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Absorber, thermische

Der Begriff „thermischer Absorber“ steht zum einen als Oberbegriff für Anwendungen in Solarthermie und Photovoltaik. Zum anderen aber, und das ist hier gemeint, steht er für hocheffiziente Wärmesenken in der Elektronenstrahl-, Nuklear-, Kraftwerks- und Antriebstechnik. Sie sollen Wärmestaus verhindern, indem sie punktuelle Wärmeeinträge auffangen und abführen, die sonst die Anlagen schädigen würden. Thermische Absorber zählen somit zu den typischen LT-Anwendungen.

Ausscheidungen, nichtmetallische

Ausscheidungen (Dispersionen) sind mikroskopisch kleine Fremdpartikel in Form chemischer Metallverbindungen (Oxide, Nitride, Carbide, Carbonitride), die in feinster Verteilung im Gefüge von Metallen eingelagert sind. Sie treten natürlicherweise durch Verunreinigungen auf, lassen sich mit dem Ziel der Dispersionsverfestigung aber auch gezielt durch Legieren erzeugen, also durch Zugeben der Ausgangsstoffe (Dispersionsbildner) in die Metallschmelze.

In der Pulvermetallurgie können Ausscheidungen mit gleichem Effekt auch durch innigen mechanischen Kontakt mit dem Metall auf „kaltem“ Weg erzielt werden (RMML-Verfahren).

Bearbeitbarkeit, mechanische

Gemeint ist die Eignung eines Werkstoffes zur spanenden Formgebung, also zum Bohren, Fräsen, Drehen, Schleifen oder Polieren. Sie wird durch die Härte und den Gefügeaufbau des Werkstoffs beeinflusst. Nicht nur sehr harte, auch sehr weiche Werkstoffe wie z.B. Elektrolytkupfer, lassen sich schlecht mechanisch bearbeiten – sie „schmieren“. Dispersionsverfestigte pulvermetallurgische Werkstoffe hingegen sind gut mechanisch zu bearbeiten.

CEP DISCUP®

Über das RMML-Verfahren hergestellter pulvermetallurgischer Werkstoff auf der Basis von reinem Kupfer. Durch gezielte Beigaben von Aluminiumoxid und anderen Dispersionsbildnern werden eine ultrafeine Gefügestruktur und Dispersionsverfestigung erreicht. CEP DISCUP® ist eine eingetragene Marke von CEP Freiberg.

Dispersionsverfestigung

Steigerung der Härte, Festigkeit und Zähigkeit von Werkstoffen durch Ausscheidungen (Dispersionen) nach der Zugabe von Dispersionsbildnern. Die Wirkung der Ausscheidungen besteht darin, den Verformungswiderstand des Werkstoffs zu erhöhen, indem sie die Bewegung natürlicher Defekte im Metallatomgitter, der sog. Versetzungen, behindern. Versetzungsbewegung ist die metallphysikalische Voraussetzung für jegliche Verformung. Zugleich sorgt eine sehr feine Gefügestruktur dafür, dass sich keine kritischen Versetzungsstaus bilden können, die den Bruchwiderstand des Werkstoffes senken.

Elektrobronze

Sammelbegriff für klassische Knetlegierungen aus Kupfer und anderen Metallen (Ni, Be, Co, Cr, Zr), die als Werkstoff in der Elektrotechnik eingesetzt werden (Leitungen und Kontakte) und eine etwas höherer Härte, Festigkeit und thermische Stabilität als reines Kupfer aufweisen.

Elektrolytkupfer

Auch: Reinkupfer. Durch Elektrolyse gewonnenes Kupfer von hoher Reinheit. Wird vorrangig als Werkstoff in der Elektrotechnik eingesetzt (Leitungen und Kontakte) und weist eine geringe Härte, Festigkeit und thermische Stabilität auf.

