Die Welt der Werkstoffe, Nichteisenmetalle, Teil 3: Nickel und Kupfer

Summary

Dieses Video bietet einen Einblick in die Welt der Schwermetalle, insbesondere Nickel, Kupfer und deren Legierungen. Es erklärt die Verwendung von Nickel in Stählen und chemischen Anlagen, die Eigenschaften von Nickellegierungen und wie Kupferlegierungen in Elektrotechnik und Wärmeübertragung eingesetzt werden. Zudem werden die Herausforderungen bei der Verarbeitung von Kupfer und die Bedeutung von Reinheit und Verunreinigungen für die elektrische Leitfähigkeit diskutiert.

Takeaways

• 🔬 Nickel wird hauptsächlich als Legierungselement in Stähle verwendet, wobei nur 10-20% für Nickelwerkstoffe eingesetzt werden.
• 🌟 Nickelwerkstoffe zeichnen sich durch korrosionsbeständige Eigenschaften und hohe mechanische Festigkeiten aus, was sie für Anwendungen in der chemischen und petrochemischen Industrie geeignet macht.
• 🛡️ Nickelbasislegierungen sind aufgrund ihrer Passivschicht auch widerstandsfähig gegenüber nichtoxidierenden Säuren und schwachen Säuren.
• 🔩 Durch Kupferzusätze werden die Beständigkeit von Nickel gegenüber Chloridionen und Schwefelsäure erhöht, was die Anwendung in Meerwasserentsalzungsanlagen ermöglicht.
• 🌐 Die Ni-Cu-Legierung Monel, mit 68% Nickel und 30% Kupfer, ist aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber Chlorwasserstoffen bekannt.
• 🔥 Ni-Cr-Legierungen bieten erhöhte Zunder- und Warmfestigkeit in sowohl reduzierender als auch oxidierender Atmosphäre.
• 🛠️ Nickelbasislegierungen mit Chom und Molybdän sind für Anwendungen in extremen Korrosionsbedingungen verwendet, wo austenitische Edelstahl nicht ausreichen.
• 🚗 In der Automobilindustrie werden Nickellegierungen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit im Triebwerksbau eingesetzt.
• ⚙️ Superlegierungen, speziell für Hochtemperaturanwendungen, sind in der Turbinenproduktion essentiell und zeichnen sich durch hohe Festigkeit bei Temperaturen über 700°C aus.
• 🔧 Kupfer und Kupferlegierungen sind aufgrund ihrer guten Umformbarkeit, elektrischen und wärmeleitenden Eigenschaften sowie Korrosionsbeständigkeit vielseitig verwendbar.
• ⚡ Kupfer ist aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit nach Silber das leitfähigste Material, aber seine Leitfähigkeit ist stark von der Reinheitsgrad abhängig.

Q & A

Welche Schwermetalle und Legierungen werden in dem Video thematisiert?

Das Video konzentriert sich auf Nickel, Kupfer sowie Zink und ihre Legierungen.

Wofür wird der Hauptteil des produzierten Nickels verwendet?

Der Hauptteil des produzierten Nickels wird als Legierungselement für Stähle verwendet, nur etwa 10-20% für die Herstellung von Nickelwerkstoffen.

Welche Eigenschaften zeichnen sich Nickelwerkstoffe aus?

Nickelwerkstoffe sind allgemein korrosionsbeständig und haben aufgrund der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur hervorragende mechanische Eigenschaften, wie Festigkeiten auf Stahlniveau und hohe Zähigkeit.

In welchen Anwendungsbereichen werden Nickelbasis-Legierungen häufig eingesetzt?

Nickelbasis-Legierungen werden eingesetzt, wo Korrosionsbeständigkeit und hohe mechanische Eigenschaften gefordert werden, wie in Kühlern, Reaktionsgefäßen und Pumpen in der chemischen und petrochemischen Industrie.

Was ist ein spezifisches Merkmal von Nickel unter atmosphärischen Bedingungen?

