Werkstoffkunde für Praktiker

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1 EUROPA-FACHBUCHREIHE für Metallberufe Werkstoffkunde für Praktiker Catrin Kammer Volker Läpple 6. Auflage VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße Haan-Gruiten Europa-Nr.:

2 Autoren: Dr. Catrin Kammer Prof. Dr. Volker Läpple Goslar Schorndorf Verlagslektorat: Dr. Astrid Grote-Wolff Bildbearbeitung: Verlag Europa-Lehrmittel Abt. Bildbearbeitung Ostfildern Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der neuen amtlichen Rechtschreibregeln erstellt. 6. Auflage 2009 Druck Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind. ISBN Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos der Firma Thyssen Stahl AG, Duisburg Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, Haan-Gruiten Satz und Grafik: rkt, Leichlingen Druck: Tutte Druckerei GmbH, Salzweg/Passau 2

3 Vorwort Werkstoffe hatten schon immer eine besondere Bedeutung für den Menschen. Das zeigt sich daran, dass ganze Zeitepochen, wie die Stein-, Bronze- und Eisenzeit, nach den hauptsächlich benutzten Werkstoffen benannt wurden. Aufgrund der Verfügbarkeit leistungsfähiger Werkstoffe und der Fähigkeit, diese Werkstoffe zu bearbeiten, ist die Entwicklung technologisch hoch entwickelter Produkte im Maschinen- und Anlagenbau, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrtechnik sowie in der Medizin und Biotechnologie erst möglich geworden. Das vorliegende Lehrbuch Werkstoffkunde für Praktiker behandelt in bewährter Weise die Werkstoffkunde unter Berücksichtigung der für den Praktiker bedeutenden Fragestellungen. Kurz, verständlich und anhand zahlreicher Beispiele werden die wichtigsten Grundlagen über Aufbau, Eigenschaften, Normung, Verarbeitung, Prüfung und Einsatzfähigkeit der wichtigsten Werkstoffe zur Herstellung moderner Produkte erläutert. Zahlreiche aussagekräftige Grafiken und Tabellen ergänzen die textlichen Erklärungen und tragen zum besseren Verständnis bei. Ebenso wird stets besonderer Wert auf den engen Bezug zur beruflichen Praxis gelegt. Das Buch ist bestens zum Einsatz im Unterricht geeignet, es wurde inhaltlich auf die Vorgaben zur Ausbildung aller Berufe im Bereich Metalltechnik abgestimmt. Aber auch der Praktiker kann das Buch im Selbststudium einsetzen und auf dieser Grundlage die werkstoffkundlichen Themen erschließen, die für ihn aufgrund betrieblicher Aufgabenstellungen von besonderem Interesse sind. Die wesentlichen thematischen Schwerpunkte des Buches sind: Metallische Werkstoffe (Stähle, Eisengusswerkstoffe, Nichteisenmetalle) Nichtmetallische Werkstoffe (Kunststoffe, Konstruktionsklebstoffe, keramische Werkstoffe) Verbundwerkstoffe Hilfsstoffe Korrosion und Korrosionsschutz Werkstoffprüfverfahren Recycling In der vorliegenden 6. Auflage wurde vorwiegend der Bereich Nichteisenwerkstoffen aktualisiert. Die im Buch zu findenden Beispiele beziehen sich auf aktuelle europäische Normen. Aufgrund der aktuellen Gesetzgebung zur Verwendung von Metallen, beispielsweise in den Bereichen Elektronik oder Sanitärtechnik, wurden aktuelle Beispiele zur Entwicklung ökologisch unbedenklicher Werkstoffe in das Buch aufgenommen. Unseren Lesern wünschen wir viel Freude und Erfolg beim Aufbau oder bei der Erweiterung ihrer für das Bestehen in der beruflichen Praxis so wichtigen Kenntnisse im Bereich der Werkstoffkunde. Hinweise und Anregungen, die zur Weiterentwicklung des Buches beitragen, nehmen Autoren und Verlag gerne unter der Verlagsanschrift sowie per unter entgegen. Sommer 2009 Autoren und Verlag 3

4 4 Technetium Tc 43 Ruthenium Ru 44 Rhodium Rh 45 Palladium Pd 46 Rhenium Re 75 Osnium Os 76 Iridium Ir 77 Antimon Sb 51 Indium In 49 Cadmium Cd 48 Thallium Tl 81 Wismut Bi 83 Polonium Po 84 Zinn Sn 50 Blei Pb 82 Quecksilber Hg 80 Wolfram W 74 Tantal Ta 73 Molybdän Mo 42 Niob Nb 41 Barium Ba 56 Caesium Cs 55 Yttrium Y 39 Lanthan La 57 Hafnium Hf 72 Zirkonium Zr 40 Strontium Sr 38 Rubidium Rb 37 Gold Au 79 Platin Pt 78 Silber Ag 47 Aluminium Al 13 Germanium Ge 32 Gallium Ga 31 Zink Zn 30 Kupfer Cu 29 Kobalt Co 27 Eisen Fe 26 Chrom Cr 24 Mangan Mn 25 Vanadium V 23 Titan Ti 22 Scandium Sc 21 Calcium Ca 20 Kalium K 19 Natrium Na 11 Magnesium Mg 12 Beryllium Lithium Li 3 Be Helium He Wasserstoff H 1 2 B 5 Bor Kohlenstoff C 6 Stickstoff N Sauerstoff O 8 Fluor F 9 Neon Ne Silicium Si 14 Phosphor P 15 Schwefel S 16 Chlor Cl 17 Argon Ar 18 Arsen As 33 Selen Se 34 Brom Br 35 Krypton Kr 36 Tellur Te 52 Iod I 53 Xenon Xe 54 Astat At 85 Radon Rn 105 Nickel Ni 28 Neptunium Plutonium Americum Uran Protactinium Radium Ra 88 Francium Fr 87 Actinium Ac 89 Thorium Np Pu Am U Pa Th flüssig Nichtmetalle gasförmig Leichtmetalle Schwermetalle Periodensystem der Elemente (gekürzt) Verteilung der Elemente in der Erdkruste Sauerstoff O 2 50,5% Aluminium Al 7,3% Eisen Fe 3,4% Calcium Ca 2,7% Kalium K 2,3% Natrium Na 2,1% Magnesium Mg 1,3% Wasserstoff H 2 1% Titan Ti 0,9% übrige Elemente ca. 1% Silicium Si 27,5%

