Werkstoffe 9 - Nichteisenmetalle

  • View
    95

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Nichteisenmetalle: Aluminium & Kupfer - Darstellung & Eigenschaften

Text of Werkstoffe 9 - Nichteisenmetalle

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    2

    9. NICHTEISENMETALLE

    9.1. ALUMINIUM UND ALUMINIUMLEGIERUNGEN

    9.2. KUPFER UND KUPFERLEGIERUNGEN

    9.3. MAGNESIUM UND MAGNESIUMLEGIERUNGEN

    9.4. TITAN UND TITANLEGIERUNGEN

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    3

    Als Nichteisenmetalle (NE-Metalle) werden alle Metalle auer Eisen

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

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

    Reinmetalle Edelmetalle

    Schwermetalle

    Leichtmetalle

    Knetlegierungen

    Gulegierungen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    4

    Aluminium und Aluminium-legierungen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    5

    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)

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    6

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    7

    Aluminium in Zahlen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    8

    Kennzahlen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    9

    Kennzahlen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    10

    Kennzahlen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    11

    Kennzahlen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    12

    Geschichte

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    13

    Geschichte

    Aluminium ist unter Bercksichtigung seiner Hufigkeit ein Metall

    mit relativ kurzer Geschichte

    erstmalige Erwhnung von Alaun in der Historia naturalis bei

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

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

    Schmelzfluelektrolyse

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    14

    Geschichte

    1825: Erstsynthese durch H.C. RSTED

    1827: Reindarstellung durch F. WHLER

    Al ist zu dieser Zeit teurer als Gold:

    NAPOLEON III. pflegte mit seinem Hofstaat mit

    Aluminiumbesteck von Aluminiumtellern zu

    speisen (weniger angesehene Gste muten

    sich ordinrem Gold und Silber begngen!)

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    15

    Geschichte

    1855: Weltausstellung in Paris LArgent de largile

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

    nischen Darstellung von Al Preis sinkt um 90%

    1886: C.M. HALL und P. HROULT verffentlichen unab-

    hngig voneinander Patente zur Schmelzfluelek-

    trolyse von Al2O3

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    1888: $ 10,40

    1894: $ 1,64

    1939: $ 0,40

    16

    Geschichte

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

    stellung von Al2O3 aus Bauxit

    1906: Entwicklung von Duraluminium durch A. WILM

    1911: Eloxal-Verfahren

    Preisentwicklung

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    17

    Geschichte

    Einflu der Verfahren von DEVILLE und HALL-HROULT auf den Al-Preis:

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    18

    Vor-kommen

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    19

    Vor-kommen

    dritthufigstes Element in der Erdkruste (7,57 Gew.-%), hufigstes Metall

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

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

    einziges wirtschaftlich bedeutendes Gestein ist Bauxit:

    benannt nach Les Baux-de-Provence (Sdfrankreich), bestehend aus: Gibbsit, -Al(OH)3 Bhmit, -AlO(OH) Diaspor, AlO(OH)

    Hmatit, Fe2O3 Goethit, -FeO(OH)

    Kaolinit, Al2Si2O5(OH)4 Anatas, TiO2

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    20

    Vor-kommen

    dotierte Korunde (-Al2O3) als Schmucksteine:

    Fe2+/Ti3+: blau

    Fe3+: gelb/grn

    V4+: violett

    Cr3+: rot

    Saphire Rubin

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    21

    Vor-kommen

    Hauptfrderlnder:

    Jahresfrderung:

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    22

    Vor-kommen

    Entwicklung des Aluminiumpreises in neuerer Zeit:

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    23

    Dar-stellung

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    24

    Dar-stellung

    Bauxitabbau

    Gewinnung von Al2O3

    BAYER-Verfahren

    Schmelzfluelektrolyse von Al2O3

    HALL-HROULT-Verfahren

    Einzelschritte der Aluminium-Gewinnung

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    25

    Dar-stellung

    Prozebersicht

    Bauxit Aluminiumoxid Aluminium

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    26

    Dar-stellung

    BAYER-Verfahren

    Na[Al(OH)4]

    KristallisationAl(OH)3

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    27

    Dar-stellung

    BAYER-Verfahren

    Aufschlu von Bauxit mit Natronlauge bei 7 bar und 180 C:

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

    unlslicher Rotschlamm ( Ga)

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

    Na[Al(OH)4] Al(OH)3 + NaOH

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

    2 Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    28

    Dar-stellung

    HALL-HROULT-Verfahren

    Schmelzfluelektrolyse

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    29

    Dar-stellung

    HALL-HROULT-Verfahren

    Elektrolyse einer eutektischen Schmelze von 10% Al2O3 in

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

    Elektrodenvorgnge:

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

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

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

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

    Reinheit: >99%

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    30

    Dar-stellung

    HALL-HROULT-Verfahren

    Pre-bake-Technologie: Anoden wer-

    den separat hergestellt (emissions-

    arm, 83% Verbreitung)

    Anodenersatz

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    31

    Dar-stellung

    HALL-HROULT-Verfahren

    SDERBERG-Technologie: Anoden wer-

    den whrend der Elektrolyse ge-

    backen (geringere Qualitt)

    Anodenersatz

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    32

    Dar-stellung

    kobilanz kobilanz

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

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    33

    Dar-stellung

    Einsatz von Sekundraluminium aus Recycling-Prozessen

    kobilanz

    360-800 kg Rotschlamm ( Deponie)

    15700 kWh ( Wasserkraft)

    kobilanz

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    34

    Dar-stellung

    kobilanz Recycling

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    35

    Eigen-schaften

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    36

    Eigen-schaften

    13Al

    Aluminium * Wegen der geringeren Dichte wiegen Al-Leitungen

    nur halb so viel wie vergleichbare Cu-Leitungen!

    physikalische Eigenschaften:

    silberweies Leichtmetall

    Fp.: 660 C, Kp.: 2467 C

    = 2,70 g cm-3

    Kristallgitter: kfz, a = 405,0 pm

    = 37,7 m -1 mm-2 *

    = 235 W m-1 K-1

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    37

    Eigen-schaften

    chemische Eigenschaften:

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

    Elektronenkonfiguration: [Ne] 3s2 3p1

    Oxidationszahlen: (+I), +III

    unedler Charakter: 0 (Al/Al3+) = - 1,66 V

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

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

    Verbindungen nur des dreiwertigen Ions wichtig:

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

  • WERKSTOFFE 9 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Mai 2014

    38

    Eigen-schaften

    Entwicklung 1911 durch DE SAINT-MARTIN

    Methode der Oberflchentechnik zur Erzeugung einer oxidischen Schutz-

    schicht auf Al durch anodische Oxidation

    kein galvanisches berzugsverfahren (Aufbringen einer Schutzschicht), son-

    dern Umw