Unter atmosphärischen Bedingungen bildet Nickel eine Passivschicht aus, was ihm eine Beständigkeit gegenüber nichtoxidierenden und schwachen Säuren gibt.

Was sind die Eigenschaften von Ni-Cu-Legierungen?

Ni-Cu-Legierungen sind sehr widerstandsfähig gegenüber trockenen, gasförmigen Halogenen, im Kontakt mit Chlorwasserstoffen sowie in alkalischen Lösungen.

Was ist Monel und in welchen Anwendungsbereichen wird es eingesetzt?

Monel ist eine 'natürliche' Legierung von 68% Nickel, 30% Kupfer und etwas Eisen, bekannt für ihre Beständigkeit gegenüber Chlorwasserstoffen und wird in Meerwasserentsalzungsanlagen und im chemischen Apparatebau eingesetzt.

Welche Eigenschaften zeichnen Ni-Cr-Legierungen aus?

Ni-Cr-Legierungen zeichnen sich durch erhöhte Zunder- und Warmfestigkeit aus, die in reduzierender wie oxidierender Atmosphäre gegeben ist, und sind aufgrund der Ausbildung fest anhafter Passivschichten bester Oxidationsangriffen widerstandsfähig.

Was sind die Hauptanwendungsgebiete von Nickelbasislegierungen mit Chom und Molybdän?

Nickelbasislegierungen mit Chom und Molybdän werden dort eingesetzt, wo die Beständigkeit hochlegierten austenitischen nichtrostenden Stählen nicht ausreicht, in oxidierenden sowie reduzierenden Korrosionsmedien, und sie bilden stabile Passivschichten aus.

Welche Rolle spielen Nickel-Basislegierungen im Triebwerksbau?

Im Triebwerksbau werden Nickel-Basislegierungen für die heißen hiteren Teile verwendet, die eine hohe Temperaturbeständigkeit benötigen, und werden in Form von Superlegierungen für Turbinenteile eingesetzt.

Welche Eigenschaften von Kupfer sind für seine Anwendungen wichtig?

Die elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Kaltumformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Kupfer sind die wichtigsten Eigenschaften für seine Anwendungen.

Was sind die Nachteile von Kupfer in Bezug auf seine Verarbeitung?

Die Gefahr der Wasserstoffaufnahme beim Schweißen und die schlechte Zerspanbarkeit sind die Hauptnachteile von Kupfer in Bezug auf seine Verarbeitung.

Wie wird die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer beeinflusst?

Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ist stark vom Reinheitsgrad abhängig und wird durch Verunreinigungen, insbesondere durch Elemente, die im Gitter eingebaut werden, beeinträchtigt.

Was ist die Bedeutung von Phosphor in Kupferlegierungen?

Phosphor ist ein wirksamer Desoxidationszusatz in Kupferlegierungen, der zur Verbesserung der Schweißbarkeit und Verringerung der Leitfähigkeit beiträgt.

Wie wird die 'Hydrogenkrankheit' von Kupfer beschrieben?

Die 'Hydrogenkrankheit' von Kupfer tritt auf, wenn Wasserstoff in sauerstoffhaltigem Kupfer diffundiert und zu Kupferoxydul reagiert, was zu inneren Drücken und Verlust der Festigkeit und Zähigkeit führt.

Welche Rolle spielt das Wiedemann-Franz-Gesetz für Kupfer?

Das Wiedemann-Franz-Gesetz zeigt die direkte Proportionalität zwischen elektrischer und Wärmeleitfähigkeit, was für die Anwendung von Kupfer in Wärmeübertragungsprozessen wichtig ist.