5 Inhaltsverzeichnis Vorwort Naturstoffe Rohstoffe Werkstoffe Hilfsstoffe Einteilung der Werkstoffe Metallische Werkstoffe Der Aufbau der Metalle Zustandsschaubilder Die Gewinnung der Metalle Die Reduktion mit Kohlenstoff, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff Die Reduktion mit anderen Elementen Die Röstreduktion Die Reduktion durch Elektrolyse einer Metallsalzlösung Die Reduktion durch Elektrolyse im Schmelzfluss Andere Verfahren Allgemeine Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Technologische Eigenschaften Chemische Eigenschaften Eisenwerkstoffe Gusseisen- und Stahlgewinnung Die Benennung der Stähle nach DIN (alt) Die Kurznamen nach DIN (in der zurückgezogenen Form) Die Werkstoffnummern nach DIN in der zurückgezogenen Form Die Benennung der Stähle nach der Europäischen Norm (neu) Einteilungsmöglichkeiten der Stähle Normenüberblick Handelsformen der Stähle Der Einfluss von Legierungselementen Kennwerte und technologische Eigenschaften der Stähle sowie ihre Bestimmung Die Zugfestigkeit Die Druckfestigkeit Der Einfluss des Gitteraufbaus auf die Verformung Die Dauerfestigkeit Die Härte Die Kerbschlagarbeit Die Härtbarkeit Die Tiefungsfähigkeit Die Schweißbarkeit Die Zerspanbarkeit Die Wärmebehandlung Das Abschreckhärten Das Flamm- und Induktionshärten Das Einsatzhärten Das Vergüten Das Nitrieren Das Normalglühen Die Alterung Das Rekristallisationsglühen DasWeichglühen DasHochglühen Das Spannungsarmglühen Die Wärmebehandlung nach ZTU-Schaubildern Häufige Fehler bei der Wärmebehandlung Stähle für den Maschinenbau. 077 Unlegierte (allgemeine) Baustähle nach DIN EN Alterungsbeständige Stähle Schweißbare Feinkornbaustähle Stähle für Feinbleche Automatenstähle BlankeStähle Einsatzstähle Vergütungsstähle Nitrierstähle Stähle für die Flamm- und Induktionshärtung Stähle für Schrauben und Muttern Federstähle

6 Verschleißfeste Stähle Warmfeste Stähle Kaltzähe Stähle Hochfeste Stähle Wälzlagerstähle Ventilstähle Unlegierte Werkzeugstähle Legierte Kaltarbeitsstähle Legierte Warmarbeitsstähle Schnellarbeitsstähle Nichtrostende (rost- und säurebeständige) Stähle Stähle für Kunststoffbearbeitung Nichteisenwerkstoffe Aluminium und seine Legierungen Kupfer und seine Legierungen Lote Weitere wichtige Metalle Pulvermetallurgie Die Herstellung der Pulver Die Formgebung der Pulver Das Sintern Die Nachbehandlung von Sinterteilen Die Kennzeichnung von Sinterwerkstoffen Verschiedene Sinterwerkstoffe Nichtmetallische Werkstoffe Kunststoffe Allgemeine Eigenschaften Einteilungsmöglichkeiten Syntheseverfahren Die Polymerisation Die Polykondensation Die Polyaddition Eigenschaftsänderungen bei Kunststoffen Der Einfluss der Monomeren Der Einfluss der Herstellungsverfahren Der Einfluss der Weichmacher 112 Der Einfluss von Zusatzstoffen 112 Der Einfluss des Polymerisationsgrades Der Einfluss der Wärme Technisch bedeutsame Kunststoffe Polykondensate Plastomere Polymerisate Polyaddukte Konstruktionsklebstoffe Die Theorie des Klebens Einteilungsmöglichkeiten von Konstruktionsklebstoffen Der Klebevorgang Technisch bedeutsame Konstruktionsklebstoffe Keramiken Verbundwerkstoffe Hilfsstoffe Schleif- und Poliermittel Abschreckmittel Schmierstoffe Schneid- und Kühlmittelöle Korrosion und Korrosionsschutz Arten der Korrosion Erscheinungsformen der Korrosion Korrosionsschutz Werkstoffprüfverfahren Metallografische Untersuchungen Schleiffunkenprobe und Spektralanalyse Oberflächenprüfungen nach dem Eindringverfahren Röntgenprüfung Gammastrahlenprüfung Ultraschallprüfung Magnetische Rissprüfung Recycling Sachwortverzeichnis

7 1 Naturstoffe Rohstoffe Werkstoffe Hilfsstoffe Naturstoffe bietet die Natur an. An ihnen ist noch keine menschliche Arbeit verrichtet worden. Dazu zählen z.b. Vorkommen an Erdöl, Erzen, Holz, Kohle und Mineralien. Naturstoffe entstehen ohne menschlichen Einfluss in der Natur. Rohstoffe liegen vor, wenn Menschen Naturstoffe gewonnen haben um sie anschließend nutzbar zu machen. Gefördertes Erdöl, geförderte Erze, gefällte Bäume, geförderte Kohle und gebrochene Mineralstoffe gehören als sogenannte Primärrohstoffe dazu. Ebenso sind es jedoch auch Sekundärrohstoffe, z.b. Schrott, Metallspäne, Altpapier und Alttextilien, die dem Produktionsprozess wieder zugeführt werden sollen. Primärrohstoffe werden durch menschliche Arbeit aus Naturstoffen gewonnen. Werkstoffe entstehen durch Verarbeitung der Rohstoffe zu solchen Produkten, die unmittelbar vor ihrer Endverarbeitung zu einem Fertigprodukt stehen. Aus Erdöl können z.b. die Kunststoffe Polyethen und Polypropen, aus Erzen können die verschiedensten Stähle, aus gefällten Bäumen können Bretter und Balken, aus Kohle können Rohteer und Koks und aus bestimmten Mineralien können Baustoffe hergestellt werden. Werkstoffe werden aus Rohstoffen hergestellt und zu Fertigprodukten verarbeitet. Hilfsstoffe sind erforderlich, um Werkstoffe und Fertigprodukte aus Roh- und Naturstoffen zu gewinnen. Hilfsstoffe ermöglichen den Prozess der Herstellung von Fertigprodukten aus Rohstoffen (z.b. die Formgebung eines Metalls mit Hilfe von Schleifmitteln) sie gehen aber in das Fertigprodukt nicht ein. Hilfsstoffe werden zur Herstellung von Werkstoffen und von Fertigprodukten benötigt. Die Entscheidung, ob ein Material Werkstoff oder Hilfsstoff ist, hängt von seiner Stellung zum Fertigprodukt ab. So ist Ethin (früher Acetylen) beim Gasschmelzschweißen als Wärmelieferant ein Hilfsstoff, bei der Gewinnung von Chlorethen (umgangssprachlich Vinylchlorid) dagegen ein Werkstoff. Ebenso ist Benzin beim Antrieb von Verbrennungsmotoren ein Hilfsstoff, als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Kunststoffen jedoch ein Werkstoff. Menschliche oder maschinelle Arbeit Produktionsprozesse Fertigungsprozesse Naturstoffe Rohstoffe Werkstoffe Fertigprodukt Beispiele: Erdölvorkommen Erzlagerstätten Kohleflöze Beispiele: gefördertes Erdöl gebrochene Mineralstoffe geförderte Kohle Beispiele: Stahlblech Epoxidharz Kunststoffgranulat Hilfsstoffe Beispiele: Betriebsstoffe Schmierstoffe Schleifstoffe Bild 1: Veranschaulichung der Begriffe Naturstoff, Rohstoff, Werkstoff und Hilfsstoff 7

