Umfassender Leitfaden zur Metallurgie: Von Mineralien zu Stahl

Verfahren für Metalle und Bergbau

Der Bergbau befasst sich mit dem Abbau von Erzlagerstätten und deren angemessener Vorbereitung, um den metallreichen Teil von anderen Begleitmaterialien zu trennen.

Metallurgie: Gewinnung und Verarbeitung von Metallen

Die Metallurgie umfasst die Prozesse zur Gewinnung von Metallen, insbesondere die Trennung von Metallen, die chemisch mit anderen Elementen verbunden sind.

Metallic Industries: Herstellung nützlicher Metallgegenstände

Die Metallic Industries widmen sich der Schaffung von Metallgegenständen aus gefundenen Metallen, um nützliche Produkte herzustellen.

Historische Bedeutung von Eisen und Stahl

Unter allen Metallen haben Eisen und seine Derivate (Gusseisen und Stahl) die größte historische Bedeutung. Aus diesem Grund erhielt die Metallurgie ihren Namen, der sich ursprünglich auf die Gewinnung von Stahl aus Siderit (Eisenerz) bezog.

Metallrecycling: Eine kostengünstige Alternative

Wir können Metalle auch direkt durch das Recycling von gebrauchten Produkten gewinnen, was kostengünstiger ist.

Mineralstoffe: Die Grundlage metallischer Gewinnung

Mineralstoffe sind Metalle, die chemisch mit anderen Elementen verbunden sind. Diese Verbindungen können verschiedene Formen annehmen:

• Oxide: Metall + Sauerstoff (z.B. Hämatit)
• Sulfide: Metall + Schwefel (z.B. Galena)
• Carbonate: Metall + Sauerstoff + Kohlenstoff (z.B. Magnesit)

Um Metalle von anderen Elementen zu trennen, werden hohe Temperaturen in einem Ofen angewendet.

Reduktion und Oxidation in der Metallgewinnung

Reduktion ist eine chemische Reaktion, die angewendet wird, wenn ein Element mit Sauerstoff verbunden ist, um das Metall zu isolieren. Oxidation ist eine chemische Reaktion, die bei der Mischung mit Sauerstoff auftritt.

Kohle wird häufig zur Reduktion von Metallen verwendet, da sie eine hohe Kapazität zur Kombination mit Sauerstoff besitzt und durch ihre Verbrennung die Temperatur im Ofen erhöht.

Erzaufbereitung und Anreicherung

Ein Mineral wird als erzreich und nutzbar betrachtet, wenn es einen hohen Metallgehalt aufweist. Wenn ein Erz nicht geeignet ist, weil es ein anderes Metall enthält, das nicht verhandelt werden kann, wird es aussortiert.

Der Reimer-Prozess (wahrscheinlich gemeint ist ein Anreicherungsverfahren wie Flotation oder Schwerkrafttrennung) ermöglicht die Extraktion und Anreicherung, um das Erz zu trennen und den Handel zu maximieren.

Legierungen: Verbesserung metallischer Eigenschaften

Legierungen sind Produkte, die aus der Vereinigung von zwei oder mehr chemischen Elementen, meist Metallen, entstehen, um die Eigenschaften eines Metalls zu verbessern.

Die Elemente einer Legierung verändern die kristalline Struktur des reinen Metalls und behindern die Mobilität von Versetzungen. Dies führt zu geringerer Plastizität, erhöhter Härte und mechanischer Festigkeit. Die Schmelztemperatur kann ebenfalls variieren.

Die Änderung der internen Struktur behindert auch die Mobilität der freien Elektronen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit verringert wird.

Beispiele für Legierungen:

• Messing: Cu + Zn
• Bronze: Cu + Sn
• Cuproníquel: Cu + Ni
• Alpakas: Cu + Ni + Zn
• Invar: Fe + Ni

Erstarrung von reinen Metallen und Legierungen

Reine Metalle haben einen festen Schmelzpunkt. Beim Abkühlen bleibt die Temperatur während der Erstarrung konstant.

