15a, Nichteisenmetalle [Werkstofftechnik mit Prof. Sadlowsky]

Teil 15: Nichteisenmetalle

Einführung in Nichteisenmetalle

• Der Vortrag beginnt mit einer kurzen Einführung zu Nichteisenmetallen, wobei der Fokus auf deren Bedeutung im Vergleich zu Stahl gelegt wird. Es wird betont, dass es nur begrenzte Zeit gibt, um die Themen zu behandeln.

Kupfer und seine Eigenschaften

• Kupfer wird als ein wichtiges Nichteisenmetall vorgestellt. Die Zuhörer werden aufgefordert, technische Eigenschaften von Kupfer zu nennen, abgesehen von seiner elektrischen Leitfähigkeit.

• Ein Bild einer Kupferrohrleitung wird gezeigt, um den praktischen Einsatz von Kupfer im Alltag zu veranschaulichen.

Technische Eigenschaften von Kupfer

• Die drei wichtigsten technischen Eigenschaften von Kupfer sind:

• Umformbarkeit: Kupfer ist sehr formbar und kann leicht an verschiedene Geometrien angepasst werden.

• Wärmeleitfähigkeit: Es hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit.

• Korrosionsbeständigkeit: Diese Eigenschaft wird durch die Bildung einer schützenden Patina verdeutlicht.

Umformbarkeit und Kristallstruktur

• Die Umformbarkeit von Kupfer hängt mit seiner kubisch flächenzentrierten Struktur zusammen. Diese Struktur ermöglicht eine hohe Packungsdichte der Atome.

• Eine Analogie zur Bewegung auf einer Straße wird verwendet, um die Leichtigkeit des Gleiten der Atome in einem kubisch flächenzentrierten Gitter zu erklären.

Wärmeleitfähigkeit und Korrosion

• Neben der Umformbarkeit hat Kupfer auch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Dies zeigt sich beispielsweise an den grünen Dächern im Hamburger Hafen.

• Der Vortrag erläutert das Konzept der Deckschichtbildung bei Eisenoxid und vergleicht diese mit dem Verhalten von nicht rostendem Stahl (z.B. X5CrNi18-10).

Nicht rostender Stahl

• Nicht rostender Stahl enthält einen hohen Anteil an Chrom (über 10,5 %), was ihm hilft, eine schützende Schicht gegen Korrosion zu bilden. Dies ist besonders relevant für Verfahrenstechniker im Lebensmittelbereich.

Diese Notizen bieten einen strukturierten Überblick über die behandelten Themen in Bezug auf Nichteisenmetalle mit einem besonderen Fokus auf Kupfer und dessen Eigenschaften sowie Anwendungen.

Kupfer und seine Eigenschaften

Korrosionsbeständigkeit von Kupfer

• Kupfer zeigt eine bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit in wässrigen oder aquatischen Systemen, jedoch ist die Qualität der Schutzschicht nicht mit der von rostfreiem Stahl vergleichbar.

• Die dichte und kompakte Deckschicht, die sich bildet, reduziert signifikant die Korrosionsgeschwindigkeit an der Oberfläche des Materials.

Mechanische Eigenschaften und Anwendungen

• Trotz seiner guten Korrosionsbeständigkeit hat Kupfer geringe mechanische Eigenschaften, was es ungeeignet für den Bau hochfester Bauteile macht.

• Bei Druckbehältern ist die Wandstärke entscheidend; sie muss entsprechend dem Druck und Radius berechnet werden. Geringe Materialkennwerte führen zu einer größeren Wandstärke.

Herausforderungen bei der Verwendung von Kupfer

• Die geringen mechanischen Eigenschaften von Kupfer machen es unpraktisch für den Bau von Behältern oder Rohrleitungen, insbesondere unter hohem Druck.

• In Wasserleitungen sind die Drücke meist gering (1–4 bar), was eine Anwendung ermöglicht, während Hochdruckanwendungen (über 100 bar) problematisch sind.

Verbindungen und Festigkeit

• Es gibt kaum Verschraubungen aus Kupfer aufgrund der Schwierigkeiten bei der Montage; das Gewinde kann leicht beschädigt werden.

• Mechanische Eigenschaften von Kupfer sind nicht optimal für Verbindungen; dies könnte in Prüfungen relevant sein.

Elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit

• Kupfer ist ein hervorragender elektrischer Leiter; je reiner das Kupfer, desto höher die elektrische Leitfähigkeit. Verunreinigungen verringern diese Eigenschaft.

• Gute Wärmeleitfähigkeit macht Kupfer interessant für Anwendungen wie Wärmetauscher.