Festigkeit

Festigkeit und Festigkeitseigenschaften sind Sammelbegriffe für Eigenschaften des Werkstoffs, die sich im Wesentlichen über die Kenngrößen des statischen Zugversuchs definieren. Eine der wichtigsten ist die 0,2%-Dehngrenze (Rp0,2), jene Spannung, die gerade zu 0,2 % plastischer Dehnung führt. Für Kupfer und Kupferwerkstoffe liegt der Wert zwischen 160 und 340 MPa, für höherfeste Baustähle zwischen 340 und 960 MPa. Zweite wichtige Kenngröße ist die Zugfestigkeit (Bruchspannung). Sie liegt bei Kupfer und Kupferwerkstoffen zwischen 200 und 400 MPa, bei höherfesten Baustählen zwischen 520 und 1.150 MPa.

Festigkeits-Memory

Eine besondere Eigenschaft des Werkstoffs CEP DISCUP®, resultierend aus dem Mechanismus der Dispersionsverfestigung. Wird der Werkstoff über seine Rekristallisationstemperatur hinaus erwärmt, so verliert er seine Festigkeit im Unterschied zu klassischen Metallen nicht dauerhaft. Sie stellen sich nach dem Abkühlen wieder ein; der Werkstoff regeneriert sich selbst.

Festigkeits-Memory

GLIDCOP

Pulvermetallurgischer Werkstoff des Herstellers Höganäs AB. Es handelt sich um einen dispersionsverfestigten pulvermetallurgischen Werkstoff auf Kupferbasis, der über Verdüsen und Verglühen erzeugt wird. Als Dispersionsbildner kommt Aluminiumoxid zum Einsatz. Die Eigenschaften von GLIDCOP sind denen von CEP DISCUP® zumindest ähnlich.

CEP DISCUP<sup>®</sup>, Härte vs. Leitfähigkeit

Härte und elektrische Leitfähigkeit von GLIDCOP im Vergleich mit CEP DISCUP®

Härte

Werkstoffeigenschaft, die sich über die Eindringtiefe eines unter Normbedingungen in die Werkstoffoberfläche eingedrückten Prüfkörpers definiert. Es gibt verschiedene Härtemessskalen. Eine der gebräuchlichsten ist die Vickers-Härte (HV), bei der mit einer Diamantspitze in Pyramidenform gemessen wird.

Hartlöten

Als Hartlöten wird ein Fügeverfahren bezeichnet, das bei Temperaturen über 450 °C erfolgt. Es schafft Verbindungen zwischen Werkstoffen, die fester als klassische Weichlötverbindungen sind. Hartlöten wird dort angewandt, wo Schweißen aus werkstofftechnischen Gründen nicht möglich ist.

Klebeneigung

Neigung elektrischer Kontaktwerkstoffe im Hochspannungsbereich, beim Schließen des Kontaktes aufgrund von Überschlaglichtbögen mit dem Kontaktpartner zu verkleben. Insofern ist hohe Klebeneigung auch Ausdruck geringer Lichtbogenfestigkeit.

Leitfähigkeit, elektrische

Fähigkeit eines Werkstoffes, elektrischen Strom zu leiten. Wird häufig in Siemens pro Meter gemessen, aber auch in % IACS (Prozentwert der Leitfähigkeit, verglichen mit der von reinem geglühtem Kupfer). Gute elektrische Leitfähigkeit geht bei Metallen in der Regel auch mit guter thermischer Leitfähigkeit einher.

Lichtbogenfestigkeit

Widerstand gegen die Schädigung von Kontaktwerkstoffen im Hochspannungsbereich durch Überschlaglichtbögen. Mangelnde Lichtbogenfestigkeit äußert sich in unerwünschter Elektroerosion („Abbrennen“) oder lokalen Aufschmelzungen, die zum Verkleben der Kontaktpartner führen (Klebeneigung).

LT-Anwendungen

Kurzform von: „Leitfähigkeit-Temperatur-Anwendungen“. Gemeint sind Bauelemente und Bauteile, die sowohl eine hohe elektrische und / oder thermische Leitfähigkeit als auch eine hohe thermische Stabilität bzw. Hochtemperaturbeständigkeit aufweisen müssen. Beides steht bei klassischen metallischen Werkstoffen in Widerspruch zueinander. Kupfer-Hochtemperaturwerkstoffe wie CEP DISCUP® hingegen weisen beide Eigenschaften auf.