8 2 Einteilung der Werkstoffe Werkstoffe sind für die Konstruktion nützliche feste Stoffe. Damit ein Stoff als Werkstoff verwendet wird, muss er eine günstige Kombination aus physikalischen Eigenschaften (z. B. Dichte und Festigkeit) aufweisen, gut zu verarbeiten, wirtschaftlich zu beschaffen und gut zu entsorgen sein. Bild 1 zeigt die heute übliche Einteilung der Werkstoffe. Die größte technische Bedeutung haben hierbei die Metalle, insbesondere aufgrund ihrer in der Regel hohen Festigkeit und ihres plastischen Verformungsvermögens. Aufgrund ihrer technischen Bedeutung unterteilt man die Metalle üblicherweise weiter in die Eisenmetalle und Nichteisenmetalle. Die Nichtmetalle werden eingeteilt in die organisch-nichtmetallischen und die anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffe. Die größte Bedeutung in der Gruppe der organischnichtmetallischen Werkstoffe haben die Kunststoffe und in der Gruppe der anorganischnichtmetallischen Werkstoffe die Keramiken. Verbundwerkstoffe entstehen durch eine Kombination von mindestens zwei Werkstoffen aus gleichen oder unterschiedlichen Gruppen. Ein bekanntes Beispiel stellen die glasfaserverstärkten Kunststoffe dar. Werkstoffe Metalle Nichtmetalle Eisenmetalle Nichteisenmetalle Anorganisch Organisch 3) Stahl Bau- und Konstruktionsstähle Unleg. Baustähle Feinkornbaustähle Vergütungsstähle Einsatzstähle Nitrierstähle Federstähle Warmfeste Stähle z.b. Holz Harze Kork Baumwolle Eisen- Gusswerkstoffe Leichtmetalle und deren Legierungen z.b. Magnesium Aluminium Titan Stahlguss Weißes Gusseisen Hartguss Temperguss Graues Gusseisen mit Lamellengraphit mit Kugelgraphit Sondergusseisen Schwermetalle und deren Legierungen z.b. Nickel Chrom Mangan Wolfram Kupfer Edelmetalle z.b. Gold Silber Platin Buntmetalle 1) z.b. Messing Bronze Rotguss Natürlich z.b. Glimmer Graphit Talkum Asbest Synthetisch Keramik Silicatkeramik z.b. Techn. Porzellan Cordierit Steatit Oxidkeramik z.b. Al 2 O 3 ZrO 2 Al 2 TiO 5 MgO Natürlich Pflanzlich Tierisch z.b. Leder Wolle Synthetisch Kunststoffe (Polymere) Thermoplaste z.b. Polyethylen Polyamid Thermoplast. Elastomere z.b. thermopl. Polyurethan Duroplaste z.b. Epoxidharz Phenolharz Kaltzähe Stähle Nichtrost. Stähle Automatenstähle Weißmetalle 2) Nichtoxidkeramik z.b. SiC Si 3 N 4 Gläser Elastomere z.b. Butadienkautschuk Umgewandel. Naturstoffe z.b. Cellulose Werkzeugstähle Kaltarbeitsstähle Warmarbeitsstähle Anorganische Bindemittel z.b. Kalk, Gips, Zement Schnellarbeitsstähle 1) Legierungen auf Cu-Basis 2) Legierungen auf Sn- oder Pb-Basis Verbundwerkstoffe 3) Verbindungen des Kohlenstoffs mit Ausnahme der Kohlenstoffoxide, Carbonate, Carbide und Metallcyanide. Bild 1: Einteilung der Werkstoffe 8

9 3 Metallische Werkstoffe Um die Eigenschaften der zu verarbeitenden Werkstoffe zu verstehen, sind chemische und physikalische Grundkenntnisse erforderlich. Soweit es nötig ist, soll darum zunächst das Basiswissen vermittelt werden, das später am konkreten Fall zu erweitern ist. 3.1 Der Aufbau der Metalle Alle Stoffe bauen sich aus Atomen auf. Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle. Der Kern wiederum setzt sich zusammen aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen. In der Hülle umkreisen elektrisch negativ geladene Elektronen den Kern. Die Anzahl der Protonen und der Elektronen ist in jedem Atom eines Elementes gleich groß. Darum ist jedes Atom elektrisch neutral. Metallatome und Nichtmetallatome unterscheiden sich unter anderem durch die Anzahl der Elektronen auf den äußeren Bahnen: Metallatome haben immer weniger als vier, Nichtmetallatome immer mehr als vier Außenelektronen. Charakteristisch für Metallatome ist, dass sie Außenelektronen abgeben, wenn sie sich verbinden. Magnesiumatome z.b. verfügen über zwei Außenelektronen, die sie als freie Elektronen abgeben: Mg Mg 2+ +2e. Dadurch entstehen positive Ionen, die auch als Atomrümpfe bezeichnet werden, sowie ungebundene, bewegliche freie Elektronen (sog. Elektronengas). Die Bindung von positiv geladenen Atomrümpfen und den negativ geladenen, freien Elektronen durch elektrostatische Kräfte bezeichnet man als Metallbindung. Nachfolgend wird zur Vereinfachung von Atomen anstelle von Atomrümpfen gesprochen. Es ist zulässig, in Modellen die Atome vereinfacht als Kugeln darzustellen. In einer Metallschmelze können sich die Atome frei bewegen. Beim Abkühlen werden bei Erreichen der Erstarrungstemperatur stärkere Bindungskräfte wirksam, die dazu führen, dass sich die Atome in einem regelmäßigen Kristallgitter anordnen. 8 + Bild 1: Modell eines Sauerstoffatoms 12 + Bild 2: Modell eines Magnesiumatoms Bild 3: 3 Atomrümpfe des Magnesiums mit 6 freien Elektronen Schmelze ungeordnet Kristall geordnet Bild 4: Die Entstehung eines Metallgitters aus der Schmelze Bild 5: Kubisch-flächenzentrierte Elementarzelle Die kleinsten Einheiten dieses Kristallgitters sind die Elementarzellen, die bei Metallen auf unterschiedliche Grundformen zurückgeführt werden können. Die meisten Metalle weisen ein kubisches Kristallgitter auf, bei dem die Eckpunkte des Würfels mit Atomen 9

