Leiterwerkstoffe

Übersicht

Metalle

Als Leiter kommen hauptsächlich die Metalle in Frage.

Begriffe

Metalle können auch hinsichtlich des Spezifischen Gewichtes (Dichte) eingeteilt werden.

Metall_Dichte (40K)

Übersicht über die Leitereigenschaften

Die folgende Grafik zeigt eine Hierarchie der wichtigsten Leiter nach dem Spezifischen Widerstand ρWiderstand eines Drahtes
mit 1mm2 Querschnitt

und

hier mit 100m Länge
.

Metall_Widerstand (101K)

Kupfer

Kupfervorkommen sind weltweit nicht so groß wie etwa die von Aluminium. Auf der Liste der Elementehäufigkeit findet man es etwa an fünfter Stelle. Die Förderung verteilt sich etwa wie auf der folgenden Karte dargestellt:

Kupfergewinnung (21K)
LINKS:

Gewinnung

Kupfergewinnung (21K)

Flussdiagramm zur Kupfergewinnung im Chuquicamata-Distrikt

Vom Ausgangsgestein bis zum 99,9% reinen Kupfer (Abbildung: D. Müller).

Kupfergewinnung Schema (127K)

Herstellung

Die Herstellung von Leitungskupfer erfolgt durch Elektrolyse.

Eigenschaften

Cu ist sehr korrosions- und feuerbeständig.

An Luft bildet sich eine dünne, grüne Schutzschicht (Die Patina).

Bei Einwirkung von Essigsäure entsteht der giftige Grünspan.

Bearbeitbarkeit

Cu lässt sich

  • schlecht gießen.
  • schlecht schweißen
  • nur schwer zerspanen - es "schmiert" (Abhilfe: richtiger Werkzeugschliff und Bohrmittel)
  • gut weich- und hartlöten

Die Kaltverarbeitung macht Kupfer spröde und hart. Deshalb sind bei der Verarbeitung Zwischenglühungen notwendig.

Aus den gegossenen Platten oder Barren kann man Cu bei Temperaturen von 800 bis 900 °C durch Walzen oder Pressen weiterverarbeiten (z.B.: Ziehen von Drähten)

Verwendung

In der Elektrotechnik wird hauptsächlich Elektrolytkupfer mit einem Reinheitsgrad von über 99% verwendet.

Kupferlegierungen

Messing

Eine Redewendung lautet:

"Messingk" besteht aus Kupfer und Zink.

Zur besseren mechanischen Bearbeitung wird oft auch noch Blei zugesetzt.

mindestens 50 Gewichts-% Kupfer (Cu) mit Hauptlegierungszusatz Zink (Zn)

Eigenschaften

  • sehr gute Zerspanbarkeit
  • gute Korrosionsbeständigkeit
  • gute elektrische Leitfähigkeit

Verwendung

  • Für stromführende Kontaktfedern und sonstige Maschinenteile wie
  • Klemmen
  • Kabelschuhe
  • Schrauben
  • aber auch Lampenfassungen

Bronze

Bronzen werden nach dem Hauptlegierungszusatz benannt:
z.B. Silber- (Ag) oder Zinn- (Sn) Bronze.

Bei mehr als zwei Legierungszusätzen spricht man auch von Mehrstoffbronze.

Bronze mit mindestens 60 Gewichts% Cu und Hauptlegierungszusatz Zinn

Eigenschaften

  • sehr gute Festigkeit
  • sehr gute Korrosionsbeständigkeit
  • sehr hohe Verschleißfestigkeit

Alle Werte liegen deutlich über denen für Messing.

Verwendung

  • Für Armaturen
  • Gleitlager
  • Steckerkontakte
  • Federn
  • Membranen
  • Aluminium

    Aluminium ist mit 8,23% das dritthäufigste Element in der Erdkruste, kommt jedoch nicht als gediegenes Metall in der Natur vor. Man erhält Aluminium durch Elektrolyse eines roten Gesteins, dem Bauxit, das 1831 in der Nähe von Baux-de-Provence (Frankreich) von Pierre Berthier entdeckt wurde. Heutzutage wird Aluminium hauptsächlich in Australien und Neuguinea gefördert.