Struktur und Mikrostruktur von Kupfer

• Die kubisch flächenzentrierte Struktur des Kupfers trägt zu seinen hervorragenden Umformungseigenschaften bei.

• Eine metallografische Untersuchung zeigt unterschiedliche Kristallorientierungen im Material, was zu variierenden optischen Eigenschaften führt.

Korrosionsprobleme trotz guter Beständigkeit

• Obwohl Kupfer korrosionsbeständig ist, können dennoch Probleme auftreten. Ein Beispiel wird angedeutet, um diese Thematik weiter zu beleuchten.

Küchenbetrieb in der AOL Arena

Einführung in die Küche

• Die Küche befindet sich in der ehemaligen AOL Arena, wo der Hamburger SV spielte. An Spieltagen werden viele Menschen im Stadion versorgt.

• In dieser Küche werden Snacks wie Würstchen zubereitet, um die Besucher während der Spiele zu bedienen.

Warmwasserleitung und Probleme

• Nach zwei Jahren Betriebszeit kam es zu einem Wasserschaden. Die Temperatur des warmen Wassers sollte zwischen 54 und 65 Grad liegen.

• Eine Untersuchung zeigt, dass die Wasserleitung unter dem Boden verläuft und an verschiedenen Stellen Leckagen aufweist.

Druckprüfung und Leckage

• Bei einer Druckprüfung wurde festgestellt, dass Wasser aus einem bestimmten Bereich austritt, was auf eine Leckage hinweist.

• Das Problem wurde durch das Abdrücken des Systems sichtbar gemacht; ein Kupferfitting zeigte Risse.

Ursachen für den Schaden

• Der Riss im Rohr ist ungewöhnlich, da er in Umfangrichtung verläuft. Normalerweise sind Risse entlang der Längsachse zu erwarten.

• Es wird vermutet, dass eine Längsspannung auf das Rohrstück gewirkt hat, möglicherweise durch unsachgemäße Handhabung oder Kompression.

Fazit zur Schadensanalyse

• Der Schaden wurde genauer untersucht; ein Beweisstück zeigt einen kleinen Riss von etwa einem Millimeter.

• Die Analyse legt nahe, dass externe Kräfte auf das Rohr eingewirkt haben könnten, was zu dem unerwarteten Versagen führte.

Schadenanalyse und Ursachenforschung

Einleitung zur Schadensanalyse

• Der Sprecher betont die Notwendigkeit, bei einem Schadensfall als Betriebsleiter Unterstützung von Schadensanalytikern und Versicherungen zu suchen, um den Schaden zu klären.

Vorgehensweise bei der Analyse

• Zunächst wird empfohlen, den Schaden visuell zu begutachten und eine zerstörungsfreie Prüfung (VT) durchzuführen, um die Art und Ursache des Schadens festzustellen.

• Die visuelle Begutachtung ist entscheidend; es wird auf die Bedeutung der zerstörungsfreien Prüfung hingewiesen.

Materialuntersuchung

• Es wird erläutert, dass Kühlmittel mit Inhibitoren verwendet werden, um Metalle vor Korrosion zu schützen. Diese Inhibitoren hemmen die Auflösung von Metallen in geringen Mengen.

Rissbildung und Korrosionsmechanismen

• Bei genauerer Betrachtung des Materials zeigt sich ein Riss, der senkrecht zur Längsachse orientiert ist. Dies deutet auf spezifische Spannungen im Material hin.

• Der Sprecher vergleicht das Erscheinungsbild des Materials mit "Elefantenhaut" oder Cellulitis auf Kupfer, was auf eine Schädigung hindeutet.

Herstellerverantwortung und Fehleranalyse

• Es wird diskutiert, dass oft auch Hersteller für Schäden verantwortlich gemacht werden. Die Frage bleibt jedoch offen, ob es sich um einen Materialfehler handelt oder andere Ursachen vorliegen.

Innendruck als mögliche Ursache

• Der Innendruck könnte eine Rolle bei der Entstehung von Leckagen spielen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verständnis vergangener Vorlesungen hilfreich sein kann.

Pathologie des Schadens untersuchen

• Um die Ursachen eines Schadens besser zu verstehen, sollte man wie in einem Kriminalfilm vorgehen: Eine detaillierte Untersuchung des Materials ist notwendig.

Mikroskopische Analyse

• Bei einer mikroskopischen Analyse sind frische Flanken sichtbar; dies deutet auf verschiedene Deckschichten hin.

• Ein keilförmiger Angriff im Material ist gefüllt mit Oxidationsprodukten – ein typisches Zeichen für dehnungsinduzierte Risskorrosion.

