Fachwörter-Lexikon

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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.

Hartmetall

Werkstoffe werden durch Wärmebehandlung verbessert und gezielt weiterentwickelt. Im Fall von Eisenwerkstoffen handelt es sich zum Beispiel um Hochleistungsschnellschnittstahl (HSS), der mit mehreren anderen Metallen legiert mit einer großen Härte und gleichzeitig einer hohen Bruchfestigkeit versehen ist und sich damit hervorragend als Schneidstoff für die Zerspanung eignet. Seit den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde Hartmetall eingesetzt, dessen Erfindung mit der Verbreitung von Glühlampen verbunden war. Für Glühbirnen wurden Wolframdrähte benötigt; zur Bearbeitung dieses hochschmelzenden Werkstoffs und für das Ziehen der Drähte wurde ein Werkstoff gesucht, der die teuren Diamanten ersetzen sollte. Mit mehreren US-amerikanischen und deutschen Patenten in den 20er und 30er Jahren lag der Werkstoff Hartmetall mit einem Hauptanteil feinen Wolframkarbidpulvers und einem relativ weichen Bindemetall (in der Regel Kobalt) fest. Ende 1925 erwarb die Friedrich Krupp AG mehrere dieser Patente und begann mit der industriellen Hartmetallfertigung. Damit wurde auch der Name Widia (von Wie Diamant) eingeführt, der lange Zeit ein Synonym für Hartmetall überhaupt war.

Hartmetalle bestehen in der am meisten gebrauchten Form aus Wolframkarbid (WC) mit etwa 33 % (Zerspanungsgruppe P02 mit zusätzlich 59 % Titan- und Tantalkarbiden) bis nahezu 100 % (z. B. 97 % WC) und 8 % bzw. 3 % (Co) Kobalt als Bindemetall. Hartmetalle mit lediglich Wolframcarbid und Kobalt haben allgemein die größte Bedeutung, während Hartmetalle mit großen Anteilen weiterer Karbide vor allem in der Zerspanung zur Anwendung kommen, weil sie verbesserte Eigenschaften gegen Verschleiß bei hohen Temperaturen besitzen (Oxidationsbeständigkeit, Warmhärte, Warmfestigkeit und Diffusionsbeständigkeit). Gemeinsame Eigenschaften fast aller Hartmetalle sind die gegenüber Stahl fast doppelte Dichte von etwa 13 g/cm³ bis 15 g/cm³, der doppelte bis dreifache E-Modul von etwa 400 kN/mm² bis 670 kN/mm² und die nur rund halb so große Ausdehnung in der Wärme von etwa 4 bis 8•10^-6 1//K.

Hartmetalle, die nur aus Wolframcarbid und Kobalt bestehen, zeichnen sich unter 600 °C durch höhere Festigkeitswerte und geringeren abrasiven Verschleiß aus und werden daher für allgemeine Verschleißteile sowie im Bergbau und für Umformwerkzeuge eingesetzt.

Eine dritte Gruppe sind die sogenannten Cermets, die vor allem Titankarbide enthalten. Da Titankarbid härter, aber weniger zäh als Wolframkarbid ist und wegen der schlechteren Diffusionsneigung in Eisenmetallen, ist auch die Klebneigung gegenüber den Spänen niedriger. Daher eignen sie sich sehr gut für die Zerspanung von Eisenwerkstoffen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten.

Schließlich gibt es noch eine Hartmetallgruppe, die statt mit Kobalt mit Nickel gebunden ist. Nickel ist sehr korrosionsbeständig und aus diesem Grund werden die sogenannten Sonderhartmetalle bei tribochemischen Beanspruchungen verwendet, wenn der Korrosionsangriff ein anderes Hartmetall zu schnell schädigen würde.

Die Korngrößen des Wolframkarbids in den Hartmetallen werden zum Beispiel [2] in sieben Gruppen eingeteilt (Abb. 1): ultrafein (Korngrößen < 0,5 µm), extrafein, fein, mittel, mittelgrob, grob, extragrob (Korngrößen > 5 µm).

