Grundlagen der Werkstoffkunde: Eigenschaften, Herstellung & Stahlsorten

Grundlagen der Werkstoffkunde

Physikalische und Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen

• Gewicht: Die Wirkung der Schwerkraft auf einen Körper.
• Masse: Die Menge der Materie in einem Körper.
• Volumen: Der Platzbedarf eines Körpers im Raum.
• Dichte: Die Masse pro Volumeneinheit.
• Spezifisches Gewicht: Das Gewicht pro Volumeneinheit.

Temperaturabhängige Zustandsänderungen

• Schmelzen: Übergang von fest zu flüssig.
• Verflüssigung (Kondensation): Übergang von gasförmig zu flüssig.
• Sieden (Verdampfung): Übergang von flüssig zu gasförmig.

Wichtige Werkstoffeigenschaften

• Spezifische Wärme: Die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer bestimmten Masse um einen Grad zu erhöhen.
• Härte: Der Widerstand eines Materials gegen Eindringen oder plastische Verformung.
• Zähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren und plastisch zu verformen, bevor es bricht (Widerstand gegen Bruchausbreitung).
• Duktilität: Die Eigenschaft eines Materials, sich unter Zugspannung plastisch zu verformen und zu Fäden ziehen zu lassen.
• Verformbarkeit (Plastizität): Die Eigenschaft eines Materials, sich dauerhaft umformen zu lassen, ohne zu brechen.
• Elastizität: Die Fähigkeit eines Materials, nach einer Verformung in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.
• Sprödigkeit: Die Eigenschaft eines Materials, bei geringer plastischer Verformung oder Schlag zu brechen.
• Wärmeleitfähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten.
• Elektrische Leitfähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten.
• Akustische Leitfähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, Schall zu leiten.
• Magnetische Leitfähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, magnetische Feldlinien zu leiten.
• Härtbarkeit: Die Fähigkeit eines Materials, durch Wärmebehandlung gehärtet zu werden.
• Schweißbarkeit: Die Fähigkeit eines Materials, dauerhafte Verbindungen durch Schweißen zu bilden.

Herstellung von Roheisen im Hochofen

Aufbau und Funktionsweise des Hochofens

Ein Hochofen ist ein über 30 Meter hohes Bauwerk. Der Rumpf, aus 30-50 mm dicken Stahlplatten gebaut, ist innen mit feuerfesten Steinen ausgekleidet, die sehr hitzebeständig sind, besonders im Bereich des Tiegels. Die am stärksten hitzebelasteten Bereiche der Auskleidung sind durch feuerfeste Platten geschützt, in die Kühlwasserkanäle eingebettet sind.

Beschickung des Hochofens

Der Ofen wird schichtweise von oben (Gicht) mit aufeinanderfolgenden Lagen von Materialien beschickt:

• Koks: Dient als Brennstoff zur Wärmeerzeugung und als Reduktionsmittel, die für die Schmelze im Hochofen benötigt wird.
• Eisenerze: Oft als Pellets (vorbehandelte Eisenminerale zur Beseitigung von Verunreinigungen und zur Steigerung der Ofeneffizienz).
• Kalkstein (Calciumcarbonat): Dient als Flussmittel, das Verunreinigungen bindet und als Schlacke abführt.

Prozess im Hochofen

Der Koks wird durch Warmluft (ca. 900 °C) entzündet, die über Ringdüsen eingeblasen wird. Die Koksverbrennung erzeugt viel Wärme, bei Temperaturen nahe 2000 °C, die das Schmelzen von Eisenerz und Kalkstein ermöglicht.

Im Hochofen (HO) treten physikalische Phänomene auf wie das Schmelzen der Mineralien, der gravitative Abstieg der Beschickung, konvektive Gasströmungen und die Entmischung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte im Tiegel. Es finden auch chemische Reaktionen statt, die zur Reduktion der Eisenoxide (Fe) und deren anschließender Verbindung mit Kohlenstoff (C) zu Eisen-Kohlenstoff-Legierungen führen.

Reduktionsprozesse der Eisenoxide

Die Reduktion der Eisenoxide erfolgt im Schacht und im Gestell (Bosh):

• Direkte Reduktion: Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO
• Indirekte Reduktion: Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Abstich und Weiterverarbeitung

Am Boden des Hochofens befindet sich der Tiegel, in dem sich flüssiges Roheisen (Dichte ca. 7,8 g/cm³) sammelt. Darauf schwimmt die Schlacke (Dichte ca. 2,5 g/cm³) mit geringerer Dichte. Regelmäßig, alle 4, 6, 8 oder mehr Stunden, je nach Größe des Hochofens, wird das Abstichloch geöffnet, um Roheisen und Schlacke getrennt abzulassen.

Das Roheisen wird zur Weiterverarbeitung in Sauerstoffkonvertern zu Stahl verwendet. Die Schlacke wird in Gräben gegossen und nach dem Erstarren zerkleinert, um als Rohstoff in der Zementherstellung oder im Straßenbau eingesetzt zu werden.