Outlines

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🔍 Schwermetalle und ihre Legierungen

Der erste Absatz präsentiert die Welt der Werkstoffe mit einem Fokus auf Nickel, Kupfer, Zink und deren Legierungen. Es wird erklärt, dass der Hauptzweck von Nickel in der Herstellung von Legierungen für Stähle besteht, wobei etwa 10-20% für Nickelwerkstoffe verwendet werden. Nickelwerkstoffe zeichnen sich durch korrosionsbeständige und gute mechanische Eigenschaften aus, was sie für Anwendungen in der chemischen und petrochemischen Industrie, wie Kühler, Reaktionsgefäße und Pumpen, ideal macht. Zusätzlich werden die Eigenschaften und Anwendungen von verschiedenen Nickel- und Kupferlegierungen, wie Monel, Ni-Cu-Legierungen und Ni-Cr-Legierungen, diskutiert. Auch die Verwendung von Nickelbasislegierungen in der Triebwerksindustrie wird erwähnt.

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🌡 Effizienz und Materialien in der Energieproduktion

Der zweite Absatz konzentriert sich auf die Entwicklung von Materialien für Turbinenteile, insbesondere Superlegierungen, die für Hochtemperaturanwendungen speziell hergestellt werden. Es wird auf die Verbesserung der Energieeffizienz von Dampfturbinen und Gasturbinen hingewiesen, sowie auf die Notwendigkeit, Materialien zu entwickeln, die höhere Temperaturen und Kräfte aushalten können. Die Rolle von Nickel-Basislegierungen in der Herstellung von Turbinenschaufeln wird betont. Weiterhin werden die Eigenschaften von Kupfer und Kupferlegierungen erläutert, insbesondere ihre Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme, ihre Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Bedeutung der Reinheit von Kupfer für die elektrische Leitfähigkeit und die Verwendung von Phosphor als Desoxidationsmittel wird diskutiert.

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🔧 Verarbeitung und Anwendung von Kupfer

Der dritte Absatz erweitert das Thema der Kupferverarbeitung und -anwendung. Es wird auf die Herausforderungen bei der Verarbeitung von sauerstoffhaltigem Kupfer und die sogenannte 'Wasserstoffkrankheit' eingegangen, die zu inneren Rissen und einer Verminderung der Festigkeit und Zähigkeit des Kupfers führen kann. Die Bedeutung von Cu-OF (oxyen-free copper) für Anwendungen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit erfordern, wird hervorgehoben. Des Weiteren wird die Verwendung von Phosphor als Desoxidationsmittel zur Verbesserung der Schweißbarkeit von Kupfer erläutert. Schließlich wird das Wiedemann-Franz-Gesetz zur Beziehung zwischen elektrischer und Wärmeleitfähigkeit herangezogen, um die Anwendung von Kupfer in Wärmeübertragungsprozessen zu erklären.

Keywords

💡Nickel

Nickel ist ein Schwermetall, das hauptsächlich als Legierungselement in Stählen verwendet wird und auch für die Herstellung von Nickelwerkstoffen beitragen kann. Es zeichnet sich durch korrosionsbeständige Eigenschaften und hervorragende mechanische Eigenschaften aus, wie im Video erwähnt wird, dass Nickelbasislegierungen in der chemischen und petrochemischen Industrie eingesetzt werden, insbesondere für Kühler, Reaktionsgefäße und Pumpen.

💡Nickellegien

Nickellegien sind Legierungen, die Nickel als Hauptbestandteil haben und oft für ihre spezifischen Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und hohe mechanische Festigkeit verwendet werden. Im Video wird gezeigt, dass sie in Umgebungen eingesetzt werden, die diese Eigenschaften erfordern, wie z.B. in Meerwasserentsalzungsanlagen und chemischen Apparaten.

💡Kupfer

Kupfer ist ein edles Metall, das für seine elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Im Video wird betont, dass Kupfer aufgrund seines guten Umformvermögens und seiner korrosionsbeständigen Eigenschaften in verschiedenen Anwendungsbereichen verwendet wird, obwohl es bei Schweißen mit Wasserstoffproblemen rechnen muss.

💡Kupferlegierungen

Kupferlegierungen sind Mischungen von Kupfer mit anderen Metallen, die Eigenschaften wie Festigkeit und Leitfähigkeit verbessern. Im Kontext des Videos werden sie für ihre vielseitigen Verarbeitungsmöglichkeiten und ihre Anwendung in technischen Bereichen wie der Elektrotechnik und Wärmeübertragung hervorgehoben.