ODS-Kupfer

Kurzbezeichnung für „Oxide Dispersion Strengthened Copper“ („oxiddispersionsverfestigtes Kupfer“). Werkstofftechnischer Oberbegriff für dispersionsverfestigte pulvermetallurgische Kupferlegierungen wie CEP DISCUP® oder GLIDCOP. Sie verbinden die Eigenschaften klassischer metallischer Werkstoffe zu anderweitig kaum erreichbaren Eigenschaftskombinationen.

Pulvermetallurgie

Pulvermetallurgie ist ein Teilbereich der Metallurgie, in dem Werkstoffe aus pulverförmigen metallischen Rohstoffen durch Pressen oder Sintern und zusätzliche Verfahren zu metallischen Halbzeugen oder Fertigteilen verarbeitet werden. Sie weisen andere Eigenschaftsprofile auf als klassische schmelzmetallurgisch erzeugte Werkstoffe (Knetlegierungen).

RMML

Kurzbezeichnung für „Reaktionsmahlen und mechanisches Legieren“ und in dieser Kombination die Bezeichnung eine Gruppe spezieller „kalter“ Herstellungsverfahren für pulvermetallurgische Werkstoffe, die bei CEP Freiberg angewandt werden. Reines Kupferpulver wird zusammen mit Legierungszusätzen und Dispersionsbildnern in einer Kugelmühle nach einem ganz bestimmten Mahlregime intensiv vermahlen. Durch sich wiederholende Zerkleinerungs- und Kaltverschweißungsprozesse werden ultrafeine, thermisch stabile Oxide und Karbide als Ausscheidungen in der Kupfermatrix gebildet und fein verteilt.

Es entsteht ein Kupferverbundwerkstoff mit homogener Verteilung, zunächst als Granulat. Dieses wird zu Blöcken („Grünlingen“) verpresst und anschließend durch Umformverfahren wie z.B. Strangpressen zu Halb- oder Fertigerzeugnissen weiterverarbeitet.

RMML-Verfahren, Schema

Herstellungsprozess von CEP DISCUP®

Stabilität, thermische

Beschreibt den Widerstand eines Werkstoffes gegen Entfestigung durch Rekristallisation. Sammelbegriff, der den Erhalt bestimmter Werkstoffeigenschaften, zumeist der Härte, Festigkeit, aber auch der Verschleißbeständigkeit beschreibt, nachdem der Werkstoff zeitweilig hohen Temperaturen ausgesetzt war. Insbesondere Temperaturen oberhalb der das Gefüge verändernden Rekristallisationstemperatur sind von Bedeutung.

Sie kann sowohl bei der Herstellung als auch beim Werkstoffeinsatz überschritten werden, was vorherige Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung rückgängig macht. Während beispielsweise die Rekristallisationstemperatur von Stählen bei 550 °C bis 700 °C liegt, erreicht CEP DISCUP® mehr als 900 °C.

CEP DISCUP<sup>®</sup>, Härte vs. Glühdauer

Thermische Stabilität von CEP DISCUP® im Vergleich mit anderen Kupferwerkstoffen

Strangpressen, hydrostatisches

Spezialform des Strangpressens als Umformverfahren für metallische Werkstoffe, mit dem sich in hoher Maßpräzision Rohr- und Stangenmaterial erzeugen lässt. Der Werkstoffblock wird nicht direkt vom Stempel in die Matrize gepresst, sondern ist von einer Druckflüssigkeit, z.B. Öl, umgeben, die die Druckkraft in feiner Verteilung auf ihn überträgt.

