Spezielle Baustofflehre Baumetalle

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1 Spezielle Baustofflehre Baumetalle Thomas A. BIER Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, Freiberg,

2 Baumetalle Stahl und Eisen Aluminium Kupfer Zink Titan Blei

3 Anwendungen für Metalle im Bau Bewehrung in Beton Bewehrungsstahl Spannstahl Stahlbau Brücken, Türme, Hochhäuser, Hallen Bedachungen Kupfer, Titanzink, Verzinktes Stahlblech Leitungen Rohre Kupfer für Wasser, früher Blei Geländer - Balkone Verzinkter Stahl, Edelstahl

4 Herstellung - Eisen Ausgangsstoffe Eisenerze enthalten M.-% Eisenoxide: Fe3O4 Magneteisenstein Fe2O3 Roteisenstein Fe2O3 3H2O Brauneisenstein und die sog. Gangart: SiO2 Kieselsäure Al2O3 Tonerde CaCO3 Kalkstein MgO Magnesia Zuschlag: Prozessregulierende Stoffe z. B. Kalk Brennstoff: meist Koks Durch die Reduktion der Eisenerze und Reaktion von Eisenerz, Koks, Zuschlag und Luft entstehen: Roheisen + Schlacke Das Roheisen wird weiterverarbeitet zu Gusseisen: 2,1 M.-% < C < 4,3 M.-% Stahl: C < 2,1 M.-% Die Schlacke dient als Zuschlag (grob) oder Zusatzstoff (Hüttensand)

5 Herstellung - Eisen Der Hochofen besteht aus einem bis zu 100 Meter hohen und mit feuerfesten Steinen ausgekleideten Behälter. Er wird oben immer abwechselnd mit einem Gemisch aus Erz und Kalk (= Möller) und mit Koks beschickt. Der Koks reagiert mit der über Ringleitungen zugeführten Heißluft zu Kohlenstoffmonoxid. Dieses reduziert in einer Redoxreaktion das Eisenerz zu Roheisen. Dabei wird es selbst zu Kohlenstoffdioxid weiter oxidiert. Beide Kohlenstoffoxide treten in der Gicht, dem oberen Teil des Hochofens, aus und gelangen zu den Winderhitzern. Dort wird das brennbare Kohlenstoffmonoxid entzündet und zum Aufheizen der Luft verwendet, die wieder über die Ringleitungen in den Hochofen hineingeführt wird.

6 Herstellung - Stahl Das Roheisen ist insbesondere wegen seines zu hohen Gehaltes an Kohlenstoff sowie anderer Bestandteile, z. B. Phosphor und Schwefel, zu spröde und nicht schmiedbar. Bei der Stahlherstellung werden der C-Gehalt reduziert und die unerwünschten Bestandteile ausgeschieden. Dies geschieht durch Zufuhr von Sauerstoff (Frischen), der zu einem Verbrennen u.a. des Kohlenstoffs führt. Phosphor wird durch Zugabe von Kalk gebunden. Die wichtigsten Verfahren zur Stahlherstellung sind das Thomas-Verfahren (Windfrischverfahren) Siemens-Martin-Verfahren Sauerstoff-Aufblas-Verfahren Elektrostahl-Verfahren.

7 Herstellung - Stahl

8 Herstellung - Stahl

9 Klassifizierung von Stahl Nach der europäischen Norm EN werden die Stähle eingeteilt - nach der chemischen Zusammensetzung oder nach Hauptgüteklassen Es wird unterschieden zwischen unlegierten Stählen legierten Stählen Grundstähle - unlegierte Qualitätsstähle legierte Qualitätsstähle unlegierte Edelstähle legierte Edelstähle Unlegierte Grundstähle sind für eine Wärmebehandlung nicht geeignet. Die Erfüllung der an sie gestellten Güteanforderungen erfordert keine besonderen Maßnahmen bei der Herstellung. Solche Stähle kommen im wesentlichen nur zum Kaltbiegen in Betracht. Unlegierte Qualitätsstähle haben im Vergleich zu unlegierten Grundstählen schärfere oder zusätzliche Anforderungen zu erfüllen, z. B. bezüglich Sprödbruchempfindlichkeit, Korngröße oder Verformbarkeit. Zu den unlegierten Qualitätsstählen zählen die meisten Stähle für den Stahlbau nach DIN EN sowie die Betonstähle.