💡Zink

Obwohl im Skript nicht ausführlich behandelt, ist Zink ein weiteres Schwermetall, das häufig in Legierungen verwendet wird, insbesondere in der Galvanisierung, um Korrosionsschutz zu bieten. Es wäre ein wichtiger Bestandteil der Diskussion über Schwermetalle und ihre Legierungen.

💡Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsbeständigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, Veränderungen durch chemische Reaktionen mit der Umwelt zu widerstehen. Im Video wird dies für Nickel und Nickellegierungen hervorgehoben, die in aggressiven Umgebungen wie der chemischen Industrie eingesetzt werden.

💡Passivschicht

Eine Passivschicht ist eine dunne, stabile Oxidschicht, die auf der Oberfläche von Metallen bildet und sie vor weiterer Oxidation schützt. Im Video wird erwähnt, dass Nickel unter atmosphärischen Bedingungen eine solche Schicht bildet, was seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber nichtoxidierenden Säuren und anderen chemischen Agenzien erhöht.

💡Monel

Monel ist eine bekannte 'natürliche' Legierung von Nickel und Kupfer, die im Video erwähnt wird. Sie ist für ihre Beständigkeit gegenüber Meerwasser und Chlorwasserstoffen bekannt und wird in Anwendungen wie der Meerwasserentsalzung und chemischen Apparatebau eingesetzt.

💡Ni-Cr-Legierungen

Ni-Cr-Legierungen, die im Video vorgestellt werden, sind Legierungen aus Nickel und Chrom, die für ihre erhöhte Zunder- und Warmfestigkeit bekannt sind. Sie sind in Umgebungen mit oxidierender und reduzierender Atmosphäre eingesetzt, wie z.B. in der Herstellung von Heizkörpern und anderen Komponenten, die hohe Temperaturen ertragen müssen.

💡Triebwerkbau

Der Triebwerkbau bezieht sich auf die Konstruktion und den Aufbau von Antrieben, insbesondere für Fahrzeuge. Im Video wird gezeigt, dass Nickelbasislegierungen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit in diesem Bereich wichtig sind, insbesondere für die Herstellung von Turbinenteilen und anderen hochbeanspruchten Komponenten.

💡Superlegierungen

Superlegierungen sind spezielle Legierungen, die für ihre hohen Festigkeits- und Temperaturbeständigkeitseigenschaften verwendet werden. Im Video werden sie in Zusammenhang mit der Herstellung von Turbinenteilen und anderen Komponenten im Triebwerkbau erwähnt, die extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen und Kräfte aushalten müssen.

💡Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad misst, wie effizient ein System Energie umwandelt. Im Video wird die Verbesserung des Wirkungsgrads von Kraftwerken durch höhere Verbrennungstemperaturen und erhöhten Druck in den Kesseln erläutert, was zu einer Verringerung des Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes führt.

Highlights

Nickel und Nickellegierungen sind in der chemischen und petrochemischen Industrie aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und hohen mechanischen Eigenschaften wichtig.

Nickelbasislegierungen werden für Kühler, Reaktionsgefäße und Pumpen eingesetzt, die Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit benötigen.

Nickel bildet unter atmosphärischen Bedingungen eine Passivschicht, was eine Beständigkeit gegenüber nichtoxidierenden Säuren und schwachen Säuren gewährleistet.

Kupferzusätze erhöhen die Beständigkeit von Nickel gegenüber Chloridionen, Fluoridionen und Schwefelsäure.

Ni-Cu-Legierungen sind extrem widerstandsfähig gegenüber gasförmigen Halogenen und in alkalischen Lösungen.

Monel-Legierungen, mit 68% Nickel und 30% Kupfer, sind bekannt für ihre Verwendung in Meerwasserentsalzungsanlagen und chemischem Apparatebau.

Ni-Cr-Legierungen zeichnen sich durch erhöhte Zunder- und Warmfestigkeit in reduzierender und oxidierender Atmosphäre aus.