Damit können auch ansonsten schwer umformbare Werkstoffe verarbeitet werden. Dazu zählen z.B. Kupfer-, Aluminium- und Magnesium-Speziallegierungen, wie sie beispielsweise für die Luft- und Raumfahrttechnik entwickelt werden, Niob- und Tantal-Legierungen und auch Supraleiterwerkstoffe. Hydrostatisches Strangpressen ist auch das Verfahren, mit dem CEP Freiberg Grünlinge aus pulvermetallurgischen Spezialwerkstoffen zu Halbzeugen weiterverarbeitet.

Hydrostatisches Strangpressen, Schema

Hydrostatisches Strangpressen, Funktionsschema

Stromkontaktdüse

Auch Stromdüse, Schweißdüse, Stromkontaktrohr oder Kontaktrohr genannt. Es handelt sich um das unmittelbare Werkzeug an Anlagen zum Lichtbogenschweißen (MAG-, MIG oder Unterpulverschweißen). Durch die Stromkontaktdüse – sie ähnelt äußerlich der Spitze eines Druckbleistifts – verlässt der Schweißdraht das Gerät. Sie muss sehr gut Strom und Wärme leiten und zugleich die beim Arbeiten auftretenden hohen Temperaturen ertragen. Damit zählt die Stromkontaktdüse zu den LT-Anwendungen.

Verschleißbeständigkeit

Sammelbegriff für die Widerstandsfähigkeit von Werkstoffen gegen verschiedenste Verschleißarten, z.B. adhäsiven oder abrasiven Verschleiß. Dabei handelt es sich um von der Oberfläche ausgehende, oft durch Reibung von Werkstoffpaarungen ausgelöste, flächige Werkstoffschädigungen. Meist kommen noch Oxidations- und Temperatureinflüsse hinzu, sodass es um Widerstandsfähigkeit gegen eine komplexe Verschleißbeanspruchung geht, z.B. Hochtemperaturverschleiß und Funkenerosion. Dispersionsverfestigte pulvermetallurgische Werkstoffe erreichen hier oft bessere Werte als klassische Metalle.

Warmumformung

Umformverfahren, bei dem die Umformtemperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Gefüges liegt. Die Umformung führt damit nicht zu einer Kaltverfestigung, die eventuell den Werkstoff schädigen kann. Durch bewusste Temperaturführung beim Umformen, insbesondere beim Unterschreiten der Rekristallisationstemperatur in der letzten Umformphase, lassen sich jedoch gezielt Gefügestrukturen einstellen, mit denen die Festigkeitseigenschaften positiv beeinflusst werden können. Zu den Warmumformverfahren zählen auch die bei CEP Freiberg angewandten Strangpressverfahren, das isostatische und das hydrostatische Strangpressen.

Zähigkeit

Widerstand eines Werkstoffes gegen Rissbildung und plötzlichen Bruch unter mechanischer Beanspruchung. Wird in speziellen Versuchen, z.B. dem Kerbschlagbiegeversuch, oder in Bruchmechaniktests ermittelt. Besonders bei tiefen Temperaturen und unter dem Einfluss ionisierender Strahlung verlieren viele klassische metallische Werkstoffe ihre Zähigkeit – sie verspröden. Dispersionsverfestigte pulvermetallurgische Werkstoffe sind hingegen oft resistenter.

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Literaturhinweise

Folgende Publikationen stehen u.a. in thematischem Zusammenhang mit der Arbeit von CEP Freiberg:

  • Oxiddispersionsgehärtete Kupferlegierungen mit nanoskaligem Gefüge (Kudashov, D.; Diss. TU Bergakademie Freiberg, 2003);
  • Anwendungsoptimierte Cu-Werkstoffe durch PM-Technologie (Hofmockel, M., Forschungsarbeit 2008);
  • Erweiterung der Prozessgrenzen beim Strangpressen von Mg-Knetlegierungen (Swiostek, J., Diss. TU Hamburg-Harburg, 2008);
  • Large Hadron Collider – the guide. CERN FAQ. CERN Communication Group, February 2009
  • Scheuerlein, Chr. et al.: Mechanical Properties of the HL-LHC 11 T Nb3Sn Magnet Constituent Materials. In: IEEE Transactions On The Applied Superconductivity 27(2017)4