10 Klassifizierung von Stahl Unlegierte Edelstähle haben höhere Anforderungen bezüglich ihres Reinheitsgrades zu erfüllen. Sie sind meist für eine Vergütung oder Oberflächenhärtung bestimmt und erfüllen hohe Anforderungen bzgl. Verformbarkeit, Schweißeignung, Zähigkeit usw. Den unlegierten Edelstählen sind u.a. Spannbetonstähle zuzuordnen. Legierte Qualitätsstähle Sie entsprechen den unlegierten Qualitätsstählen, enthalten aber Legierungselemente, z. B. Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Ti u.a., um bestimmte Eigenschaften zu optimieren. Solche Stähle sind im allgemeinen nicht für eine Vergütung oder Oberflächenhärtung geeignet. Zu den legierten Qualitätsstählen gehören z. B. schweißbare Feinkornstähle für den Druckbehälter- und Rohrleitungsbau, Stähle für Schienen und für Spundwanderzeugnisse sowie warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse für schwierige Kaltverformungsarbeiten. Legierte Edelstähle Dies sind Stähle, denen durch eine genaue Einstellung ihrer chemischen Zusammensetzung sowie der Herstellungs- und Prüfbedingungen bestimmte Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften verliehen werden. Legierte Edelstähle sind u.a. wetterfeste Baustähle nach DIN EN und nichtrostende Baustähle.

11 Allgemeine Baustähle Sie sind in DIN EN genormt. Diese Norm enthält die Anforderungen an Lang- und Flacherzeugnisse aus warmgewalzten unlegierten Grund- und Qualitätsstählen entsprechend den nachfolgenden Tabellen. (EN wird z. Zt. überarbeitet.) Die Bezeichnung der Stähle erfolgt entweder nach deren Zugfestigkeit und nach Gütegruppen oder nach Werkstoffnummern. Stähle der Gütegruppen 0; 2 und B sind Grundstähle, jene der Gütegruppe C, D1,D2, DD1 und DD2 sind Qualitätsstähle. Die Schweißeignung verbessert sich von der Gütegruppe B, C,D1, D2, DD1 bis DD2. Der Desoxidationsgrad gibt Aufschluss über das Erschmelzungsverhalten bei der Stahlherstellung: Freigestellt: nach Wahl des Herstellers FU: unberuhigter Stahl FN: unberuhigter Stahl nicht zulässig FF: vollberuhigter Stahl

12 Allgemeine Baustähle

13 Allgemeine Baustähle

14 Wetterfeste und Nichtrostende Baustähle Wetterfeste Baustähle sind legierte Edelstähle. Sie sind in der Europäischen Norm EN 1055 erfasst. Wetterfesten Stählen wird eine bestimmte Anzahl von Legierungselementen zugesetzt, z. B. P, Cu, Cr, Ni, Mo, Mn, um den Widerstand der Stähle gegen atmosphärische Korrosion zu erhöhen, indem sich unter dem Einfluss der Witterungsbedingungen schützende Oxidschichten auf dem Grundwerkstoff bilden. Einen Überblick der Zusammensetzung und der mechanischen Eigenschaften solcher Stähle geben die nachfolgenden Tabellen. Nichtrostende Stähle sind in Deutschland auch unter bestimmten Werksnamen, z. B. V2A, V4A, Nirosta und Remanit bekannt. Sie werden in verschiedenen deutschen Normen oder in bauaufsichtlichen Zulassungen behandelt.

