Werkstoffe
Metalle (Eisenmetalle | Nicht Eisenmetalle)
Was sind Metalle?
Einerseits bezeichnet man als Metalle die reinen chemischen Elemente aus dem Periodensystem wie zum Bei- spiel Gold, Eisen, Kupfer. Anderseits werden unter dem Begriff Metall auch sogenannte Legierungen verstanden. Legierungen sind Werkstoffe, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Komponenten (Elementen) bestehen.
In der Regel spricht man je nach Anzahl der Komponenten von einer Zwei-, Drei-, Vier- oder Mehrstofflegierung. Es werden aber nur diejenigen Komponenten gezählt, die einen wesentliche Einfluss auf die Eigenschaf- ten haben.
Nichteisenmetalle (NE-Metalle)
Wie der Name bereits sagt, bezeichnet man als Nichteisenmetall Metalle, die kein Eisen sind bzw. kein Eisen enthalten oder Legierungen, in denen Eisen nicht als Hauptelement enthalten ist. Meist wird dafür die Abkürzung “NE-Metall” verwendet.
Beispiele für NE-Metalle sind Kupfer, Zink, Bronze, Messing. Vorwiegend werden Kupferlegierungen als Federwerkstoffe verwendet.
Eisenmetalle
Besteht ein Werkstoff hauptsächlich aus Eisen, wird dieser als Eisenmetall bezeichnet. Typische Beispiele hierfür sind das Gusseisen und der vermutlich bis heute wichtigste Metallwerkstoff: der Stahl. Stahl ist eine Legierung (Metallgemisch) mit einem Kohlegehalt von 0,03 bis 2 %. Dagegen hat Gusseisen einen höheren Kohlenstoffgehalt (2,1% – ca. 6,6%).
Was ist Stahl?
Stahl, so wie wir ihn verwenden, kommt in der Natur nicht vor. Stahl wird aus Eisenerz gewonnen. Eisenerz ist ein natürlicher Rohstoff und kommt überall in der Erdkruste vor, weil der Kern unseres Planeten aus flüssigem Eisen besteht. Die Menschheit gewinnt seit Jahrtausenden Eisen aus Eisenerz, das sich wiederum mit Sauerstoff zu Stahl veredeln lässt.
Eisenerz ist ein Naturprodukt und baut sich daher in der Natur selbständig ab.
Die große Verbreitung und vielfältige Anwendung von Stahl in unserem modernen Leben ist dadurch bedingt, dass seine Eigenschaften durch unterschiedliche Legierungsbestandteile und -mengen sowie der Art der Verarbeitung passgenau auf den jeweiligen Bedarf abgestimmt werden können.
Welche Stahlsorten gibt es?
Die Legierungsbestandteile im Stahl spielen daher für das jeweilige Anwendungsgebiet eine wesentliche Rolle. Grundsätzlich werden Stahlsorten in drei Kategorien unterteilt, die von dem Anteil der Legierungsbestandteile abhängt:
- Niedriglegierter Stahl enthält bis zu 5 Prozent Je nachdem, welches Metall verwendet wird und wie hoch der Anteil ist, verbessern sich Härte, Elastizität und Zugfestigkeit des Stahls.
- Unlegierter Stahl wird in großen Mengen hergestellt und deshalb auch als „Massenstahl“ bezeichnet. Beträgt der Kohlenstoffgehalt im Stahl mehr als 0,5 Prozent, kann er gehärtet werden.
- Hochlegierter Stahl hat einen Legierungsanteil von bis zu 30 Bei diesem Stahl können die Eigenschaften deutlich verbessert und durch die Wahl des Legierungsmetalls dem jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden, z. B. Chrom für Korrosions- oder Säurebeständigkeit.
Für die Federnherstellung werden hauptsächlich unlegierte und hochlegierte (Niro) Stähle verwendet. Wie unterscheidet man verschiedene Stahlsorten
Aktuell gibt es über 2.500 genormte Stähle und jedes Jahr werden bis zu 30 völlig neue Stahlsorten erfunden.
Die weltweite Stahlproduktion betrug 2019 ca. 1,55 Mrd. Tonnen.
- *Produktion in Millionen Tonnen
- [Quelle worldsteel.org]
Wo kommt das Eisenerz her?
Der Weg zur Herstellung vom Stahl in der direkten Erzeugung ist lang.