NiCr20-Legierung ist ein klassischer Vertreter für hohe Zunderbeständigkeit in Luft über 1200°C.

Nickelbasislegierungen mit Chom und Molybdän sind aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit in oxidierenden und reduzierenden Medien eingesetzt.

Legierungen wie NiMo16Cr16Ti (alloy C-4) und NiCr23Mo16Al (alloy 59) sind für ihre Anwendung in chemischen Anlagen und Rauchgasentschwefelungsanlagen bekannt.

Nickelbasis-Legierungen sind im Triebwerksbau aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften wichtig.

Superlegierungen, speziell für Hochtemperaturanwendungen, zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit bis über 700°C aus.

Kupfer und Kupferlegierungen sind aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme, Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit wichtig.

Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ist stark vom Reinheitsgrad abhängig und wird durch Verunreinigungen beeinträchtigt.

Phosphor ist ein Desoxidationszusatz in Kupfer, der die Leitfähigkeit beeinträchtigt, aber die Schweißbarkeit verbessert.

Oxyen-free copper (Cu-OF) ist für die höchste Leitfähigkeit und Verarbeitung ohne Wasserstoffrisse geeignet.

Desoxidiertes Kupfer mit Phosphor (Cu-DLP/Cu-DHP) wird verwendet, wenn die Schweißbarkeit wichtiger ist als die höchste Leitfähigkeit.

Das Wiedemann-Franz-Gesetz zeigt die direkte Proportionalität zwischen elektrischer und Wärmeleitfähigkeit von Metallen.

Kupfer wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit in Wärmeübertragungsanwendungen wie Kondensatoren und Kühlern eingesetzt.

Kaltverfestigung von Kupfer ist möglich, aber die Rekristallisationstemperaturen sind niedrig, was die Festigkeit nach einigen Glühtemperaturen aufhebt.

Transcripts

Herzlich willkommen zur Welt der Werkstoffe! Mein Name ist Professor Bonnet.

In diesem Video wollen wir zu den Schwermetallen kommen.

Dabei wollen wir uns auf Nickel, Kupfer sowie Zink und die jeweiligen Legierungen beschränken.

In diesem Video soll es zunächst einmal um Nickel, Nickellegierungen und Kupfer gehen.

Der Hauptanteil des produzierten Nickels wird als Legierungselement für Stähle,

und nur etwa 10-20% werden zur Herstellung von Nickelwerkstoffen eingesetzt.

In dieser Tabelle sind die Eigenschaften sowie typische Anwendungen von Nickel und Nickellegierungen aufgelistet.

Nickelwerkstoffe sind im allgemeinen recht korrosionsbeständig und zeichnen sich z.T.

durch hervorragende mechanische Eigenschaften aus.

Festigkeiten auf dem Niveau von Stählen sind kombiniert mit extrem hoher Zähigkeit auf Grund der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur.

So werden Nickelbasis-Legierungen häufig da eingesetzt, wo Korrosionsbeständigkeit und hohe mechanische Eigenschaften gefordert werden,

wie für Kühler, Reaktionsgefäße und Pumpen in Anlagen der chemischen und petrochemischen Industrie.

Auch Nickel bildet unter atmosphärischen Bedingungen eine Passivschicht aus,

so dass es gegen nichtoxidierende und schwache Säuren beständig ist.

Durch Kupferzusätze wird die Beständigkeit des Nickels gegenüber Chlorid- und Fluoridionen sowie Fluß- und Schwefelsäure erhöht.

Sehr widerstandsfähig sind Ni-Cu-Legierungen gegenüber trockene, gasförmige Halogene,

im Kontakt mit Chlorwasserstoffen sowie in alkalischen Lösungen.

In Kanada gibt es ausgedehnte Lagerstätten, in denen Nickel- und Kupfererze gemeinsam vorkommen.

Bei der Verhüttung dieser Erze entsteht eine ,,natürliche" Legierung mit 68% Nickel, 30% Kupfer und etwas Eisen.

Diese sind unter dem Namen Monel bekannt.