15 Wetterfeste Baustähle

16 Wetterfeste Baustähle

17 Betonstähle Die Betonstähle dienen der Bewehrung von Stahlbetonkonstruktionen und gehören zur Gruppe der unlegierten Qualitätsstähle. In Deutschland sind sie in DIN 488 Teil 1 genormt. Weitere Angaben dazu finden sich in der DIN Alle in diesen Normen erfassten Stähle sind schweißgeeignet. Sie werden in 2 Verarbeitungsformen hergestellt und geliefert: - als Betonstabstahl: die Sorten III S und IV S - als Baustahlmatten: die Sorte IV M.

18 Betonstähle

19 Betonstahl Zur Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Bewehrung und Beton sind die Betonstähle an ihrer Oberfläche mit Rippen versehen, die für die verschiedenen Stahlsorten unterschiedlich sind.

20 Betonstahl Betonstabstähle können nach folgenden Verfahren hergestellt werden:. warmgewalzt, ohne Nachbehandlung. warmgewalzt, an der Walzhitze wärmebehandelt (z. B. Tempcore-Stähle). kaltverformt, durch Verwinden oder Recken des warmgewalzten Ausgangsmaterial

21 Spannstähle Spannstähle werden beim Bau von vorgespannten Betonkonstruktionen eingesetzt. Im Vergleich zu Betonstählen besitzen sie im allgemeinen eine deutlich höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze. Sie gehören meist zur Gruppe der unlegierten Edelstähle. In Deutschland sind die Spannstähle z. Zt. nicht in einer Norm erfasst, sondern sie benötigen eine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik. Die zugelassenen Spannstähle weisen Streckgrenzen bzw. Zugfestigkeiten im Bereich von 835/1030 N/mm2 bis 1570/1770 N/mm2 bei Bruchdehnungen von ca. 6 % auf.

22 Strukturunabhängige Eigenschaften Elastizitätsmodul E N/mm2 Schubmodul G N/mm2 Dichte je nach C-Gehalt 7,83-7,88 kg/dm3 Wärmeausdehnungskoeffizient je nach C-Gehalt 10,7-11, /K Wärmeleitfähigkeit 13,4 104 J/mhK Festigkeit Reines Eisen βz:. 180 N/mm2 Baustähle N/mm2 Spannstähle: N/mm2 Kaltgezogene Stahldrähte: N/mm2 Dauerstandfestigkeit Eigenschaften von Stahl Baustähle zeigen bei Raumtemperatur kein Absinken der Festigkeit unter langandauernder statischer Beanspruchung, so dass die Dauerstandfestigkeit etwa gleich der Kurzzeitfestigkeit ist.. Kriechen und Relaxation Allgemeine Baustähle zeigen bei normaler Temperatur und Spannungen unterhalb der Streckgrenze keine nennenswerten Kriechverformungen. Bei hochfesten Spannstählen können jedoch auch bei Normaltemperatur deutliche Kriechverformungen auftreten

23 Plastische Verformbarkeit Die plastische Verformbarkeit der Stähle sinkt mit steigender Zugfestigkeit.

24 Gusseisen Charakteristische Zusammensetzung: 2,1 M.-% < C < 4,3 M.-%. Klassifizierung des Gusseisens Bezeichnung nach der Zugfestigkeit in N/mm2 und der Herstellungsart: GS: Stahlguss GG: Grauguss TG: Temperguss GGG: Grauguss mit Kugelgraphit Beispiel: GS-450 Stahlguss mit einer Mindestzugfestigkeit von 450 N/mm2

25 Eigenschaften Gusseisen

26 Das Aluminium Ausgangsstoffe Aluminium ist das weitverbreitetste Metall der Erdkruste. Es ist im Allgemeinen stark chemisch gebunden. Häufigstes Erz: Bauxit mit einem Gehalt an Al2O3 von 55 bis 65 M.-%. Gewinnung von Aluminium: (1) Aufbereitung des Aluminiumerzes zur Abtrennung von Al2O3 (Bayerverfahren) (2) Gewinnung von Aluminium aus Al2O3 im Elektrolyseofen. Einsatz von Aluminium in Form von Legierungen Wichtigste Legierungskomponenten: Cu, Mg, Mn, Si, Zn Weniger häufig: Ni, Fe, Co, Ti, Cr