10 besetzt sind. Im Fall des kubisch-raumzentrierten Gitters findet sich ein zusätzliches Atom in der Mitte des Würfels, bei kubisch-flächenzentrierten (kfz) Metallen finden sich neben den Eckatomen weitere Atome auf den Flächenmitten. Weitere Gitterformen sind das hexagonale und das tetragonale Gitter. Kubisch flächenzentrierte Gitter (kfz) besitzen Aluminium, Blei, Gold, Kupfer und Silber. Kubisch raumzentrierte Gitter (krz) gibt es bei Chrom, Molybdän, Vanadin und Wolfram. Hexagonale Gitter (hex) weisen Beryllium, Cadmium, Magnesium und Zink auf. Tetragonale Gitter findet man im β-zinn und im γ-mangan. Einige Metalle, z.b. Eisen und Zinn, haben in betsimmten Temperaturbereichen unterschiedlich aufgebaute Elementarzellen. Diese Erscheinung bezeichnet man als allotrope Modifikation (gr. állos = ein anderer; trépein = wechseln; lat. modus = Art und Weise; fictus = entstanden). Die verschiedenen Modifikationen eines Metalls werden durch kleine griechische Buchstaben gekennzeichnet, die man zusammen mit einem Bindestrich dem Namen oder dem chemischen Symbol voranstellt, z.b. α-eisen (α-fe, krz) oder γ-eisen (γ-fe, kfz). Ein Einkristall liegt vor, wenn ein Kristall allseitig über freie Oberflächen verfügt und keine Korngrenzen besitzt. Einkristalle finden z.b. in der Mikroelektronik als Siliciumkristalle Anwendung. Weitere technisch wichtige Einkristalle sind sog. Whisker (engl. = Barthaar), die etwa 3 mm lang sind. Ihr Durchmesser liegt im μm-bereich. Im Aufbau von Einkristallen sind immer Fehler nachzuweisen, z.b. können unbesetzte Gitterplätze oder Fremdatome auftreten. In der Regel erstarren Metalle jedoch als Vielkristall. Das bedeutet, dass in der Schmelze viele einzelne Kristalle gleichzeitig von sog. Keimen ausgehend zu wachsen beginnen, bis sie aufeinander treffen. Schließlich ist auf diese Weise das gesamte Metall erstarrt, es besteht aus vielen Kristallen, die als Kristallite oder Körner bezeichnet werden und den Stoßstellen, den sog. Korngrenzen. Diese Anordnung wird Gefüge genannt. Jedes Korn ist dabei für sich gesehen ein einzelner Kristall, in dem die Atome in einer bestimmten Richtung ausgerichtet sind. Der Korndurchmesser beträgt im Durchschnitt 3 μm bis 3 mm. Die Erstarrungsbedingungen sowie Umformungen und Wärmebehandlungen Idealkristall beeinflussen die Korngröße und Kornformen. Alle Kristalle mit Fehlern werden als Realkristalle bezeichnet. Damit sind alle in einem metallischen Werkstück vorkommenden Kristallite Realkristalle, aber auch alle technisch hergestellten Einkristalle. Idealkristalle sind gegenwärtig nur theoretisch vorstellbar. Es gibt sie in der Praxis nicht. Als Modelle sind sie jedoch geeignet, den Feinaufbau der Metalle und ihre physikalischen Eigenschaften verständlich zu machen. So haben Physiker die theoretische Zugfestigkeit eines Idealkristalls aus Eisen mit N/mm 2 berechnet. 10 kfz hex krz tetragonal Bild 1: Verschiedene Formen von Elementarzellen Realkristall Bild 2: Schematische Darstellung eines Ideal- und eines Realkristalles (Momentaufnahme)

11 In der Praxis erreicht man mit großem Arbeitsaufwand an Hochfestigkeitsstählen Zugfestigkeiten von etwa 1500 N/mm 2. Der strukturelle Aufbau der Elementarzellen erklärt physikalische Eigenschaften der Metalle. Die Zugfestigkeit der metallischen Bindung spürt der Praktiker sehr schnell bei der Arbeit mit Säge und Feile. Die elektrische Leitfähigkeit ist mit der Beweglichkeit insbesondere der freien Elektronen zu begründen. Die Wärmeleitfähigkeit hat ihre Ursache darin, dass die Atome des Gitters in weiten Temperaturbereichen um ihre Ruhelage schwingen können. Weitere Eigenschaften z.b. Verformungsmöglichkeiten, werden ebenfalls verständlich. Weil die Entstehung der Körner der Schmelze so schnell erfolgt, dass sich nicht alle Atome einheitlich ausrichten können, bilden sich viele kleine Körner mit systemlos angeordneten Achsen. Es zeigt sich ein Metallgefüge mit unterschiedlicher Orientierung der Körner. Wird in einem Einkristall eine bestimmte physikalische Größe erst in einer und dann in einer anderen Richtung gemessen, ergeben sich unterschiedliche Werte. Diese Richtungsabhängigkeit der Eingenschaften wird als Anisotropie bezeichnet. Auch jeder Kristallit des vielkristallinen Gefüges verhält sich anisotrop. Werden jedoch Eigenschaften im Vielkristall bestimmt, ergeben sich in jeder Richtung dieselben Werte. Dies wird durch die Verkippung der einzelnen Körper gegeneinander verursacht. Durch das Messen über alle Körner hinweg ( Mittelung ) heben sich die einzelnen Anisotropien auf die Probe verhält sich quasi-isotrop ( wie isotrop, d.h. keine Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften). Sind alle Kristallite gleich orientiert, besitzt der Werkstoff eine Textur. Er verhält sich dann wieder anisotrop. Die Achsen der Körner sind z.b. durch eine Verformung so ausgerichtet, dass sie nahezu parallel verlaufen und dabei bevorzugte Gleitebenen entstehen, über die beim Tiefziehen der Werkstoff besonders stark fließt und wodurch die gerade Zipfelbildung erklärt wird. Fehlstellen im Gitter (sog. Gitterbaufehler) beeinflussen mehr oder weniger die physikalischen Eigenschaften des Metalls. Eine Fehlstelle kann ein nicht mit einem Atomrumpf besetzter Gitterplatz oder ein eingelagertes Fremdatom sein. Aufgrund des Durchmesserunterschiedes von Fremd- und Matrixatomen ergibt sich gewisse Verfestigung durch die Verspannung des Metallgitters. Legierungen sind Werkstoffe mit Metallcharakter aus wenigstens zwei Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist. Sie können pulver- oder schmelzmetallurgisch hergestellt werden. Austauschmischkristalle (Substitutionsmischkristalle) entstehen, wenn Fremdatome auf Gitterplätzen des Matrixgitters untergebracht sind. Dazu ist Voraussetzung, dass die Atome beider Metalle annähernd gleiche Durchmesser besitzen und in gleicher Grundform (Modifikation) auskristallisieren. Die Anordnung der Fremdatome ist unregelmäßig. Mischkristalle der beschriebenen Art bilden z.b. Kupfer und Nickel. Korn Korngrenze Bild 1: Unterschiedliche Orientierung der Körner im Metallgefüge Bild 2: Ähnliche Orientierung der Körner im Metallgefüge (Textur) Bild 3: Fehlstellen in einem Metallgitter 11