Die Schmelztemperatur von Legierungen ist nicht festgelegt und liegt in einem Intervall, abhängig von den Proportionen der einzelnen Elemente. Eutektische Legierungen erstarren bei einer konstanten Temperatur, die niedriger ist als die der reinen Bestandteile. Sie bilden eine feine Mischung von Kristallen und sind ideal zum Gießen.

Metallurgische Produkte: Eisenhaltige und Nicht-Eisenhaltige

• Férrische Produkte: Eisen, Stahl (unlegiert und legiert)
• Nicht-férrische Produkte:
  • Metalle: Kupfer, Aluminium, Blei, Zinn, Zink
  • Legierungen: Messing, Bronze, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen (Ultraleichtflugzeuge), Titanlegierungen und Nickellegierungen

Legierungen auf Eisenbasis: Stahl und Gusseisen

Reines Eisen: Eigenschaften und industrielle Anwendungen

Reines Eisen ist ein chemisches Element mit vielen industriellen Anwendungen. Es hat einen Schmelzpunkt von 1539 °C, eine weiß-graue Farbe, eine Dichte von 7,87 g/cm³ und ist magnetisierbar. Es ist ein guter elektrischer Leiter.

Reines Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,03% hat einige industrielle Anwendungen, z.B. für Magnetkerne in Transformatoren und die Herstellung von elektrischen Platten.

Allotrope Umwandlungen von Eisen

Die Atome von Eisen verteilen sich im festen Zustand in unterschiedlichen Kristallgitterstrukturen, was zu Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften führt. Dies sind die allotropen Varianten:

• Delta-Phase: Bleibt bei 1539 °C konstant, während die Masse erstarrt.
• Gamma-Phase (Austenit): Bei 1390 °C wird die Temperatur konstant, während sich die kristalline Struktur ändert.
• Beta-Phase: Bei 900 °C bleibt die Temperatur konstant, um die Struktur zu ändern.
• Alpha-Phase: Bis 750 °C sinkt die Temperatur, um die Struktur erneut zu ändern. Die Alpha-Phase bleibt bis Raumtemperatur bestehen.

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen: Stahl und Gusseisen

Bei Eisen-Kohlenstoff-Legierungen kann der Kohlenstoff verschiedene Formen annehmen: freier Kohlenstoff, Eisencarbid oder Graphit. Die Kombinationen und Abkühlraten führen zu verschiedenen Bestandteilen:

• Ferrit: Alpha-Eisen
• Zementit: Eisencarbid (Fe₃C)
• Perlit: Mischung aus Ferrit und Zementit
• Austenit: Gamma-Eisen
• Martensit: Alpha-Eisen (schnell abgekühlt)

Diziderurgische Produkte: Stahl und Gusseisen

Stahl sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,1% und 1,76%. Gusseisen wird als Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 1,76% und 6,67% (oft 3-4,5%) und Siliziumgehalt definiert.

Schmieden und Gießen

• Schmieden (Forja): Prozess, bei dem Metall unter hohem Druck und hoher Temperatur geformt wird.
• Gießen (Formkörper): Metall wird in flüssiger Form in eine Form gegossen und erstarrt.

Schmiedbare Metalle erfordern hohe Temperaturen (>1400 °C), während Gusseisen bei niedrigeren Temperaturen (<1130 °C) schmilzt und gut formbar ist.

Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sind leicht zu schweißen und zu bearbeiten, aber weniger für Wärmebehandlungen geeignet. Stähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt sind für Wärmebehandlungen und Anwendungen mit hoher mechanischer Festigkeit geeignet.

Gusseisen enthält Kohlenstoff als Eisencarbid (weißes Gusseisen) oder Graphit (graues Gusseisen). Die Form des Graphits bestimmt die Art des Gusseisens: lamellares, kugelförmiges oder nodulares Gusseisen.

Gewinnung von Roheisen und Stahl

Die Gewinnung und Verhüttung von Roheisen besteht aus zwei Phasen. Zuerst wird Roheisen im Hochofen gewonnen. Roheisen enthält viel Kohlenstoff und Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor.

Für Gießereien wird das Roheisen in anderen Öfen weiterverarbeitet. Um Stahl zu gewinnen, wird flüssiges Roheisen in einem Konverter behandelt, um Kohlenstoff und Verunreinigungen zu reduzieren.