Wegen ihrer Beständigkeit gegenüber Chlorwasserstoffen werden sie in Meerwasserentsalzungsanlagen

und im chemischen Apparatebau eingesetzt.

Die Ni-Cr-Legierungen zeichnen sich durch eine erhöhte Zunder- und Warmfestigkeit aus.

Diese ist sowohl in reduzierender wie auch oxidierender Atmosphäre gegeben.

Die weitgehende Beständigkeit der Ni-Cr-Legierungen gegen oxidierenden Angriff beruht wiederum mit der Ausbildung fest anhafternder

dichter Passivschichten.

Klassischer Vertreter ist hier NiCr20.

Beim NiCr20 reicht eine Zunderbeständigkeit an Luft bis über 1200°C,

in schwefel- und halogenhaltiger Atmosphäre jedoch nur bis 350°C.

Nickelbasislegierungen mit Chom und Molybdän als Hauptlegierungselementen werden aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit

sowohl in oxidierenden als auch reduzierenden Korrosionsmedien immer dort verwendet,

wo die Beständigkeit hochlegierten austenitischen nichtrostenden Stählen nicht mehr ausreicht.

Auch sie bilden stabile Passivschichten aus, die aus Chromoxid und zum Teil auch aus Molybdänoxid bestehen.

Die Chromgehalte varrieren zwischen 15 und 24%; die Molybdängehalte zwischen 3 und 18%.

Zusätzliche Legierungselemente können Eisen, Aluminium, Titan oder Niob sein.

Zwei Legierungen, die hier vor allem zum Einsatz kommen sind

NiMo16Cr16Ti (alloyC-4)

sowie NiCr23Mo16Al (alloy 59).

Ähnlich den nichtrostenden Stählen verbessert auch hier das Vorhandensein von Molybdän die Beständigkeit gegen halogenhaltige Medien

und sorgt für eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit.

Anwendungen findet die Legierung alloy C-4 in Anlagen zur Herstellung anorganischer Chemikalien, Düngemitteln und Essigsäure.

Typische Einsatzgebiete von alloy 59 sind z.B. Rauchgasentschwefelungsanlagen.

Ein typisches Anwendungsgebiet für Nickelbasis-Legierungen ist der Triebwerkbau.

Die im Triebwerkbau verwendeten Werkstoffe müssen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit

und hervorragende Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften auszeichnen.

Daher werden sowohl Titan- als auch Nickellegierungen verwendet.

Während für den vorderen Teil des Triebwerks einschließlich des Fans wegen der Festigkeit vorwiegend Titanlegierungen Anwendung finden,

werden für die heißen hiteren Teile bevorzugt Nickellegierungen mit hoher Temperaturbeständigkeit eingesetzt.

Für diese Turbinenteile werden im wesentlichen zwei Gruppen von Legierungen mit einer besonderen Zusammensetzung,

die speziell für Hochtemperaturanwendungen produziert werden, verwendet.

Man spricht hier auch von Superlegierungen.

Es handelt sich um Knetlegierungen für Scheiben und Ringe und Gusslegierungen für Lauf- und Leitschaufeln.

Diese Knetlegierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeit bis zu Temperaturen von über 700°C aus.

Heutzutage kann man Gießprozesse so gut steuern, dass die Lauf- und Leitschaufeln für Turbinen gegossen werden und nicht mehr geschmiedet werden müssen.

Die ersten Kolbendampfmaschinen des ausgehenden 19. Jahrhunderts hatten aus heutiger Sicht einen enormen Energiehunger:

Mehr als zehn Kilogramm Kohle für jede Kilowattstunde Strom mussten die Heizer in die Kessel schaufeln.

Gerade einmal ein Prozent der hineingesteckten Heizenergie wandelten die Kraftwerke in elektrische Energie um.

Steinkohlekraftwerke von heute sind genügsamer:

Für eine kWh Strom benötigen sie nur noch rund 310 gramm Kohle.

Das entspricht einem Wirkungsgrad von 40%.