12 Bei Einlagerungsmischkristallen befinden sich Fremdatome auf Zwischengitterplätzen des Wirtsgitters. Solche Kristalle können sich nur bilden, wenn die Fremdatome wesentlich kleiner sind als die Atome des Matrixgitters. Das ist z.b. der Fall bei der Einlagerung von Kohlenstoffatomen in ein Eisengitter (Stahl). So löst Bild 1: Austauschmischkristall z.b. das kubisch raumzentrierte α-eisen maximal 0,02 Prozent Kohlenstoff. Ein Kristallgemisch entsteht, wenn die Legierungselemente im festen Zustand nicht ineinander löslich sind. Es stellt sich ein, wenn zwei Metalle nach verschiedenen Systemen auskristallisieren, z.b. in Zinn-Blei-Legierungen. Zinn bildet tetragonale, Blei kubisch-flächenzentrierte Gitter. Beide Kristallarten liegen dann getrennt nebeneinander vor. Bild 2: Kristallgemenge Bild 3: Einlagerungsmischkristall 3.2 Zustandsschaubilder Jedes reine Metall zeigt beim Schmelzen einen in den Diagrammen mit A c und beim Erstarren einen mit A r bezeichneten Haltepunkt (A von frz. arrêt = Halt; r von refroidissement = Abkühlung; c von chauffage = Erwärmung). Am Schmelzpunkt verharrt die Temperaturanzeige eines Thermoelementes, weil die zugeführte Wärmeenergie eine gewisse Zeit benötigt, um die chemischen Bindungskräfte zwischen freien Elektronen und Atomrümpfen zu überwinden. Erst nach dem Schmelzen des letzten festen Metallstückes steigt die Temperatur wieder an. Auch am Erstarrungspunkt bleibt die Anzeige eines Thermoelementes beim Abkühlen der Schmelze eine Zeit konstant. Bei dieser Temperatur bilden sich Keime, an die sich ständig weitere Atomrümpfe anlagern. So formieren sich, von vielen Stellen Zeit ausgehend, die Körner (Kristallite) des Metalls. Die dabei frei werdende Bild 4: Haltepunkte eines reinen Metalls Kristallisationswärme wird an die Umgebung abgegeben, sodass das Thermoelement keine Temperaturabnahme anzeigt. Erst wenn die ganze Schmelze fest geworden ist, sinkt die Temperatur weiter. 12 Temperatur A c Schmelze (flüssig) Kristall (fest) A r

13 Die Erwärmung und Abkühlung von reinen Metallen oder Legierungen und die Aufzeichnung der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit wird als thermische Analyse bezeichnet. Das Ergebnis sind sog. Abkühl- bzw. Aufheizkurven. Bei der Abkühlung von reinem Eisen sind mehrere Haltepunkte nachzuweisen. Beim Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand, entsteht zunächst kubisch-raumzentriertes δ-eisen. Sein Gitterparameter beträgt 0,296 nm. Die dabei auftretende Kristallisationswärme ist am Haltepunkt A r5 = 1536 C erkennbar. Bei einer Temperatur von 1392 C findet eine Umgitterung (Modifikationswechsel) statt. Aus dem kubisch-raumzentriertem δ-eisen bildet sich nun kubisch-flächenzentriertes γ-eisen mit einem Gitterparameter von 0,356 nm. Die dabei entstehende Wärme macht sich als Haltepunkt A r4 bemerkbar. Das γ-eisen kann als Einlagerungsmischkristall bis zu 2,06 Prozent Kohlenstoff Temperatur in C Abkühlung A r4 Schmelze A r3 A r2 d-krz g-kfz a-krz Zeit T S A 4 A 3 A 2 Bild 1: Haltepunkte des reinen Eisens Erwärmung A c3 A c4 A c2 Curie-Punkt Temperatur in C % 70 % 100 % Ni 100 % 70 % 30 % Cu Zeit A 1 Schmelze lösen. Dieser Mischkristall wird nach dem englischen Forscher Roberts-Austen Austenit genannt. Ein dritter Haltepunkt A r3 ergibt sich schließlich bei 911 C. Jetzt wird das flächenzentrierte γ-eisen in das kubisch-raumzentrierte α-eisen mit einer Gitterkonstante von 0,286 nm umgewandelt. Das α-eisen löst höchstens 0,02 Prozent Kohlenstoff, ebenfalls als Einlagerungsmischkristall. Dieser wird Ferrit genannt (nach ferrum = lat. für Eisen). Am Haltepunkt A r2 = 769 C (Curietemperatur) wird das unmagnetische Eisen magnetisch. Die hier frei werdende Energie hat ihren Grund in Veränderungen innerhalb der Elektronenhülle. Bei der Erwärmung des Eisens stellen sich die gleichen Haltepunkte ebenfalls ein. Sie werden jeweils mit A c benannt (auf Grund der geringen Temperaturunterschiede zwischen den A c- und A r-punkten werden wie in den Bildern 1 und 2 oft nur A-Punkte vermerkt). paramagnetisch ferromagnetisch Restschmelze + Kristall Liquiduslinie Soliduslinie Kristall Masse-% Ni Masse-% Cu A 2 Bild 2: Zustandsschaubild Kupfer (Cu) Nickel (Ni) 13