27 Herstellung Aluminium Bayer Prozess Beim Bayer-Prozeß wird der Bauxit zunächst unter Druck in Autoklaven in heißer Natronlauge aufgeschlossen. In der anschließenden Fest-Flüssig-Trennung werden die unlöslichen Bestandteile des Bauxits als sogenannter Rotschlamm abgetrennt und deponiert. Je t produzierter Tonerde fällt so bis zu einer t zu deponierender Rotschlamm an, der aufgrund der anhaftenden Restlauge stark alkalisch ist. Die flüssige Phase aus der Fest- Flüssig-Trennung wird in Ausrührbehälter gegeben, in welchen unter Zugabe von Kristallistionskeimen Aluminiumhydroxid ausgefällt wird. Als letzte Verfahrensstufe schließt sich eine Kalzinierung an, durch welche das Wasser aus dem Aluminiumhydroxid ausgetrieben wird und somit die Tonerde produziert wird.

28 Die durch das Bayer-Verfahren erzeugte Tonerde wird nun der sogenannten Schmelzflußelektrolyse zugeführt. In einer feuerfest ausgekleideten Wanne, die über einen Boden aus Kohlenstoff verfügt, welcher als Kathode fungiert, wird die Tonerde in einem Elektrolyten (Kryolith) gelöst. An der Kathode scheidet sich flüssiges Aluminium ab, an der Anode, die aus in die Kryolithschmelze eintauchendem vorgebrannten Petrolkoks und Pech besteht, reagiert der Sauerstoff zu CO und CO2. Herstellung Aluminium - Schmelzflußelektrolyse

29 Das Aluminium Klassifizierung und Bezeichnungen Die Bezeichnung der Aluminiumlegierungen erfolgt nach der chemischen Zusammensetzung unter Angabe von Legierungsmengen. Kennbuchstaben werden zur Beschreibung des Herstellungsverfahrens verwendet. Bei den Aluminiumlegierungen wird unterschieden zwischen: Knetlegierungen, die durch Kneten (Walzen, Pressen, Ziehen, Schmieden) weiter verformt werden können, und Gusslegierungen, die nach den verschiedenen Gießverfahren verarbeitet werden: G = Guss DG = Druckguss GK = Kokillenguss KZ = Schleuderguss Der Angabe der Festigkeit wird der Buchstabe F vorangestellt. Beispiele: AlMg 3 Si Aluminiumknetlegierung mit 2 bis 4 M.-% Mg (i.m. 3 M.-%) sowie kleinen Mengen an Si (0,3 bis 0,8 M.-%), G-Al Si 12 Aluminium-Gusslegierung mit 11 bis 13,5 M.-% Si (i.m. 12 M.-%) Beide Legierungen enthalten kleine Mengen (0,3 bis 0,5 M.-%) an Mangan. Al Zn Mg 1 F 36 Al-Zn-Mg-Legierung, Zugfestigkeit 360 N/mm2 Baustofflehre Eigenschaften 2010

