Vorlesung Stoffwandlungssysteme 3. Eisenwerkstoffe J. Evers April 2010

Innere Aufbau der Metalle Metalle haben einen festen Zusammenhalt, eine kristalline Struktur, verbindet man die Mittelpunkte der Atome, so entsteht ein Raum- oder Kristallgitter. Ursache ist die Metallbindung, die nach der Reduktion des Erzes entsteht. Dabei werden die locker beweglichen Elektronen abgegeben, sie umgeben den Atomverband als Elektronenwolke. Sie können durch eine angelegte elektrische Spannung in Bewegung gesetzt werden, es fließt ein elektrischer Strom. Sie sind gute elektrische Leiter. Metalle verformen sich bei geringer Belastung elastisch, bei hoher plastisch.

Kristallgittertypen Die Atome der Metalle können sich in unterschiedlichen geometrischen Anordnungen zusammenfügen, je nach Metallart. krz: Die Verbindungslinien der Atommittel-punkte bilden ein Würfel, zusätzlich befindet sich aber noch ein Atom in der Würfelmitte. (Cr, W, Va) kfz: Die Verbindungslinien der Atommittel-punkte bilden auch hier ein Würfel, aber zusätzlich befindet sich ein Atom in der Mitte der Seitenflächen. (Al, Cu, Ni) hex: Die Metallatome bilden ein sechseckiges Prisma mit je einem Atom in der Mitte der Grundflächen. (Mg, Zn, Ti)

Baufehler im Kristall Die Kristalle eines Metalls sind nicht fehlerfrei, sondern mit Lücken, Versetzungen und Fremdatomen durchsetzt. Eine Lücke ist ein nicht besetzter Gitterplatz, bei einer Versetzung ist eine ganze Lage eingeschoben oder sie fehlt. Fremdatome sind Atome eines anderen Elementes, die in das Kristallgitter eingebaut sind. Baufehler bewirken Verzerrungen im Kristallgitter und führen zur Erhöhung der Festigkeit, entsprechend werden Legierungen erzeugt, also Fremdatome absichtlich eingebracht.

Entstehung des Metallgefüges Das Gefüge eines metallischen Werkstoffs entsteht nach dem Vergießen beim Erstarren der Metallschmelze zum Festkörper. Die Abkühlung von reinem Eisen und die dabei ablaufenden Vorgänge verlaufen in Zwischenstufen.

Gefügearten – Kornform und Korngröße Die entstehende Kornform und Korngröße hängt von der Metallart und vom C-Gehalt ab. Darüber hinaus kann man durch gezielte Wärmebehandlung und durch Legierungselemente die Form und Größe beeinflussen.

Gewinnung von Roheisen Stähle und Gusswerkstoffe werden aus Roheisen hergestellt, das wiederum aus Eisenerz gewonnen wird. Der Ofen wird mit Erz, Koks und Zuschlägen beschickt. Die Zuschläge nehmen erdige Bestandteile auf. Koks verbrennt, liefert Wärme und reduziert das Eisenerz zum metallischen Eisen. Das entstehende flüssige Roheisen enthält den gelösten Kohlenstoff und sammelt sich am Boden und wird abgelassen.

Herstellung von Stahl - Frischen Roheisen enthält neben Eisen etwa 4% C und andere Elemente wie Si, Mn, S und Ph. Die Beseitigung dieser Bestandteile nennt man Frischen, das bekannteste Verfahren ist das Sauerstoff-Aufblasverfahren, dem so genannten Linz-Donawitz-Verfahren (LD-Verfahren). Sauerstoff wird eingeblasen und reagiert mit den Eisenbegleitern, die Schmelze kocht. Kalk bildet eine flüssige Schlacke und bindet die Abbrandprodukte und unerwünschten Begleiter. Kohlenstoff verbrennt zu Co und Co2. Legierungsbestandteile werden zugegeben, dann werden Stahl und Schlacke abgegossen.

Nachbehandlung des Stahls Bei der Desoxidation wird Silizium zugegeben, um den bei der Erstarrung frei werdenden Sauerstoff zu binden, man sagt der Stahl beruhigt sich. Die Randzone und der Kern haben die gleiche Zusammen-Setzung. Je nach Grad dieser Desoxidation unterscheidet man beruhigte und voll beruhigte Stähle. Danach erfolgt die Vakuumentgasung, bei der die Reste an gelösten Gasen (H) im Stahl durch Umgießen entweichen und abgesaugt werden.

Vergießen/Weiterverarbeitung des Stahls Der fertig behandelte , flüssige Stahl wird zum überwiegendem Teil in einer Stranggussanlage zu Strängen vergossen und erhält damit die Ausgangsform für das Walzen. Der Stahl wird aus der Pfanne in ein Zwischenbehälter gegossen . Aus diesem fließt er kontinuierlich in eine wassergekühlte Kokille aus Kupfer und erstart dort in der Randzone. Der entstehende, innen noch flüssige Strang wird nach unten aus der Kokille gezogen . In einer bogenförmigen Kühlkammer mit vielen Walzen wird der Stahlstrang in die Waagrechte umgelenkt und mit Wasser besprüht . Nach der Kühlkammer wird er gerichtet und abgeschnitten.

Übersicht der Stahlherstellung Im Hochofen werden durch Reduktion Eisenerze in Roheisen umgewandelt. (Roheisen für Guss) Beim Sauerstoff-Aufblasverfahren (Frischen) von Roheisen zu Stahl wird der Kohlstoffgehalt des Roheisens vermindert und die unerwünschten Begeleitstoffe werden weitgehend beseitigt. Durch die Nachbehandlungen (Desoxidation/Vakuumentgasung) wird die Stahlqualität verbessert, indem unerwünschte Begleitstoffe entfernt werden. Durch das Vergießen erhält man Stränge, die nahe an der Form des Fertigprofils liegen.

L EG I ERUNGSE L EMENT E Quelle: Umwelt: Technik

Stahl oder Guss – Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Einteilung der Stähle

E INTE I LUNG VON STAHL

Stahl-bezeich-nung nach Verwen-dungs-zweck I

Stahl-bezeich-nung nach Verwen-dungs-zweck II

Stahl-bezeich-nung nach chemischer Zusammen-setzung I

Stahl-bezeich-nung nach chemischer Zusammen-setzung II

Stahl-bezeich-nung nach Werkstoff-nummern

Handels-formen der Stähle

Gusseisen - Schmelzen Ausgangsstoffe der Gusswerkstoffe sind Roheisen, Stahlschrott, Gussbruch und Kreislaufmaterial der Gießerei. Zur Herstellung werden die metallischen Ausgangstoffe in Öfen eingeschmolzen, hier ein Induktions-Tiegelofen.

E I N T E I L U N G V O N G U S S

Guss-bezeich-nung nach Kurznamen und Werkstoff-nummern

Stahl/Guss - Kohlenstoffgehalt

Stahl/Guss - Verwendung