14 Die Haltepunkte A r1 und A c1 finden sich bei Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8% bei 723 C am Punkt S (vergleiche Seite 15). Hinweis: In den meisten Fällen wird heute auf die c- bzw. r-kennzeichnung verzichtet. Vollkommene Löslichkeit im flüssigen und im festen Zustand Wenn zwei Metalle vollkommen ineinander löslich sind, d.h. ohne Einschränkung Austauschmischkristalle bilden, ergeben sich die Abkühlungskurven in Bild 2 der vorigen Seite, aus denen dann das Zustandsschaubild gezeichnet werden kann (z.b. CuNi). Es ist deutlich erkennbar, dass die reinen Metalle feste Erstarrungstemperaturen (gekennzeichnet durch Haltepunkte), die Legierungen jedoch Erstarrungsintervalle aufweisen. Dieses Intervall ergibt sich aus der Lage zweier Knickpunkte, dem sogenannten Solidus- bzw. dem Liquiduspunkt (lat.: liquidus = flüssig, solidus = fest). Bei der thermischen Analyse zeigen reine Metalle Haltepunkte. Legierungen erstarren von bestimmten Ausnahmen abgesehen in einem Temperaturbereich. Die obere Linie im Schaubild heißt Liquiduslinie, die untere heißt Soliduslinie. Oberhalb der Liquiduslinie sind alle Legierungselemente flüssig, unterhalb der Soliduslinie sind sie fest. Das feste Metall besteht dann aus Austauschmischkristallen (vergleiche Seite 12). Innerhalb des linsenförmigen Feldes existieren neben der Schmelze Mischkristalle (Zweiphasenfeld). Ein ähnliches Zustandsschaubild ergibt sich bei einer Legierung aus Gold und Silber. Fehlende Löslichkeit im festen Zustand, vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand Wenn zwei Metalle im festen Zustand nicht ineinander löslich sind und darum aus zwei Kristallen bestehen (Mischkristalle also nicht gebildet werden), stellen sich die im Bild gezeigten Abkühlungskurven ein, aus denen dann ebenfalls das Zustandsdiagramm gezeichnet wird (z.b. BiCd). Es ist erkennbar, dass außer den reinen Metallen auch eine bestimmte Legierung (60% Bi, 40% Cd) einen Haltepunkt aufweist. Alle anderen Legierungen erstarren über einen Temperaturbereich. Der Linienzug A-E-D ist die Liquiduslinie, der Linienzug P-E-K die Soliduslinie. Im Feld I befinden sich in der Schmelze Körner aus reinem Cadmium, im Feld II sind in der Schmelze Körner aus Wismut anzutreffen % 60 % 80 % 100 % Bi A 300 D Temperatur in C Cd 100 % 80 % 40 % Zeit 20 % P Schmelze + Kristall Cd E Kristall Bi + Kristall Cd Schmelze + Kristall Bi Masse-% Bi Masse-% Cd K Bild 1: Zustandsschaubild Wismut (Bi) Cadmium (Cd) 14

15 Am Punkt S und an der Soliduslinie gehen beide Legierungselemente gleichzeitig in den kristallinen Zustand über. Sie bilden dabei ein eutektisches Gefüge, bestehend aus Wismut- und Cadmiumkörnern, in der Regel in lamellarer Anordnung. Am Punkt E liegt ein reines Eutektikum vor (gr.: eutektos = wohlgeformt, z.b. PbSb, AlZn, BiSn). Zustandsschaubilder erlauben Aussagen über das Verhalten der Metalle beim Erwärmen und beim Abkühlen sowie über Gefügearten und Gefügeumwandlungen. Das System Eisen Kohlenstoff Kohlenstoff kann in unterschiedlichen Formen in Eisenwerkstoffen auftreten. Er ist atomar gelöst in α- und γ-mischkristallen (Ferrit oder Austenit), gebunden an Eisen als Eisencarbid (Zementit) Fe 3C und frei als Grafit anzutreffen. Im metastabilen System (gr.: meta = veränderlich; lat. stabil = fest) kommt Kohlenstoff an Eisen gebunden als Eisencarbid Fe 3C vor. Das metastabile System trifft zu für reine Eisen- Kohlenstoff-Legierungen sowie für weißes Roheisen. Im stabilen System liegt Kohlenstoff als Grafit vor. Es gilt für graues Roheisen und für grafithaltiges Gusseisen. In beiden Systemen tritt gelöster (atomarer) Kohlenstoff in α- und γ-mischkristallen auf. Das folgende, vereinfacht dargestellte Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff umfasst das metastabile System. Es gilt nur bei sehr langsamer Abkühlung und Erwärmung. Temperatur in C ,3 0,8 1,5 3 4,3 6,7% C Zeit G a g S+g E P S K ,8 2,03 4,3 Kohlenstoffgehalt in % C g +Fe 3 C a +Fe 3 C S S+Fe 3 C D F 6,67 Bild 1: Zustandsschaubild Eisen Kohlenstoff Werden einer Eisenschmelze bis zu 4,3% Kohlenstoff zulegiert, sinken die Temperaturen des Erstarrungsbeginns stetig bis zum Punkt C. Hier bildet sich an einem Haltepunkt ein besonders gleichmäßiges eutektisches Gefüge aus Zementit und γ-mischkristallen, die mit weiter sinkender Temperatur eutektoid umwandeln (vergleiche dazu weiter unten). Nach dem Metallurgen Ledebur wird dieses Gefüge Ledeburit genannt. Durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts über 4,3% hinaus steigen die Temperaturen des Erstarrungsbeginns. Reines Eisencarbid hat einen Kohlenstoffgehalt von 6,67% und würde am Punkt D erstarren. Es ist jedoch nicht beständig und zerfällt, so dass in reinen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen nur Grafit entsteht. Oberhalb der Linie G-S-E liegt eine feste Lösung (Einlagerungsmischkristall) von Kohlenstoffatomen im γ-eisen vor, der sog. Austenit. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die sehr langsame Abkühlung. 15