30 Das Aluminium

31 Herstellung - Kupfer Kupfer kommt in der Natur als gediegenes Metall vor, das in Nordamerika, in Chile und in Australien zu finden ist. Im gebundenen Zustand kennen wir es als Erz in Form von Sulfiden (z.b. Covellin und Buntkupferkies), Oxiden (z.b. Cuprit), Carbonaten (z.b. Malachit und Azurit), Chloriden und Arseniden. Besonders reiche Lager an Kupfererzen finden sich in den USA, in Kanada, in Russland, in Chile, im Kongogebiet und in Simbabwe. Die Kupfererze besitzen einen relativ geringen Kupfergehalt, daher müssen sie durch Flotation (Schwimmaufbereitung) angereichert werden: Dabei werden die zermahlenen Erze mit Wasser verrührt. Metallsulfide und Metalloxide stoßen Wasser ab, während die Gesteine der Gangart (Quarz, Silicate) leicht benetzt werden. Durch Zugabe eines Schaums werden die schweren Erzteilchen an die Wasseroberfläche transportiert und können abgeschöpft werden (Näheres siehe unter Titandioxid). Das gereinigte Erz wird in mehreren Schritten in Röstöfen zuerst zu Kupferoxid oxidiert, das dann mit Kupfersulfid (aus dem Erz) zu unreinem Garkupfer reduziert wird, welches einen Reinheitsgrad von etwa 98,5% besitzt. Für eine ganze Reihe von Produktionsbereichen, z.b. für die Elektroindustrie reicht jedoch die Reinheit von Garkupfer nicht aus. Bei der elektrolytischen Kupferraffination hängt man Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in eine angesäuerte Kupfersulfatlösung. Als Kathoden dienen dünne Bleche aus Reinkupfer:

32 Herstellung - Kupfer Die Elektrolyse wird in großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Spannungen von 0,4-1 Volt durchgeführt. Dabei laufen folgende Prozesse ab: An der Anode erfolgt eine Oxidation des Kupfers und aller unedleren Metalle, so dass die Kupferionen (Cu2+) und unedleren Metallionen (Zn2+) in Lösung gehen. Verunreinigungen aus edleren Metallen, die ein deutlich größeres Normalpotential (U0) als Kupfer besitzen, werden zwar nicht oxidiert, fallen aber, da sich die Garkupferelektrode auflöst, als sogenannter Anodenschlamm zu Boden.

33 Eigenschaften - Kupfer

34 Kupferlegierungen - Messing

35 Kupferlegierungen - Messing

36 Anwendungen - Kupfer Nach dem Dachdecken zeigt das Dach zunächst die hellrote Kupferfarbe. Nach wenigen Tagen wechselt die Farbe in ein dunkles Rot, das durch Kupfer(I)oxid verursacht wird. Später wird das Dach noch dunkler und es entsteht schwarzes Kupfer(II)oxid. Aber erst nach einigen Jahren bildet sich unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid, Luft und Wasser die blaugrüne Patina: 2 Cu + CO2 + H2O + O > CuCO3. Cu(OH)2

37 Anwendungen - Kupfer

38 Herstellung - Kupfer

39 Herstellung - Kupfer

40 Titanzink Werkstoffeigenschaften Der Werkstoff Titanzink erfreut sich in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit bei Architekten und Planern. Titanzink ist eine Legierung nach DIN EN 988 auf Basis Feinzink mit min. 99,995% Zn und geringen Anteilen Titan und Kupfer. Wichtiger Merkmale sind die verbesserte Dauerstandfestigkeit, geringe Wärmedehnung und die guten Verarbeitbarkeit unabhängig von der Walzrichtung. Es wird auf hochtechnisierten, modernen Produktionsanlagen bandgewalzt und in den verschiedensten Abmessung in Form von Bändern und Tafeln angeboten.

41 Titanzink Dachdeckungen, Außenwandbekleidungen, Gesims- und Attikabekleidungen, Dachanund abschlüsse, Verwahrungen, Fensterbänke, Bauelemente für Dachentwässerung, wie Dachrinnen und Regenfallrohre, Ornamente für Restaurierung/Renovierung. Mechanische und physikalische Eigenschaften Kurzzeichen nach DIN EN 988 D-Zn Werkstoff-Nummer ,2% Dehngrenze Rp 0,2 min. 100 N/mm² Zugfestigkeit Rm Bruchdehnung A10 von 0,6-0,8 mm über 0,8-1,0 mm min. 150 N/mm² min. 40 % min. 35 % Vickershärte HVI min. 40 Zeitdehngrenze Rp 1/ / 20 Biegeradius r für Faltprobe 0 Wärmeausdehnungskoeffizent Schmelzpunkt 418 C Dichte min. 50 N/mm² 0,0222 mm/mk 7,2 kg/dm³ Lieferformen Standardbreiten für Bänder: 500 / 600 / 670 / 700 / 800 / 1.000mm Standardabmessungen für Tafeln: x mm x mm Standarddicken: 0,70 mm / 0,80 mm / 1,00 mm Gewichte 1,00 mm 7,2kg/m² 0,80 mm 5,76kg/m² 0,70 mm 5,04kg/m² 0,65 mm 4,68kg/m²