 

 

Abb. 1: Gefügeaufnahmen von Hartmetallen eines Feinkorns- (links) und eines Grobkorns-Hartmetall

 

Zusammen mit den Anteilen an Wolframkarbid und Binder beziehungsweise auch mit Zusatzkarbiden ergibt sich ein sehr weites Anwendungsspektrum gegen jede Art von Verschleiß (Abb. 2). Die höchsten Härtewerte ergeben sich bei feinem Korn in Verbindung mit niedrigem Kobaltgehalt beziehungsweise hohem Wolframkarbidgehalt; sehr gute Biegebruchfestigkeiten liegen bei umgekehrter Zusammensetzung vor, also bei hohem Kobaltgehalt und gröberem Korn, weil hier die Bindephase, die Kobaltzwischenschicht zwischen den Körnern, dicker ist.

 

Quelle: Kolaska, H.: Pulvermetallurgie der Hartmetalle. Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen, 1992

Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)

GFKs bestehen aus Kunststoff (meistens Polyester- oder Epoxidharzen) und Glasfasern. Während der Herstellung der Formteile ist der Kunststoff flüssig und wird anschließend ausgehärtet. Die Eigenschaften werden durch den verwendeten Kunststoff und die Art der Glasfasern, durch den Anteil der Glasfasern am Gesamtvolumen sowie ihre Anordnung im Werkstück bestimmt. Die Festigkeit nimmt mit steigendem Fasergehalt und der Ausrichtung der Fasern in eine Richtung zu. Anwendungsgebiete im Bauwesen, in der Sportgeräteherstellung (Ski, Tennisschläger), im Fahrzeug-, Flugzeug- und Maschinenbau. Man fertigt daraus z.B. Zahnräder, Spezialwerkzeuge, Lkw-Blattfedern, Karosserieelemente und Flugzeugstrukturteile, Rohrleitungen und Behälter.
Bearbeitung: Spanlose Formung ist nur bei sogenannten Prepregs (vorgefertigte Matten aus Glasfasern, getränkt mit nicht ausgehärtetem Kunststoff) möglich. Erst beim Verarbeiten werden die Prepregs geformt und anschließend durch Erwärmen ausgehärtet. Ausgehärtete GFK sind nicht umformbar, können aber mit allen spanenden Verfahren bearbeitet werden. Aufgrund der Härte der Glasfasern müssen Hartmetall-Werkzeuge verwendet werden. GFK-Bauteile lassen sich untereinander oder mit anderen Werkstoffen durch Verschrauben, Nieten oder Kleben fügen.
Herstellung: Beim Faserharzspritzen werden Glasfasern zerkleinert und im Druckluftstrom zusammen mit dem zerstäubten Kunststoff versprüht, sodass Faserschnitzel und Kunststoffnebel beim Auftreten eine Form das Laminat ergeben. Pressmassen aus Kunststoff und Faserschnitzeln lassen sich wie die unverstärkten Kunststoffe durch Formpressen, Spritzpressen und Spritzgießen verarbeiten. Beim Nasswickeln werden die Faserstränge durch flüssigen Kunststoff hindurchgezogen, wobei sie sich vollsaugen. Anschließend werden sie aufgewickelt. Mit diesem Herstellungsverfahren können rotationssymmetrische Bauteile wie Rohre, Behälter und Tanks gefertigt werden. Beim Profilziehen werden Endlosprofile hergestellt. Dazu wird ein Bündel kunststoffgetränkter Faserstränge durch eine Profildüse gezogen, die das Faserbündel in die gewünschte Form bringt. Die Herstellung endloser, ebener oder gewellter Bahnen erfolgt mit dem so genannten kontinuierlichen Laminieren. Dazu werden auf einer Trennfolie fortlaufend Harz und Glasfasern aufgegeben und mit einer zweiten Trennfolie abgedeckt. Dieses Vorlaminat kann anschließend in einem Härteofen zu einer Wellbahn geformt werden. Vorlaminatabschnitte sind auch durch Vakuumtiefziehen formbar.

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