16 Am Punkt G bildet sich aus reinem γ-eisen α-eisen (Ferrit). Bei Eisen-Kohlenstoff- Legierungen wird die Temperatur dieser Umwandlung abgesenkt. Der Austenit eines Stahles mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8% zerfällt am Punkt S bei 723 C einem Haltepunkt in Ferrit und Zementit. Diese Umwandlung im festen Zustand wird als eutektoid bezeichnet. Sie findet bei allen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen beim Unterschreiten der Phasengrenze P-S-K bei 723 C statt. Bei unendlich langsamer Abkühlung, aber auch unter einigen technischen Abkühlungsbedingungen, z.b. beim Normalglühen, bilden Ferrit und Zementit bei der eutektoiden Reaktion eine charakteristische lamellare Anordnung. Diese wird als Perlit bezeichnet. Untereutektoide Legierungen sie besitzen weniger als 0,8% Kohlenstoff scheiden nach dem Unterschreiten der durch die Phasengrenzlinie G-S bestimmten Temperatur aus dem Austenit zunächst Ferrit aus. Unterhalb von 723 C zerfällt der restliche Austenit in Ferrit und Zementit. Übereutektoide Legierungen mit Kohlenstoffgehalten zwischen 0,8% und 2,06% scheiden beim Passieren der durch die Phasengrenze S-E festgelegten Temperatur Zementit aus. Unterhalb von 723 C entstehen wieder Zementit und Ferrit. Bei der Erwärmung verlaufen die beschriebenen Vorgänge sinnentsprechend in umgekehrter Reihenfolge. Im Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff werden die Umwandlungen des bei niedrigen Temperaturen beständigen α-eisens und des bei hohen Temperaturen beständigen γ-eisens dargestellt. In den einzelnen Feldern des metastabilen Zustandsschaubildes sind folgende Gefügeanteile zu finden. Feld I: Schmelze; Feld II: Schmelze und γ-mischkristalle; Feld III: Schmelze und Fe 3C; Feld IV: γ-mischkristalle (Austenit); Feld V: γ- und α-mischkristalle; Feld VI: γ-mischkristalle und Fe 3C; Feld VII: α-mischkristalle (Ferrit) und Fe 3C. Die Gefügebestandteile der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen haben charakteristische Eigenschaften. Unter dem Mikroskop lassen sich die Bestandteile, wie auf S. 17 gezeigt, deutlich erkennen. Im Gleichgewichtszustand liegen vor: Ferrit: Er baut sich aus kubisch-raumzentriertem α-eisen auf und kann bei 723 C maximal 0,02% Kohlenstoff lösen (s.a. S. 13). Austenit: Diese Phase ist ein Einlagerungsmischkristall von kubisch-flächenzentriertem γ-eisen mit maximal 2,06% gelöstem Kohlenstoff bei 1147 C (s. a. S. 13). Austenit ist relativ weich, gut verformbar und unmagnetisch. Zementit: Bei diesem Namen handelt es sich um eine metallografische Bezeichnung. Chemisch gesehen handelt es sich um Eisencarbid Fe 3C. Er bildet komplizierte Kristalle und ist mit etwa 800 HV der härteste Gefügebestandteil des Stahles. Unter technischen Bedingungen entstehen besondere Gefügeanordnungen. Davon sollen hier nur zwei erwähnt werden. Perlit: Er ist ein lamellares Gemenge aus Ferrit und Zementit. Je nach Entstehungsbedingungen hat er eine Härte von 180 HB bis 370 HB. Ledeburit: Er bildet sich in reiner Form bei einem Kohlenstoffgehalt von 4,3%. Bei Raumtemperatur setzt er sich aus Zementit und Perlit zusammen. Ledeburit ist spröde und hat von allen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen den niedrigsten Schmelzpunkt (s.a. S. 15). Weitere Gefügearten, z.b. Bainit und Martensit, treten vor allem in legierten Stählen nach beschleunigter Abkühlung auf (s. S. 62ff.). 16

17 Ferritisches Gefüge Kohlenstoffgehalt: bis 0,02 Prozent V=200:1 Perlitkörner Kohlenstoffgehalt: 0,8 Prozent V=1000:1 Lamellare Anordnung von Zementit (dunkle Streifen) und von Ferrit (helle Bezirke) Gefüge mit je etwa 50 Prozent Ferrit (weiße Bezirke) und 50 Prozent Perlit, dessen Lamellenabstand so klein ist, dass man die Struktur nicht immer erkennen kann. Kohlenstoffgehalt: 0,4 Prozent V=200:1 Austenitisches Gefüge V=100:1 Die Gefügeaufnahmen stellte freundlicherweise das Max-Plank-Institut für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf, zur Verfügung Ledeburit Kohlenstoffgehalt: 4,3 Prozent Die schwarzen Bereiche sind Perlit, die weißen Zementit V=500:1 3.3 Die Gewinnung der Metalle Nur wenige Metalle, z.b. Gold, Platin, Silber und auch Kupfer, kommen in der Natur gediegen, d.h. in freiem, nicht gebundenem Zustand vor. Meistens treten Metalle in chemischen Verbindungen auf. Gesteine, in denen nutzbares Metall oder nutzbare Metallverbindungen enthalten sind, bezeichnet man als Erze. Oxidische Erze enthalten Metall-Sauerstoffverbindungen (MeO), sulfidische Erze Metall- Schwefel-Verbindungen (MeS) und carbonatische Erze (MeCO 3, Me steht für Metall) an die CO 3-Gruppe gebundene Metalle. 17

18 Die Verbindungen entstehen dadurch, dass die Metalle an die jeweiligen Reaktionspartner Elektronen abgeben. Dadurch bilden sich positiv geladene Metallionen und negativ geladene Nichtmetallionen, die sich gegenseitig anziehen, z.b.: Fe Fe 2+ +2e O+2e O 2 Fe 2+ O 2 oder einfach FeO Aus Fe 2+ und O 2 baut sich das verhältnismäßig stabile Eisenoxid FeO auf. Erzart Oxidische Erze Sulfidische Erze Carbonatische Erze Formel der Chemischer Name der mineralogischer Metallverbindungen Metallverbindungen Name des Erzes Al 2O 3 2H 2O Aluminiumoxid Bauxit Fe 3O 4 Eisen(II, III)-oxid Magneteisenstein SnO 2 Zinn(IV)-oxid Zinnstein FeS 2 Eisen(II)-sulfid Pyrit ZnS Zinksulfid Zinkblende PbS Bleisulfid Bleiglanz FeCO 3 Eisencarbonat Spateisenstein MnCO 3 Mangancarbonat Manganspat PbCO 3 Bleicarbonat Weißbleierz Um Metalle für den praktischen Gebrauch nutzbar zu machen, müssen sie aus den Erzen und aus ihren chemischen Verbindungen isoliert werden. Dazu sind verschiedene Technologien üblich. Ihnen allen ist gemeinsam, dass den Metallionen unter mehr oder weniger großem Energieaufwand ihre Elektronen zurückgegeben werden, die sie bei der Reaktion an ihre Reaktionspartner abgegeben haben. Diese Rückgabe der Elektronen kann z.b. mit dem Entzug von Sauerstoff oder Schwefel verbunden sein: Fe 2+ +2e Fe Reduktion (Elektronenaufnahme) O 2 O + 2e Oxidation (Elektronenabgabe) Jede Aufnahme von Elektronen wird als Reduktion bezeichnet. Die Gewinnung der Gebrauchsmetalle erfolgt somit durch Reduktion. Wenn ein Element Elektronen aufnimmt, muss ein anderes dafür Elektronen abgeben. Jede Elektronenabgabe wird Oxidation genannt. Reduktion und Oxidation verlaufen parallel. Man spricht darum auch von Redox-Reaktionen, die bei der Metallgewinnung erfolgen Die Reduktion mit Kohlenstoff, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff Dieses Verfahren findet bei der Verarbeitung oxidischer Erze Anwendung. Die Gewinnung von Roheisen aus Magneteisenstein Fe 3O 4 ist dafür ein praktisches Beispiel. Als Reduktionsmittel das sind sauerstoffentziehende Mittel werden Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid sowie Wasserstoff eingesetzt. Sie stammen aus dem Koks bzw. bilden sie sich beim Zerfall der bei der Verhüttung zugesetzten Erdölprodukte. 18