Arten von Gusseisen

Weißes Gusseisen

• Eigenschaften: Hart, spröde, schwer zu bearbeiten, nicht duktil.
• Zusammensetzung: Enthält 2 bis 3,5% Kohlenstoff (C) und einen höheren Gehalt an Mangan (Mn). Mangan fördert die Bildung von gebundenem Kohlenstoff (C) mit Eisen zu Eisencarbid (Fe₃C), auch Zementit genannt, welches eine sehr harte und spröde Phase ist.
• Verarbeitung: Dieses Gusseisen ist weder duktil noch plastisch verformbar (es kann nicht geschmiedet oder extrudiert werden) und ist schlecht lichtbogenschweißbar. Die hohe Härte erschwert die spanabhebende Bearbeitung (Drehen, Fräsen, Bohren etc.) erheblich.
• Verwendung: Es wird nicht für die Herstellung mechanischer Teile verwendet, sondern dient als Rohstoff für die Herstellung von Temperguss.

Grauguss

• Eigenschaften: Leicht zu bearbeiten, nicht elastisch, nicht plastisch verformbar. Es weist eine sehr geringe elastische Verformung auf, d.h. es behält eine starre Form und Kontur.
• Zusammensetzung: Enthält 3 bis 4,5% Kohlenstoff (C). Diese Gusseisenarten enthalten einen zusätzlichen Anteil an Silizium, wodurch der Kohlenstoff (C) dazu neigt, sich in freier, nicht gebundener Form als Graphit in einer lamellaren Struktur abzuscheiden.
• Verarbeitung: Es ist nicht einfach lichtbogenschweißbar (erfordert spezielle Elektroden) und ist weder duktil noch plastisch verformbar, weshalb es nicht gewalzt, laminiert oder gezogen werden kann.
• Verwendung: Wird häufig für industrielle Maschinen-, Mechanik- und Karosserieteile verwendet. Aufgrund dieser Eigenschaften wird für die Herstellung von Teilen die Methode des Formens und Gießens angewendet.

Temperguss

Bei Temperguss wird der freie Kohlenstoff als kugelförmige Graphitknötchen gebildet. Dieses Gusseisen weist eine höhere Elastizität und geringere Sprödigkeit auf. Es wird für mechanische Teile, Ventilkörper, Armaturen und Formstücke verwendet.

Stahlsorten und ihre Eigenschaften

Definition von Stahl

Stähle enthalten maximal zwischen 0,02 und 2% Kohlenstoff. Sie werden unterteilt in:

• Kohlenstoffstähle
• Legierte Stähle

Kohlenstoffstähle

Kohlenstoffstähle sind Stähle, deren Eigenschaften hauptsächlich vom Kohlenstoffgehalt (%) abhängen. Sie enthalten auch andere chemische Elemente wie Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, jedoch in geringeren Mengen, die die Stahleigenschaften nicht direkt beeinflussen.

Legierte Stähle

Legierte Stähle sind solche, denen weitere Elemente hinzugefügt werden, wie Chrom, Nickel, Molybdän, Mangan, Silizium, Titan, Aluminium etc., in mittleren bis hohen Prozentanteilen, um bestimmte Eigenschaften zu verändern, zu verbessern oder neue Eigenschaften zu schaffen.

Beispiel: Die Zugabe von Chrom und/oder Nickel zu Kohlenstoffstahl, der stark oxidiert, führte zur Entwicklung einer neuen Eigenschaft: Edelstahl.

Stahlherstellung im Sauerstoffkonverter

Der Sauerstoffkonverter

Der Konverter ist ein großer zylindrischer Metallbehälter mit halbkugelförmigem Boden und konischem Oberteil, gefertigt aus 40-50 mm dicken Stahlplatten und innen mit hitzebeständigen feuerfesten Steinen ausgekleidet.

Er wird von oben mit flüssigem Roheisen (ca. 1300 °C) aus dem Hochofen und kaltem Schrott beschickt. Während des Prozesses wird reiner Sauerstoff über eine wassergekühlte Lanze eingeblasen, der aus flüssigem Sauerstoff gewonnen wird. Die Sauerstoffzufuhr ist sehr schnell: In etwa 15-20 Minuten werden ca. 100 Tonnen Roheisen in Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,05 bis 0,5% C) umgewandelt.

Am Ende des Prozesses wird der Konverter um 90 Grad oder mehr um eine horizontale Achse gekippt, um das flüssige Stahl in "Thermotöpfe" (Pfannen) abzulassen, die es zur nächsten Stufe, dem Stranggießen von Brammen, transportieren.

Anwendung von Sauerstoffkonvertern

Sauerstoffkonverter werden in der Stahlindustrie hauptsächlich zur Herstellung von niedriglegiertem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt (0,08 bis 0,3% C) eingesetzt, der stark in der Produktion von Bauelementen (Betonstahl, Strukturprofile, Flach- und Wellbleche etc.) verwendet wird. Spezialstähle mit mehr als 0,8% C und hochlegierte Stähle (wie Edelstahl) werden in Tiegelöfen oder Elektrolichtbogenöfen hergestellt.