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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Werkstoffkunde – Nichteisenmetalle – Schwer- und Leichtmetalle (3)

Zu den Nichteisenmetallen zählen Werkstoffe wie z. B. Kupfer und Aluminium, die speziell in der Elektrotechnik eine große Rolle spielen. In diesem Beitrag wird die Unterscheidung von Schwer- und Leichtmetallen vorgenommen und deren Besonderheiten aufgezeigt. Einen besonderen Schwerpunkt bilden erste Betrachtungen zum Leichtmetall Aluminium.

Schwer- und Leichtmetalle in der Elektrotechnik

(Foto: Wikipedia/Tomihahndorf)

Schwermetalle

Schwermetalle sind alle Metalle, deren Dichte größer als 5 kg/dm3 ist. Als Formelzeichen wird die Dichte mit dem griechischen Buchstaben „kleines rho“ ρ angegeben. Eine eindeutige Definition gibt es in der Fachliteratur nicht – in älteren Quellen heißt es: „Schwermetalle sind Metalle, deren Dichte größer als 4,5 g/cm3 ist.“

Als Schwermetall bezeichnet man Metalle mit einer Dichte ρ > 5 kg/dm3.

Diese Festlegung mit ρ > 5 kg/dm3 findet man in der Technik und der Chemie. Dazu gehören unter anderem die Edelmetalle sowie Eisen, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Nickel, Cadmium, Chrom und Uran. Eine Studie fand jedoch mindestens 38 Definitionen für die Bezeichnung „Schwermetall“, die angefangen von der Dichte, dem Atomgewicht oder der Ordnungszahl bis zu den chemischen Eigenschaften oder der Toxizität reichen. Folglich unterscheiden sich die Definitionen von „Schwermetallen“ sehr stark, dabei werden oft auch die Halbmetalle wie z. B. Arsen mit eingeschlossen. Die Bezeichnung „Schwermetall “ wird daher oft ohne Angabe der Metalle, auf die sie sich bezieht, verwendet. Aus den aufgeführten Gründen ist die Bezeichnung aller anderen Metalle als Leichtmetalle ebenso undefiniert.

Biologische Eigenschaften und Umweltauswirkungen

In der öffentlichen Meinung gelten oft alle als „Schwermetall“ bezeichneten Stoffe als toxisch (wobei deren Verbindungen und Legierungen häufig ebenfalls dazu gerechnet werden). Von Natur aus kommen Schwermetalle und ihre Verbindungen in der Biosphäre nur in Spuren vor. Einige sind in kleinen Mengen als essentielle Schwermetalle oder Spurenelemente bezeichnet, lebenswichtig für Pflanzen Tiere und den Menschen; dazu gehören Chrom, Eisen Kobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Zink und Zinn. Viele Schwermetalle (auch die essentiellen) können bereits bei geringer Überkonzentration für den menschlichen Organismus gesundheitsschädlich oder giftig sein. Die toxische Wirkung hängt dabei auch stark von der chemischen Verbindung des Schwermetalls ab. Ein Beispiel dafür ist Chrom, welches in elementarer Form ungiftig, als Chrom (III) essentiell und als Chrom (VI) giftig und karzinogen (krebs-erzeugend; Krebsgeschwülste verursachend) ist.

Blei – besonders gefährlich

Als ein besonders gefährliches Umweltgift gilt das Schwermetall Blei. Es sammelt sich bei der Aufnahme durch Nahrung und Atemluft im menschlichen Organismus an und wirkt schon in geringen Spuren als chronisches Gift. Blei reichert sich in Knochen, Zähnen und im Gehirn an und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit des Nervensystems. Besonders Kinder sind gefährdet, sie zeigen oft Intelligenz-, Lern- und Konzentrationsstörungen. Das Immunsystem gerät bei Bleivergiftungen in Mitleidenschaft, daraus folgt eine erhöhte Anfälligkeit für Infekte. Die größte Gefahr für eine Bleivergiftung war in Westeuropa bis in die 1980er Jahre das bleihaltige Benzin. Diesem wurde Tetraethylblei zugesetzt, um die Klopffestigkeit zu erhöhen. Seit der Wiedervereinigung wird in Deutschland ausschließlich bleifreies Benzin verwendet, so dass sich seitdem die auf Blei bezogen Blutwerte in der Bevölkerung verbessern. Weltweit wird allerdings noch in Afrika und weiten Teilen Asiens verbleites Benzin eingesetzt – mit den entsprechenden gesundheitlichen Folgen. Bereits seit dem Jahre 1973 wurden in Deutschland keine Bleirohre mehr als Wasserleitung im Haus verbaut.