    Alugewinnung (60K)
    Aluvorkommen weltweit und Rangliste der häufigsten Elemente auf der Erde (Quelle: Alu.ch)

    Gewinnung

    Aluminium entsteht meistens nach dem Bayer-Verfahren. Dabei wird Bauxit in kleine Stücke gebrochen, dann von Natronlauge aufgelöst. Nach einem Waschvorgang entsteht reines Aluminiumhydroxid ( = Al2(OH)3). Dieses wird gebrannt, d.h. es wird das Wasser entzogen. Dabei bildet sich ein weißes Pulver: reines Aluminiumoxid (Tonerde = Al2O3).

    In der Schmelzflusselektrolyse der Tonerde wird das Aluminium rein gewonnen. Für die Gewinnung von 1kg Aluminium aus 2kg Tonerde (= 4kg Bauxit) werden 15 bis 20 kWh elektrische Energie bei Strömen von bis zu 150 000A benötigt.

    Alugewinnung (60K)

    Weltweit werden jährlich knapp 28 Millionen Tonnen Aluminium produziert, woraus ein Drittel aus dem Recyclingzyklus stammt.

    Eigenschaften

    Aluminium ist:

    • ein guter elektrischer und thermischer Leiter
    • weich (niedrige Festigkeit)
    • luft-, wasser- und säurebeständig
    • nicht seewasser- und laugenbeständig
    • gut lebensmittelverträglich

    An Luft überzieht sich Aluminium mit einer dünnen (0,01mm) aber sehr dichten und harten Oxidschicht (= elektrische Isolation).

    Das Eloxalverfahren (elektrolytisch oxidiertes Aluminium) ist eine Oberflächenbehandlung, die speziell der Farbgebung von Aluminiumblechen dient.

    Bearbeitbarkeit

    Aluminium lässt sich leicht

    • kaltverformen ( Alufolien, Profilieren)
    • zerspanen und
    • legieren,

    aber mit der Oxidschicht nur schlecht

    • schweißen (Schutzgasschweißen).

    Verwendung

    Alu findet Verwendung als:

    • Läuferkäfig bei Kurzschlussläufern (ausgießen)
    • Ummantelung von Stahldrähten (Freileitungen)
    • Leiter in Erdkabeln
    • Elektroden für Kondensatoren
    • Aluprofile im Maschinenbau
    • Presskabelschuhe

    Aluminiumlegierungen

    Aluminium ist ein relativ weiches Metall, das 1825 durch den Dänen Hans Christian Oersted entdeckt wurde. Damit Aluminium an Härte und Festigkeit zunimmt, reicht es, ihm weniger als 1% Silizium oder Eisen hinzuzufügen.

    Legierungsmetalle

    • Magnesium (Mg)
    • Silizium (Si)
    • Kupfer (Cu)

    Legierungsarten

    Aluminiumlegierungen werden in zwei Gruppen eingeteilt:

    a) Knetlegierungen b) Gußlegierungen (Zusatz = Silizium)
    Sie lassen sich durch Walzen, Pressen oder Ziehen zu
    • Blech
    • Profilen
    • Stangen oder Drähten
    • und Rohren
    verarbeiten.
    Sie lassen sich zu
    • Barren
    • Türklinken
    • und Gehäuse- (Motor-) teilen
    • Autoteilen
    verarbeiten und sind besonders korrosionsbeständig
    sowie leicht bearbeitbar.

    Verwendung

    Für den Freileitungsbau wird ALDREY (= Aluminium - Silizium - Magnesium - Legierung) verwendet.

    • Leitfähigkeit 15% schlechter als Al.
    • Die Zugfestigkeit entspricht der von einfachen Stählen

    Zur Herstellung von Kochtöpfen und Lampenreflektoren dient Hydronalium oder Dural (Legierungszusatz = Magnesium).