β–Phase, die bei Abkühlung auf 565 °C mar-

tensitische Umwandlung durchläuft spröde Phase ver-

mindert Festigkeit & Dehnbarkeit

Zugabe weiterer Legierungselemente ( heterogene Ge-

füge):

Fe kornverfeinernd, festigkeitssteigernd

Ni Korrosionsbeständigkeit , Dauerschwingfestigkeit

Mn Warmfestigkeit

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Legie-rungen

weitere Legierungen CuAl-Legierungen

Eigenschaften:

verschleißfest, warmfest bis 400 °C

beständig gegen Seewasser, Korrosion, Verzunderung, Erosion & Kavita-

tion

Verwendung:

Schiffspropeller

Gleitelemente, Lager, Wellen,

Schrauben, Muttern, Bolzen

Schneckenräder, Zahnräder

Apparate in der chemischen Indu-

strie

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Legie-rungen

weitere Legierungen

CuAl-Knetlegierungen

CuAl-Gußlegierungen

CuAl-Legierungen

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Magnesium und Magnesium-legierungen

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Titan und Titan-legierungen

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!