Der Hochofen: Herzstück der Roheisengewinnung

Der Hochofen ist eine zylindrische Struktur aus feuerfestem Material mit einer Höhe von ca. 30 Metern und einem maximalen Durchmesser von ca. 6 Metern. Heiße Luft wird unten eingeblasen, um die Verbrennung von Koks zu ermöglichen, wodurch Roheisen und Schlacke entstehen.

Rohstoffe im Hochofen:

• Eisenerzkonzentrat: Liefert das Eisenoxid, das zu Roheisen reduziert wird.
• Koks (aus Kohle): Dient als Brennstoff und Reduktionsmittel.
• Kalkstein: Reagiert mit Silizium zu Schlacke.

Die Schlacke hat den Vorteil, dass sie später zur Herstellung von Zement oder Isoliermaterialien verwendet werden kann.

Zonen im Hochofen:

• Dehydrierung (ca. 400 °C): Entfernung von Feuchtigkeit.
• Reduktionszone (ca. 700 °C): Kohlenmonoxid reduziert das Eisenoxid.
• Aufkohlungszone (ca. 1200 °C): Kohlenstoff verbindet sich mit Eisen.
• Schmelzzone (ca. 1800 °C): Eisen schmilzt und fließt ab.

Die Abgase des Hochofens werden behandelt, um Staub zu entfernen und die Energie für die Vorwärmung der Luft zu nutzen.

Roheisen ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff (ca. 4%), mit geringen Mengen an Silizium, Phosphor und Schwefel.

Gewinnung von Stahl: Sauerstoffkonverter und Elektrolichtbogenofen

Zur Stahlherstellung aus Roheisen gibt es zwei Hauptverfahren:

• Sauerstoffkonverter: Flüssiges Roheisen wird mit Kalk versetzt. Reiner Sauerstoff wird unter Druck eingeblasen, um Kohlenstoff und Verunreinigungen zu reduzieren. Die entstehende Wärme hält die Masse flüssig.
• Elektrolichtbogenofen: Roheisen und Schrott werden mit Kalk in einem feuerfesten Behälter geschmolzen. Drei Graphitelektroden erzeugen einen Lichtbogen, der die Temperatur erhöht. Dieser Ofen ermöglicht eine präzise Kontrolle von Temperatur und Zusammensetzung.

Die Schlacke aus dem Konverter kann als Dünger verwendet werden.

Thermische Behandlungen: Optimierung von Materialeigenschaften

Thermische Behandlungen sind kontrollierte Erwärmungs- und Abkühlprozesse, um die Eigenschaften von Metallen zu verändern.

Wichtige Temperaturen sind die AC1-Temperatur (Beginn der Austenitbildung, 723 °C) und die AC3-Temperatur (vollständige Umwandlung in Austenit, variiert je nach Kohlenstoffgehalt).

Härten (Tempering)

Ziel ist eine hohe Härte und Festigkeit durch Bildung von Martensit. Dies geschieht durch schnelles Abkühlen von Austenit. Verschiedene Kühlmedien (Wasser, Öl, Salz etc.) ermöglichen unterschiedliche Kühlraten.

Härten führt zu Härte und Sprödigkeit.

Anlassen (Revingut)

Erwärmung auf eine Temperatur unter 723 °C und anschließende Luftkühlung. Dies dient dem Abbau von Spannungen und dem Erreichen eines temperierten Zustands, jedoch mit geringerer Härte und Festigkeit.

Glühen (Annealing)

Es gibt verschiedene Arten von Glühen, abhängig von der maximalen Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit:

• Regenerationsglühen: Für Stähle mit >0,6% Kohlenstoff.
• Kugelglühen: Für legierte Werkzeugstähle.
• Erweichungsglühen: Ähnlich dem Anlassen, aber für zuvor nicht behandelte Materialien.
• Spannungsarmglühen: Entfernt Spannungen aus Kaltumformungsprozessen.

Glühen reduziert die Härte und erhöht die Plastizität, um die Bearbeitung zu erleichtern.

Normalisieren

Erwärmung zur Austenitisierung und anschließende Luftkühlung (schneller als beim Glühen). Dies verbessert die Kornstruktur und mechanischen Eigenschaften.