Nichteisen-Schwermetalle

Für den Bereich der Elektrotechnik sind einige „Nichteisen-Schwermetalle“ von besonderer Bedeutung. Als das wichtigste Leitermaterial in der Elektrotechnik gilt Kupfer! Im weiteren Verlauf dieser Serie wird daher auch noch das Material Kupfer ausführlich betrachtet. Zunächst stehen aber die folgenden Leichtmetalle im Fokus der Betrachtungen.

Leichtmetalle

Für die Einordnung der Leichtmetalle gibt es – wie für den Bereich der Schwermetalle – eine Vielzahl von Definitionen und Festlegungen. In Analogie zur Festlegung anhand einer Dichtegrenze gilt hier:

Als Leichtmetalle bezeichnet man Metalle mit einer Dichte nicht größer als ρ < 5 kg/dm3.

Als Leichtmetalle werden allgemein Metalle und Legierungen bezeichnet, deren Dichte nicht über 5 g/cm3 liegt. Alle anderen Metalle sind Schwermetalle, von denen Europium mit einer Dichte von 5,244 g /cm3 das leichteste ist. Im Bereich technischer Nutzung kommen vor allem Aluminium, Magnesium, Titan (Tabelle 3) sowie in geringem Umfang Beryllium und Lithium in Einsatz – sowie weitere Elemente als Legierungselemente in geringer Konzentration. Die Verarbeitung metallischer Werkstoffe erfolgt bei Leichtmetallen grundsätzlich so wie bei anderen Metallen auch.

Brandgefahr

Besondere Aufmerksamkeit erfordert die spanende Verformung von Leichtmetallen. Aufgrund der Reibungswärme, die z. B. beim Drehen und Bohren entsteht, besteht speziell am Ende der Standzeit des Werkzeugs (stumpfe Schneide) die Gefahr, dass sich Späne entzünden. Der so bestehenden Brandgefahr muss man sich bewusst sein und entsprechende Vorsichtsmaßnahmen ergreifen. Beim Löschen von Bränden von Leichtmetallen muss beachtet werden, dass dazu kein Wasser verwendet werden darf. Im Falle eines Löschversuchs mit Wasser könnte sich der freiwerdende Wasserstoff entzünden und es käme unter Umständen zu Explosionen (Knallgasbildung mit Luftsauerstoff). Zudem verbrennen viele Leichtmetalle, z. B. Magnesium und Aluminium, bei sehr hohen Temperaturen. Wasser zersetzt sich hierbei thermisch zu Wasserstoff und Sauerstoff, was ebenfalls zu einer explosionsartigen Brandausbreitung führt. Auch wasserhaltige Löschmittel, wie etwa Löschschaum, verbieten sich aus diesen Gründen. Andere Löschmittel zeigen bei Leichtmetallbränden häufig keine Wirkung, denn Magnesium brennt auch unter Kohlendioxidatmosphäre weiter, indem es dem Kohlenstoffdioxid den Sauerstoff entzieht. Normale Löschpulver eignen sich ebenfalls nicht für Leichtmetallbrände. Als Löschmittel können dienen:

  • Metallbrandpulver
  • trockener Zement, Sand oder Salz
  • Edelgase

Leichtmetall Aluminium

Auch im Bereich der Leichtmetalle kommt ein wichtiger Leiterwerkstoff für die Elektrotechnik vor. Aluminium (Bild) hat gegenüber Kupfer als Leitermaterial durchaus einige Vorteile. Die sehr viel geringere Dichte von Aluminium macht sich z. B. im Freileitungsbau positiv bemerkbar. Etwas pauschalisiert kann man behaupten: Überall dort, wo große Leiterquerschnitte eingesetzt werden, ist die Realisierung mit Aluminium kostengünstiger als mit Kupfer. Allerdings kann Aluminium kaum in reiner Form eingesetzt werden. Aluminium mit großem Reinheitsgrad ist mechanisch kaum belastbar und wird daher meistens als Legierungen verwendet. Das verschlechtert zwar die Leitfähigkeit, verbessert aber unter Umständen die mechanischen Eigenschaften deutlich. Das ist dort, wo ein größerer Querschnitt kein Problem darstellt, häufig die kostengünstigere Variante gegenüber Kupfer.

Autor: K.-H. Bleiß

Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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