Zuerst muss das Eisenerz aus seiner Lagerstätte gewonnen werden. Eisenerz wird wie andere natürliche Mine- ralien durch klassischen Bergbau aus den Lagerstätten gewonnen.
Die größten Eisenerzlagerstätten liegen heute in Brasilien, Australien, Schweden, Norwegen, Nordafrika, Russ- land und USA, aber auch in Deutschland liegen Erzlagerstätten z.B. im Siegerland, die aber nicht mehr abbau- fähig sind.
Sogar in der Nähe der Verbandsgeschäftsstelle (Hagen) gibt es Erzlagerstätten. Im Dortmunder Rombergpark sieht man Bäche mit rostigen Bachbetten. Das bedeutet, dass unterhalb der Quelle das Grundwasser durch Eisenerzlagerstätten fließt.
Es existieren verschiedene Sorten von Eisenerz. Die wichtigsten für die Stahlherstellung sind Magnetit (enthält zwischen 45 % und 72 % Eisen) und Hämatit (Roteisenstein) (~40-65 % Eisen).
Hochofen
Ein Hochofen ist eine industrielle schachtförmige Großanlage von ca. 20 bis 30 Meter Höhe und dient zur Gewinnung von Roheisen.
Der eingesetzte Koks dient als Brennstoff für den Hochofen, um das Erz zum Schmelzen zu bringen. Koks ist industriell verarbeitete Kohle, um einen höheren Brennwert im Hochofen zu erzielen. Kohle, enthält viel Was- ser, das einen höheren Brennwert verhindert. Um das Wasser der Kohle zu entziehen, wird die Kohle unter Luftabschluss bei ca. 1.000 °C erhitzt. Diese Verkokung der Kohle kann bis zu 20 Stunden dauern. Dabei verliert die Kohle rund ein Viertel ihrer ursprünglichen Masse (Gewicht). Der Kohlenstoffgehalt des so entstan- denen Kokses beträgt ca. 90 %.
Im Hochofen kommen neben dem Koks Eisenerze zum Einsatz. Eisenerze werden in Form von Stückerzen, Sinter und Pellets eingesetzt. Stückerze sind bei der Eisenerzgewinnung natürlich abgebaute verwertbare Erze mit einer größeren Körnung. Bei der Eisenerzgewinnung fallen allerdings durch Aufbereitungs- und Anreicherungsprozesse zur Anhebung des Eisengehaltes auch sehr feinkörnige Erze an. Diese werden zermahlen und gereinigt und anschließend durch das Pelletieren oder Sintern stückig (für eine bessere Handhabung) gemacht. Beim sog. Pelletieren oder Sintern werden diese feinkörnigen Feinerze zusammengebacken und unter hohem Druck zusammengepresst.
Stückerze gehen mit Sintererzen in Lagen gemischt mit Koks, Luft, Feldspat (Kalkstein) oder Silikaten in den Hochofen.
Aus dem Hochofen kommt dann ein flüssiges Metall (das ist Gusseisen). Das Roheisen wird unmittelbar nach seiner Gewinnung in den so genannten „Tonnenpfannen“ zur weiteren Verarbeitung ins Stahlwerk geschickt. Das Roheisen enthält einen hohen Gehalt an Kohlenstoff (4 bis 5%) sowie unerwünschte Begleitelemente wie
z.B. Silicium, Schwefel und Phosphor. Diese Begleitelemente machen Roheisen in kaltem Zustand sehr spröde, es ist daher weder schmiedbar (walzbar) noch schweißbar. Daher werden diese Bestandteile im Konverter durch das Einblasen von Sauerstoff entfernt. Dabei werden diese störenden Verunreinigungen oxidiert und schwimmen als Schlacke im Konverter auf.
Nachdem der Blasprozess abgeschlossen ist, werden die Schlacke und der Rohstahl beim sog. Abstechen des Konverters voneinander getrennt. Dazu wird der Konverter in die „Abstichposition“ geneigt. Die Schmelze fließt über das „Abstichloch“ in eine Stahlpfanne. Die oben schwimmende Schlacke wird im Konverter zu- rückgehalten und anschließend der Weiterverwertung zugeführt.