Zusammenfassung der Erkenntnisse

• Der Prozess umfasst Wasserfluss und Sauerstoffeinwirkung auf Kupfer während des Betriebs; diese Faktoren können zur Korrosion beitragen.

Korrosionsprozesse in Kupferleitungen

Bildung von Kupferoxid und Spannungsaufbau

• Alle 14 Tage bildet sich im Betrieb eine Kupferoxid-Schicht, während die Leitung warm ist. Diese Schicht entsteht durch den Spannungsaufbau.

• Die Spannung wird ohne vorherige Erhöhung aufgebaut, was zu einer Dehnung der Kupferrolle führt. Am Ende des Tages sinkt die Temperatur, wodurch das System kälter wird.

Auswirkungen der Temperaturänderungen

• Mit abnehmender Temperatur zieht sich die Leitung zusammen, was dazu führt, dass die gebildete Kupferoxid-Schicht unter Druck steht und versucht, diesen Druck auszugleichen.

• Wenn Spannungen auftreten, kann es passieren, dass die Deckschicht reißt. Dies ermöglicht Wasser und Sauerstoff den Zugang zum Werkstoff und verursacht Korrosion.

Korrosionsmechanismen

• Der Korrosionsangriff tritt auf, wenn Wasser und Sauerstoff eindringen können. Dies führt zu einem mittig aufgerissenen Fusionsprodukt.

• Um Schäden zu vermeiden, muss man Spannungen reduzieren. Hierbei sind Dehnungs-Ausgleiche wichtig.

Technische Lösungen zur Vermeidung von Schäden

• Ein Dehnungs-Ausgleich kann durch spezielle Bögen erreicht werden, um Längenänderungen abzufangen.

• Bei der Betrachtung der Struktur zeigt sich eine Veränderung des Winkels aufgrund von Temperaturwechseln; dies hat Auswirkungen auf die Deckschichten.

Langfristige Folgen für das Material

• Wiederholte Dehnungen können dazu führen, dass auch das Kupfer selbst beschädigt wird.

• Es gibt verschiedene Arten von Korrosion; hier handelt es sich um dehnungsgeschädigte Korrosion aufgrund zyklischer Beanspruchung alle 14 Tage.

Chemische Einflüsse auf Kupferleitungen

• In bestimmten Bereichen können chemische Einflüsse auftreten, die zur Zerstörung der Deckschichten führen.

• Eine genauere Untersuchung zeigt Unterschiede in der Wandstärke und mögliche Defekte in den Materialien.

Diese Notizen bieten einen umfassenden Überblick über die Herausforderungen bei der Verwendung von Kupferleitungen sowie deren Anfälligkeit für Korrosion durch mechanische und chemische Einflüsse.

Wasserströmungen und Korrosion in Wärmeübertragern

Strömungsdynamik und Materialverhalten

• Die Wandstärke der Rohre ist minimal, was zu einer geringen Erosion führt. Man kann sich die Strömung wie eine riesige Wasserrutsche vorstellen, durch die Wasser und Sauerstoff fließen.

• In den Kurven des Systems entstehen mikroskopische Wirbel, die als Mikro-Turbulenzen bezeichnet werden. Diese Turbulenzen beeinflussen die Kupferoberfläche und führen zur Bildung von Ablagerungen.

• Wenn Kupferoxid ständig abgetragen wird, platzt die Deckschicht ab. Dies ist ein typisches Beispiel für Erosion in Bereichen mit ungünstigen Strömungsverhältnissen.

• Der Werkstoff versucht kontinuierlich, eine neue Deckschicht aus Kupferoxid zu bilden, doch diese wird immer wieder abgetragen, was den Grundwerkstoff schädigt.

Materialien im Wärmeübertrager

• Neben Kupfer sind auch Messing, Bronze und Aluminium Teil des Materialspektrums in diesem Bereich der Nichteisenmetalle.

• Der Wärmeübertrager besteht nicht aus reinem Kupfer, sondern aus einer Kupferlegierung (Messing), mit spezifischen Maßen: Außendurchmesser von 19,5 mm und Wandstärke von 3,5 mm.

Korrosionsmechanismen

• Im Eintrittsbereich des Wärmeübertragers treten starke Strömungsverhältnisse auf. Diese führen dazu, dass Mikro-Turbulenzen entstehen und es zum Ablösen der Deckschicht kommt.

• Das ständige Ablösen der Deckschicht verursacht eine spezielle Art der Korrosion. Der Werkstoff versucht immer wieder einen neuen Schutz aufzubauen.

Zusammenfassung und Reflexion

• Es wurde viel Wissen vermittelt; Teilnehmer haben möglicherweise Notizen gemacht oder das Video pausiert. Eine Gelegenheit zur Reflexion über das Gelernte wird gegeben.