19 Vorgänge im Hochofen Kohlenstoff Metalloxid + Kohlenstoffmonoxid Metall + Kohlenstoffdioxid + Wasser Wasserstoff a) Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid CO: aus dem durch Verbrennung des Kokses entstehenden Kohlenstoffdioxid bildet sich Kohlenstoffmonoxid CO 2 +C 2CO. b) Reduktion des Eisenerzes: Fe 3O 4 +2C 3Fe+2CO 2 sowie Fe 3O 4 +CO 3FeO+CO 2 und FeO + CO Fe+CO 2. Ferner Fe 3O 4 +4H 2 3Fe+4H 2O. Bei diesen Reaktionen entsteht festes Eisen. c) Aufkohlung des Eisens: Eisen nimmt Kohlenstoff auf. Dadurch sinkt der Schmelzpunkt von 1536 C auf etwa 1150 C. d) Schmelzen des Roheisens und des Gesteins (Gangart): durch weitere Wärmezufuhr schmelzen Roheisen und Gestein. Danach erfolgt der Abstich von Schlacke und Roheisen. Durch Reduktion mit Kohlenstoff, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff lassen sich aus Metalloxiden, die in manchen Fällen noch in besonderen Arbeitsverfahren aus den Erzen Heißluft 700 Gestell isoliert werden müssen, die folgenden Metalle gewinnen: Cobalt aus CoO, Nickel aus NiO, Kupfer aus Cu 2O, Zink aus ZnO, Zinn aus SnO 2, Blei aus PbO und Wismut aus Bi 2O Die Reduktion mit anderen Elementen (Metallothermie) Nicht alle Metalloxide lassen sich mit Kohlenstoff reduzieren. Hauptgrund dafür ist die im Vergleich zu den jeweiligen Metallen nicht ausreichende Bindungskraft zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff. An Stelle von Kohlenstoff wird daher z.b. Aluminium als Reduktionsmittel verwendet, weil es sich leichter mit Sauerstoff verbindet als Kohlenstoff. Diese Art der Metallgewinnung bezeichnet man als aluminothermische Verfahren. Die Erzeugung von reinem Vanadin z.b. verläuft nach folgender Reaktionsgleichung: 3 V 2O 5 +10Al 6V+5Al 2O 3 oder allgemein: Metalloxid + Aluminium Metall + Aluminiumoxid. Auf die gleiche Weise lassen sich Chrom aus Cr 2O 3 und Mangan aus Mn 3O 4 gewinnen. Außer Aluminium können Natrium, Calcium, Magnesium, Wasserstoff und Silicium als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Technische Bedeutung besitzt in diesem Zusammenhang das Thermitschweißen, bei dem Eisenoxid durch Aluminium zu Eisen und Aluminiumoxid reduziert wird Die Röstreduktion Unter Rösten versteht man die Umwandlung von sulfidischen und carbonatischen Erzen in oxidische Erze durch Erhitzen unter Luftzufuhr. Die entstehenden Metalloxide können anschließend mit Kohlenstoff reduziert werden. Sulfidische Erze liefern außerdem Schwefeldioxid, das zu Schwefelsäure weiterverarbeitet wird. Die carbonatischen Erze geben Kohlenstoffdioxid ab. Gicht Schacht Kohlungszone Kohlensack Rast Bild 1: Hochofen Schlacke Eisenerz Koks Zuschläge 200 C 600 C 700 C 1000 C 1200 C 1400 C 1700 C Schlacke zur Verarbeitung Gichtgas Vorwärmzone Reduktionszone Schmelzzone Roheisen Roheisen zum Stahlwerk 19

20 Geröstet werden z.b. Bleisulfid PbS, Zinksulfid ZnS, Molybdänsulfid MoS und Eisensulfid FeS sowie Bleicarbonat PbCO 3, Mangancarbonat MnCO 3 und Eisencarbonat FeCO 3: 4 FeCO 3 +O 2 2Fe 2O 3 +4CO Die Reduktion durch Elektrolyse einer Metallsalzlösung Unter einer Elektrolyse versteht man die Zerlegung von Elektrolyten durch Gleichstrom in ihre Bestandteile. Elektrolyte sind elektrisch leitende Lösungen oder Salzschmelzen. Beispielsweise ist bei der Elektrolytkupfergewinnung der Elektrolyt eine mit Schwefelsäure angesäuerte Kupfersulfatlösung. Die Katode besteht meist aus Reinstkupfer, die Anode aus Rohkupfer mit Verunreinigungen verschiedener Metalle, u.a. Gold und Silber. Es laufen die folgenden Reaktionen ab: Anode: das Rohkupfer wird aufgelöst a) Die Gleichstromquelle entzieht den Kupferatomen je zwei Elektronen: Cu 2e Cu 2+ (Oxidation). b) die entstehenden Kupferionen wandern zur Katode. Katode: es scheidet sich Elektrolytkupfer ab a) Kupferionen Cu 2+ werden angezogen. b) Kupferionen nehmen pro Ion zwei Elektronen auf: Cu 2+ +2e Cu (Reduktion). Bild 1: Elektrolytkupfergewinnung Das durch Reduktion entstandene Elektrolytkupfer hat einen Reinheitsgrad von etwa 99,9 Prozent. Es wird umgeschmolzen und zu Fertigprodukten weiterverarbeitet. Der an der Anode zurückbleibende Schlamm enthält u.a. Gold und Silber. Die Edelmetalle werden in einem besonderen Arbeitsschritt gewonnen. Durch Elektrolyse ihrer wässrigen Metallsalzlösungen lassen sich außer Kupfer noch gewinnen: Gold, Silber, Platin, Chrom, Zink und Zinn Die Reduktion durch Elektrolyse im Schmelzfluss Die der Aluminiumgewinnung ist aus einer wässrigen Lösung nicht möglich, da Aluminium sehr unedel ist. Daher besteht der Elektrolyt aus einer geschmolzenen Mischung von Aluminiumoxid Al 2O 3 und Kryolyth. Durch die Mischung wird der Schmelzpunkt des Aluminiumoxides von ca C auf etwa 900 C gesenkt (Eutektikum, s. Bild 1, S. 14). In der Schmelze bewegen sich Aluminiumionen Al 3+ und Sauerstoffionen O 2. Die Katode besteht aus einem grafithaltigen Schmelztiegel (Boden der Zelle), die Anode aus Kohleelektroden. Im Einzelnen laufen nach der Gleichung 2 Al 2O 3 4Al+3 O 2 die folgenden Reaktionen ab: Anode: es bildet sich Kohlenstoffdioxid a) die Stromquelle entzieht den Sauerstoffionen Elektronen: 6 O 2 12e 6 O bzw. 3 O 2 (Oxidation) b) der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff der Elektrode 3 C + 3 O 2 3CO = + Cu 2+ SO 4 2 Cu 2+ Katode Anode + Abscheidung Auflösung Katode Anode + = + Elektrolyt + Al 3+ O 2 Al Bild 2: Aluminiumgewinnung (Elektrolysezelle)