In dieser Phase wird der endgültige Stahl durch genaue Dosierung der Legierungen hergestellt. Der Prozess wird ständig überwacht und es werden zahlreiche Proben entnommen und analysiert, bis der gewünschte Stahl erreicht ist. Anschließend wird die Pfanne zur Stranggussanlage transportiert.
Elektrostahlverfahren (sekundär Bedingung) / Schrottverfahren
Das andere Verfahren zur Gewinnung von Stahl erfolgt im Elektroofen. Hier wird kein Eisenerz, sondern haupt- sächlich recycelter Stahl eingesetzt.
Das Prinzip ist relativ simpel: Beim Elektrostahlverfahren wird die zum Schmelzen erforderliche Wärme durch einen Graphitelektroden in Form eines Lichtbogens (oder durch Induktion) erzeugt und das Schrottgut zum Schmelzen gebracht.
Die Grafitelektrode wird unter Strom gesetzt und erzeugt dabei einen Lichtbogen, der Temperaturen bis zu 3500 °C erreichen kann. Somit können schwer schmelzbare Legierungselemente wie Wolfram und Molybdän als Ferrolegierungen geschmolzen werden. Im Lichtbogenofen können grundsätzlich alle möglichen Stahlsor- ten hergestellt werden, allerdings wird er hauptsächlich aufgrund der hohen Kosten zur Herstellung von Edelstählen eingesetzt. Das Fassungsvermögen der kippbaren Elektroöfen beträgt 100 bis 200 t. Der Rohstahl wird in eine Stahlgießpfanne abgegossen.
Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU-Verfahren)
Eine besondere Art der sekundären Stahlerzeugung stellt das Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU-Verfahren) dar. Hierbei wird die Wärme nicht über eine Graphitelektrode, sondern über einen elektrischen Widerstand zwischen der Abschmelzelektrode und der Schlacke erzeugt. Das Material, welches geschmolzen werden soll, liegt mit der Schlacke in fester oder flüssiger Form vor. Das Metall schmilzt und sinkt durch die Schlacke nach unten.
Wesentliche Verfahrensvorteile sind:
- hoher Reinheitsgrad (keine Anzeichen von Einschlüssen)
- Erhöhung der mechanischen Kennwerte
Durch die Steuerung des Umschmelzprozesses werden ESU-Stahlgüten höchster Reinheit erzeugt.
Strangguss
Wenn die eigentliche Stahlherstellung im Hochofen oder Elektro-Ofen abgeschossen ist, erfolgt der nächste Prozessschritt, der sog. Strangguss. Stranggießen ist ein kontinuierliches (endloses) Gießverfahren, das zur Herstellung von Halbzeugen (Rohmaterial) aus Eisen- und Nichteisenlegierungen eingesetzt wird.
Beim Stranggießen wird der noch flüssige Stahl aus der Gießpfanne über den Gießverteiler in eine Kokille geführt. Die Kokillen bestehen i.d.R. aus Kupfer oder Graphit, daher ist eine kontinuierliche Wasserkühlung unbedingt erforderlich. In der Kokille erstarrt die Oberfläche des Strangs, während der Kern noch flüssig ist.
Die Querschnittgeometrie der Kokille bestimmt das Endformat des Stranges. Aufgrund seines flüssigen Kerns muss der Strang bis zur Erstarrung stets mit Wasser bzw. Wasser-Luftgemischen gekühlt werden. Der Strang wird dabei durch Rollen abgestützt. Ist der Strang vollständig erstarrt, so kann der Strang durch Schneidbrenner oder Scheren auf die gewünschten Längen zerteilt werden.
Fehler
Wie bei jedem Herstellungsverfahren, können Fehler am Endprodukt entstehen.
- Risse
- Porosität (Oberfläche)
- Seigerung
- Einschlüsse
- metallische ~
- nichtmetallische ~
Lunker (Hohlräume)
Ist der Querschnitt der Kokille rechteckig, so spricht man von Bramme. Brammen haben normalerweise eine Dicke von 26 bis 80 Zentimetern, eine Breite von bis zu 2,1 Metern und eine max. Länge von etwa 12 Metern. Ihr Gewicht kann ca. 40 Tonnen betragen.
Ist dagegen der Querschnitt rund, so spricht man von Knüppel. Übliche Knüppelabmessungen für Walzdraht sind: 150 mm x 150 mm oder 240 mm x 240 mm.