Noch effizienter arbeiten kombinierte Kraftwerke mit Gas- und Dampfturbinen (GuD)

die elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60% erreichen.

Das Prinzip ist einfach:

Gasturbinen arbeiten bei Temperaturen von bis zu 1500°C.

Das ist mehr als doppelt so viel Hitze wie bei Dampfturbinen.

Die Wärmeenergie der heißen Abluft der Gasturbine wird in einem nachgestellten Dampfkraftprozess genutzt.

Bei zusätzlicher Auskopplung der restlichen Energie für Fernwärme sind in modernen GuD-Heizkraftwerken Gesamtwirkungsgrade von bis zu 90% möglich.

In dem Maße, wie der Wirkungsgrad der Kraftwerke steigt,

sinkt bei gleichem Brennstoff der Ausstoß des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid.

Die Stromversorger haben deshalb die Wirkungsgrade ihrer Kraftwerke durch gesteigerte Verbrennungstemperaturen und

größeren Druck in den Kesseln stetig erhöht.

Doch die Belastbarkeit des Materials hat Grenzen:

So müssen etwa Turbinenschaufeln aus extrem hitzebeständigen Werkstoffen gefertigt werden.

Daher kommt den Schaufeln bei der Steigerung des Wirkungsgrades eine besondere Rolle zu,

da vor allem sie immer höhere Temperaturen aushalten müssen.

Daher versuchen sich viele Turbinen-Hersteller an neuen Materialien, die diesen Temperaturen standhalten können.

Heute werden vorwiegend Nickel-Basislegierungen verwendet,

die neben der Hitze auch den hohen Fliehkräften vom 10000-fachen der Erdbeschleunigung standhalten müssen.

Das nächste Schwermetall, welches wir betrachten wollen ist Kupfer bzw. sind natürlich Kupferlegierungen.

Die Festigkeiten von Kupfer liegen unter denen der Stähle und auch der E-Modul ist mit 125000MPa nur etwa halb so hoch.

Dafür ist die Umformbarkeit von Kupfer gegenüber vielen anderen metallischen Werkstoffen

aufgrund des kubisch-flächenzentrierten Gitters sehr gut.

Die Bedeutung von Kupfer liegt daher primär in der Kombination von sehr guten Werten für:

Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme,

Kaltumformbarkeit und

Korrosionsbeständigkeit.

Nachteilig bei Kupfer sind die Gefahr der Wasserstoffaufnahme beim Schweißen und die schlechte Zerspanbarkeit.

Kupfer und Kupferlegierungen können auf verschiedenste Art und Weise verarbeitet werden.

Viele lassen sich gut gießen, aber auch kalt und warm umformen.

Gefügt werden können sie über Weich- und Hartlöten wie auch Schweißen.

Daher finden wir Kupfer und Kupfer-Legierungen in den unterschiedlichen Anwendungsgebieten.

Die jedoch technisch wichtigste Eigenschaft des Kupfers ist sicherlich seine elektrische Leitfähigkeit,

die lediglich durch Silber übertroffen wird.

Sie ist allerdings stark vom Reinheitsgrad abhängig.

Im Kupfer unlösliche Elemente sind hierbei unkritischer als solche, die im Gitter eingebaut werden.

Dort bewirken sie empfindliche Störpotentiale im elektrischen Feld.

Durch diese Störpotentiale wird die Bewegung der Elektronen behindert,

so dass die spezifische Leitfähigkeit sinkt.

Zu den gut löslichen Elementen bei den Verunreinigungen zählt Phosphor.

Phosphor ist aber auch der wirksamste Desoxidationszusatz und wird daher gerne zugesetzt,

wenn nicht die Leitfähigkeit die entscheidenen Eigenschaft ist.

Elektrisches Leitmaterial muss eine Leitfähigkeit von mind. 57m/(Ohm*mm^2) besitzen.

Nach Norm heißen diese Qualitäten Cu-ETP oder Cu-FRHC,

wobei hier im Namen neben dem Hinweis auf elektrisch leitfähig auch die Art der Herstelung enthalten ist.