42 Oberflächeneigenschaften und -qualitäten Titanzink Der Farbton von Titanzink wird durch die sich natürlicherweise an der Atmosphäre bildende Schutzschicht (Patina) hervorgerufen. Diese festhaftende Schutzschicht besteht aus Zinkoxid und basischem Zinkkarbonat und ist für den hohen Korrosionswiderstand des Titanzinks verantwortlich. Durch die Schutzschichtbildung ändert sich das zunächst silbrig-blanke Äußere des Titanzinks in eine matte, graublaue Patina. Die Patina wächst schrittweise aus einzelnen Tropfenflächen zu einer homogenen Oberfläche zusammen. Diese sehr dichte und bei Verletzung "selbstheilende" Schicht ergibt einen Langzeitschutz gegen Witterungseinflüsse und hält die natürliche Abtragung sehr gering. Je nach Nutzungsart, Standort und atmosphärischen Gegebenheiten kann mit einer Nutzungsdauer (Erreichen der halben Ausgangsdicke) von Jahren gerechnet werden. Wird von Beginn an eine gleichmäßige, graublaue Oberfläche gewünscht, empfiehlt sich der Einsatz von "vorbewittertem" Titanzink, welches werksseitig durch eine spezielle Oberflächenbehandlung von einigen Herstellern angeboten wird.

43 Stückverzinken Feuerverzinken ist das gebräuchlichste Verfahren, Eisen oder Stahlteile durch Eintauchen in eine flüssige Zinkschmelze mit einem Zinküberzug zu versehen. Die Schutzdauer eines Zinküberzuges ist bei atmosphärischer Belastung in der Regel höher als die von Beschichtungssystemen. Normative und informative Hinweise zum Feuerverzinken (Stückverzinken) enthält DIN EN ISO 1461.

44 KontinuierlichesVerzinken Beim kontinuierlichen Feuerverzinken von Band erfolgt die Oberflächenvorbereitung üblicherweise durch Glühverfahren. Das Band wird hierbei in einem Durchlaufofen oxidierend und anschließend reduzierend geglüht und danach unter Schutzgas in das Zinkbad geführt.

45 Gefüge verzinkter Stähle

46 Anwendungen verzinkter Stähle

47 Oberflächenhärte und Abrieb verzinkter Stähle

48 Korrosionsschutz verzinkter Stähle Aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften könnte man annehmen, daß Zink wesentlich stärker korrosionsanfällig ist als Eisen. In Wirklichkeit ist jedoch Zink in den meisten Fällen wesentlich korrosionsbeständiger. Die Erklärung für diesen scheinbaren Widerspruch ist, daß das Korrosionsverhalten von Zink in erster Linie durch Deckschichten aus festen Korrosionsprodukten bestimmt wird, die sich im Laufe der Zeit ausbilden und die weitere Korrosion dann erheblich verlangsamen. Dies ist der eigentliche Grund für die Eignung von Zink als Überzugsmetall zum Korrosionsschutz von Eisen.

49 Korrosionsschutz verzinkter Stähle Die Werkstoffpaarung Eisen Zink bewirkt im Fall einer Oberflächenverletzung die Ausbildungkathodischer und anodischer Bereiche. Dabei wird in aller Regel Zink als anodischer und Stahl als kathodischer Bereich ausgebildet. Aufgrund der unterschiedlichen Potentiale gibt das negative Zink als Anode stetig Zinkionen ab, die sich auf der edleren Kathode, dem Eisen, anlagern.

50 Korrosionsschutz verzinkter Stähle

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