Werkstoffe

Die Nutzung der Werkstoffe zieht sich durch die gesamte Geschichte der Menschheit. Wir nutzen Holz und Stein für die frühesten Werkzeuge (Faustkeile, Schaufeln, Werkzeuge für die Feldarbeit , Hammer, usw.) und Nutzstücke (Körbe, Töpfe, Waffen, usw.). Der erste künstlich hergestellte Werkstoff war die Keramik, die wir seit 8000 Jahren verwenden. Metalle wurden anfangs nur in der gediegenen Form verwendet, in der sie auf der Erdoberfläche gefunden wurden.

Heute sind die Auswahlmöglichkeiten schier unbegrenzt. Rohre werden beispielsweise aus Keramik, Beton, Stahl, aus verschiedenen Metallen wie Kupfer oder Aluminium, aus Bambus, Glas, verschiedenen Kunststoffen oder Gummi angeboten.
Nach welchen Kriterien sucht man da aus?

Die heute genutzten Werkstoffe stammen von Naturstoffen, deren Verfügbarkeit unsere Lebensqualität bestimmt. So sind die Werkstoffe, die aus Erz oder Erdöl hergestellt werden, nicht unendlich verfügbar. Wir müssen sparsam mit ihnen umgehen und uns zeitnah Ersatzstoffe bereitstellen. Recycling spielt in der Werkstoffnutzung eine große Rolle.

Der verantwortungsvolle Umgang mit den Ressourcen unseres Planeten ist für die Erhaltung unseres Lebens-standards unabdingbar. Die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen muss die Technik der Zukunft sein!

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Vom Erz zum Stahl

Schon lange finden wir an der Erdoberfläche keine metallurgisch interessanten Erze (wie Eisenerz) mehr in abbauwürdigen Mengen. In früher Zeit begann man deshalb in der Erde zu graben, um Rohstoffe zu finden. Älteste Grabungsspuren davon finden wir von vor über 6500 Jahren.

Eisenerze bauen wir seit 800 v. Chr. in den Alpen und später auch in Mitteldeutschland ab. Man löste das Eisenerz (Chalkopyrit)aus der Wand, indem man es erhitzte und dann mit Wasser abschreckte. Das Erz wurde schichtenweise in einen Rennofen gefüllt im Wechsel Holzkohle und später mit Steinkohle. Im Rennofen konnte das Brennstoff-Erz- Gemisch „durchbrennen“ es entstand im Ofenboden ein Eisenklumpen (Luppe) und flüssige Schlacke(Gesteinsreste und Abprodukte) rannen aus dem Ofen.

Video zum Nachbau eines Rennofens

Mit der Erfahrung wurden die Schächte höher und die Luftzufuhr wurde über Blasebälge geregelt, es entstanden die Hochöfen die heute mit Heißwindanlagen und automatischen Beschickungssystem ausgestattet sind. Heutzutage baut man 30m – 75m hohe Öfen, die pro Tag bis zu 10.000 Tonnen Roheisen liefern. Diese Öfen sind an Stahlwerke benachbart gebaut, damit das spröde und damit nicht schmiedbare Roheisen sofort nach der Erzeugung mit möglichst wenig Transportweg zu Stahl weiterverarbeitet/veredelt werden kann.

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Legierungen

…sind Gemische aus 2 oder mehreren Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist.

Arbeitsblatt Legierungen

Bronze

Die wohl erste bewusst hergestellte und eingesetzte Legierung war Bronze, ein Gemisch aus Kupfer und Zinn.

Bronze ist härter als die beiden Einzelmetalle und kann je nach Kupferanteil von rotbraun bis rotsilbrig gefärbt sein. Damit eröffnete sich die Möglichkeit Schnittwerkzeuge, Alltagsgegenstände und Schmuck von großer Schönheit und Beständigkeit herzustellen.

Die Hochzeit der Benutzung dieser Legierung liegt mehr als 3000 Jahre zurück. Sie wurde die Bronzezeit genannt. In Mitteleuropa war das 2200 Jahre bis 800 vor dem Beginn unserer Zeitrechnung .

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Gelangt kein Wasser an die Bronze, so überzieht eine dünne Schicht aus farblosem bis schwarzem Rost die gesamte Figur.

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Wasser jedoch sorgt für die Bildung von weiteren nicht farblosen Substanzen und die bilden eine farbige Schicht (Patina) aus.

Messing

Kupfer färbt auch diese Legierung so charakteristisch. Hier sind goldfarbene Materialen gefragt und beliebt. Allerdings nicht immer bei Leuten, die es ehrlich mit uns meinen. So findet man immer wieder Schmuckstücke, die als „Gold“ angepriesen werden. Dieser Effekt ist jedoch nicht von Dauer und so färbt sich das gute Stück schon nach wenigen Wochen oder Monaten schwarz. Es rostet. Und das tut Gold nicht!

Messing ist eine meist goldfarbene Legierung aus Kupfer und Zink.

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Eisenlegierungen – Stahl

Die ersten Eisenlegierung – so zeigen die frühesten Funde- enthielten immer wieder Nickel als 2. Komponente. So kann davon ausgegangen werden, dass die Menschen diesen metallischen Werkstoff an der Erdoberfläche fanden und formten. Die Sumerer – ein frühes Handelsvolk aus dem Mittelmeerraum- nannten das Eisen das „Himmelsmetall“.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/24/Iron_sickle%2C_torc_and_adze.JPG

Erst die selbst gewonnenen Eisenlegierungen sind Stähle, da sie durch die Verwendung von mit Kohle und Holz betriebenen Öfen das Element Kohlenstoff in das Eisen einschleusten. Eine Legierung aus zumindest Eisen und Kohlenstoff heißt Stahl.

Bild von Pexels auf Pixabay

Über die Stahlherstellung erfahren wir an anderer Stelle mehr … Hier!

Eine Liste von Legierung findest du bei:

https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Liste_der_Legierungen
(entspricht der Wikipedia -Liste)

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