ETP steht für electrolyptic tough-pitch copper; zu Deutsch:

elektolytisch raffiniertes sauerstoffhaltiges zähgepoltes Kupfer und

FRHC steht für fire-refined tough-pitch high-conducitvity copper;

zu Deutsch: Feuerrafiniertes sauerstoffhaltiges zähgepoltes Kupfer.

Da mich beim Thema Leitfähigkeit der Sauerstoff im Material nicht weiter stört, kann ich es z.T. hinnehmen,

dass das Material gewisse Anteile von 50-400ppm Sauerstoff aufweist.

Dieser Sauerstoff bildet mit dem Kupfer das so genannte Kupferoxydul Cu2O, welches sich bevorzugt an den Korngrenzen ausscheidet.

Sobald ich solches Material aber über Scheißen verarbeiten will, habe ich große Probleme.

Bei sauerstoffhaltigem Kupfer besteht die Gefahr der so genannten Wasserstoffkrankheit.

Wasserstoff ist in atomaren Zustand sehr gut in Kupfer löslich und kann z.B.

aus Schweiß- oder Schutzgasen, ins Kupfergitter diffundieren.

Gelangen die Wasserstoffatome ans Kupferoxydul reagieren diese gemeinsam zu Kupfer und Wasserdampf.

Da der Wasserdampf nicht entweichen kann, entstehen mehrere innere Drücke von mehreren kbar.

Bei der geringen Festigkeit des Kupfers kommt es daher zu inneren Trennungen entlang der Korngrenzen.

Dadurch verliert das Kupfer seine Festigkeit und vor allem seine Zähigkeit,

so dass es spröde und damit unbrauchbar wird.

Leider ist dieser Prozess irreversibel.

Wenn ich jetzt zur Verarbeitung sauerstofffreies Kupfer benötige, das aber zudem höchste Leitfähigkeit bestizen soll,

dann kann ich dies nur durch extreme Anstrengungen bei der Herstellung erreichen.

Diese höchsten Qualitäten werden als Cu-OF für oxyen-free copper bezeichnet.

Wenn es mir auf die Schweißbarkeit ankommt und ich Einbußen bei der Leitfähigkeit hinnehmen kann,

dann setze ich geringe Mengen Phosphor als Desoxidationsmittel zu.

Dierser bindet mir jeglichen Sauerstoff so gut ab, dass er nicht zur Bildung von Kupferoxydul zur Verfügung steht.

Diese Qualitäten werden mit Cu-DLP bzw. Cu-DHP für phosphorous-deoxidized copper low residual phosphorous bzw.

high residual phosphorous bezeichnet; zu Deutsch: Desoxidiertes Kupfer mit geringem bzw. hohem Phosphor-Gehalt.

Nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz sind elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit einander direkt propotional.

Das Wiedemann Franz Gesetz lautet: Landa (Wärmeleitfähigkeit)/sigma (spez. Wärmeleitfähigkeit)= a(Konstante)*T(Temperatur)

Das könnte man auch jetzt anders aufschreiben:

Landa=a*T*sigma. Daraus kann man schön erkennen, dass sie direkt propotional sind.

Aufgrund seiner daher sehr hohen Wärmeleitfähigkeit und zumindest im Vergleich zu anderen gut wärmeleitfähigen Materialien hohen Festigkeit wird Kupfer

für viele Zwecke der Wärmeübertragung, wie in Kondensatoren, Wärmeaustauschern und Vorwärmern oder Kühlern eingesetzt.

Bereits in Kapitel 1 hatten wir im Zusammenhang mit eindimensionalen Gitterfehlern über die Möglichkeit der Kaltverfestigung von Kupfer gesprochen.

Auf Grund der niedrigen Rekristallisationstemperaturen wird die erreichte Kaltverfestigung bei Kupfer jedoch erst nach ein, zwei geringen Glühtemperaturen aufgehoben.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Seien Sie auch beim nächsten Video wieder mit dabei, indem es unter anderem um Messing und Bronze als wichtigste Kupferlegierungen gehen wird.