Fachwörter-Lexikon
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Kupfer
Kupfer (Cu) ist ein rötliches Metall mit der Ordnungszahl 29 im Periodensystem der Elemente. Sein Schmelzpunkt liegt bei 1083 °C und der Verdampfungspunkt bei 2567 °C. Es zählt zu den Bundmetallen. Im Periodensystem der Elemente steht es in derselben Gruppe wie das Silber und das Gold und hat daher eine chemische Ähnlichkeit zu diesen Edelmetallen (Redoxpotential von +0,34 Volt). Es liegt mit einem Massenanteil von 0,01 % in geringen Mengen in der Erdhülle vor, kommt nicht in gediegener Form vor und ist dadurch relativ teuer. Mit einer Dichte von 8,92 g/cm3 zählt es zu den Schwermetallen. Im auskristallisierten Zustand weist es ein kubisch flächenzentriertes Kristallgitter (kfz) auf. Dadurch zählt es zu den duktilen und leicht verformbaren Werkstoffen.
Härten
Unter Härten versteht man das Erwärmen auf Härtetemperatur (auch als Austenitisieren bezeichnet) und nachfolgendem Abkühlen mit solcher Geschwindigkeit, dass oberflächlich oder durchgreifend eine erhebliche Härtesteigerung durch Martensitbildung eintritt. Der Härtevorgang lässt sich in drei verfahrenstechnische Schritte gliedern: Erwärmen auf Härtetemperatur, Halten (wenige Minuten bis etwa eine Stunde), Abschrecken mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die größer ist als die kritische Abkühlgeschwindigkeit. Das Abschrecken aus der Härtetemperatur kann kontinuierlich oder (zur Verminderung innerer Spannungen) stufenweise erfolgen.
Die erforderliche Härtetemperatur hängt in hohem Maße von der chemischen Zusammensetzung des Stahles, also von seinem Kohlenstoffgehalt sowie von Art und Menge eventuell vorhandener Legierungselemente ab.
Wird ein Stahl aus dem Austenitgebiet abgekühlt, dann muss aufgrund der Polymorphie des Eisens eine Gitterumwandlung von kubisch-flächenzentriert nach raumzentriert stattfinden. Ob nun vor beziehungsweise bei dieser Gitterumwandlung eine Diffusion von Eisen- beziehungsweise Kohlenstoffatomen möglich ist, hängt in hohem Maße von der Abkühlgeschwindigkeit ab. Mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit steht für eine Diffusion weniger Zeit zur Verfügung, der Austenitkristall wird in zunehmenden Maße unterkühlt. Die Umwandlung findet damit bei tieferen Temperaturen und unter zunehmend schlechteren Diffusionsbedingungen statt. Der Kohlenstoff bleibt im krz-Gitter zwangsgelöst und verspannt das Gitter tetragonal. Dies ist die Ursache für die hohe Härte und hohe Festigkeit des Martensits, aber auch für seine außerordentlich geringe Zähigkeit und seine praktisch nicht vorhandene Verformbarkeit.
Üblicherweise wird das Werkstück im Anschluss an das Härten auf Temperaturen zwischen 150 °C und 250 °C in Öl, Warmbädern oder erhitzter Luft angelassen. Die Anlassdauer beträgt mindestens 1 h, üblicherweise 2 h bis maximal 4 h. Dadurch wird das Material in die optimalen Gebrauchsbedingungen überführt.
Ionenaustauscher
Ionenaustauscher produzieren je nach Ausführung Wasser mit geringen Anteilen an mineralischen Bestandteilen bis hin zu vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) höchster Qualität bei geringen Investitionskosten. Das durch gewonnene VE-Wasser wird aus Trinkwasser (Quell- oder Leitungswasser) gewonnen, indem die im Wasser vorkommenden Mineralien, wie Salze und Ionen, zurückgehalten werden. Als Rohwasser wird häufig Leitungswasser verwendet. Bei großen Bedarfsspitzen im industriellen Anwendungsbereich wird vielfach Oberflächen- oder Brunnenwasser eingesetzt.
Die Ionenaustauschtechnologie nutzt aus, dass die in Wasser befindlichen gelösten Stoffe chemische Bindungsreaktionen eingehen können. Im Trinkwasser befinden sich Salze in unterschiedlich hohen Konzentrationen. Diese bestehen aus Metallionen (Kationen) und einem Säurerest (Anionen). Zur Entfernung dieser Kationen und Anionen werden spezielle Ionenaustauscherharze eingesetzt. Hierbei handelt es sich um langkettige Moleküle mit Seitenketten, die Wasserstoffionen beziehungsweise Hydroxidionen besitzen. Diese können abgespalten werden. Die organischen Moleküle sind zu porösem Granulat (dem sogenannten Ionenaustauscherharz) verarbeitet und können von Wasser im Prinzip durchströmt werden. Dabei nehmen diese die im Wasser gelösten Kationen (z.B. Ca2+, Mg2+, Na+) und Anionen (z.B. Cl-, SO4-, NO3-) auf und geben dafür entsprechende Mengen an H+- und OH--Ionen an das Wasser ab. Das Ergebnis der Verfahrenstechnik Ionenaustausch ist damit vollentsalztes Wasser, also nahezu reines H2O.
Ein weiterer großer Vorteil der Ionenaustauscher ist die einfache Regenerierbarkeit. Durch entsprechende Beschickung mit Säure oder Lauge werden diese beim sogenannten Regenerierschritt wieder in den Ausgangszustand versetzt, erhalten also neue H+- und OH--Ionen und geben im Austausch dafür die aufgenommenen Kationen und Anionen wieder ab. Diese liegen dann in konzentrierter Form zur weiteren Bearbeitung vor. Je nach Größe der Ionenaustauscher wird die Regenerierung vom Anbieter als Dienstleistung oder vor Ort beim beziehungsweise vom Anwender durchgeführt.
Die Anwendungsbereiche der Ionenaustauscher richten sich nach der Zusammensetzung und dem Mengenbedarf an Wasser. Für den geringen bis mittleren Bedarf an VE-Wasser bieten sich Mischbettionenaustauscher an. Für große Bedarfsspitzen an VE-Wasser stehen Getrenntbettionenaustauscher zur Verfügen. Bei den Mischbettionenaustauschern Hierbei erfolgt die Regeneration der Kationenaustauscher und Anionenaustauscher vor Ort und je nach Anlagenauslegung häufig automatisch. Ein Parameter für die Messung der Qualität von VE-Wasser ist die elektrische Leitfähigkeit, die in Siemens pro cm (µS/cm) angegeben wird. Die Anforderungen an die VE-Wasser-Qualität können sehr unterschiedlich sein. So wird VE-Wasser in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise als Wärmeträger im Kühlmittelkreislauf eines Kraftwerks, für Metallreinigungsanlagen, Luftbefeuchter, Spülbäder und Galvanische Bäder oder für die Versorgung von Dampfkesseln und Dampfturbinen.