Sie möchten wissen, wie Metalle eigentlich aufgebaut sind und was bei der Eisenherstellung wichtig ist? 

SIe erfahren hier, was Werkstoffe eigentlich sind und warum Werkstofftechnik wichtig ist. Sie lernen Schritt für Schritt den Aufbau von Metallen kennen, sehen wie die Zusammenlagerung der Atome das Kristallgitter bilden und wie daraus das Gefüge entsteht. Zudem erfahren Sie, welche Eigenschaften Metalle haben. Abschließend durchlaufen Sie den Prozess zur Gewinnung von Eisen und Herstellung von Stahl und sehen, was dabei zu beachten ist.

Werkstoff Unterteilung

Werkstoffe lassen sich in Metalle und Nichtmetalle einteilen. Stahl und Eisenguss gehören dabei zu den weltweit am meisten genutzten Werkstoffen.

Werkstofftechnik und Ihre Bedeutung

Zu welchem Zweck ein bestimmter Werkstoff eingesetzt wird, hängt von dessen Eigenschaften ab. Diese lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen.

Damit die Unterteilung der Werkstoffe in verschiedene Kategorien und Eigenschaften überhaupt erst möglich ist, werden verschiedene wissenschaftliche Methoden der Werkstofftechnik eingesetzt.

Die Werkstofftechnik beschäftigt sich mit der Gewinnung und Verwendung von Werkstoffen und untersucht die verschiedenen Eigenschaften. Somit ermöglicht sie, dass Werkstoffe richtig genutzt, neue Werkstoffe entwickelt und bestehende verbessert werden.

Voraussetzung für die Untersuchung der Eigenschaften ist Wissen über den inneren Aufbau von Werkstoffen. Nur, wenn Sie wissen aus welchen Komponenten ein Werkstoff besteht und wie diese funktionieren, können Sie neue Erkenntnisse für die Weiterentwicklung gewinnen.

Metalle unter dem Mikroskop

Die positiven Ladungen der Metallatome sind immer in festen Abständen zueinander angeordnet und bilden die Kristallgitter. Dabei geben sie die negativen Elektronen ab, die das Kristallgitter als sogenannte Elektronenwolke umgeben. Die Elektronen können sich in der Wolke frei bewegen, diese jedoch nicht verlassen.

Durch die Anziehung der positiven und negativen Ladungen entsteht eine starke Metallbindung. Diese sorgt für einen äußerst festen Zusammenhalt der Metallatome im Kristallgitter und somit für die Festigkeit des Metalls.

Zusammenfassung von Werkstoffe

Sie wissen nun, dass Werkstoffe seit jeher eine wichtige Rolle spielen und viele Zeitepochen und Kulturen prägen. Sie haben erfahren, dass sich Werkstoffe allgemein in Metalle und Nichtmetalle einteilen lassen und verschiedene Eigenschaften haben können. 

Überdies haben Sie erfahren, dass Werkstofftechnik dazu genutzt wird, um die Eigenschaften von Werkstoffen zu untersuchen, damit immer neue entwickelt und bestehende verbessert werden können. Schließlich haben Sie gesehen, dass Metalle aus einem Gefüge, Kristallgittern und schließlich aus Metallatomen aufgebaut sind, deren Zusammensetzung die metallischen Eigenschaften beeinflussen.

Aufbau von Metalle

Jetzt sehen wir uns den genauen Aufbau von Metallen und deren Eigenschaften an. Dazu erfahren Sie zunächst, wie Metalle leiten und sich verformen lassen. Sie lernen verschiedene Kristallgitterarten kennen und sehen, welche Gitterbaufehler auftreten können. Anschließend werfen Sie einen genaueren Blick auf das Gefüge von Metallen und erfahren, was eigentlich bei einer Legierung geschieht. Abschließend erfahren Sie, welche Legierungsarten es gibt und wie Sie die dazugehörigen Zustandsdiagramme lesen.  

Leitfähigkeit von Metalle

Metalle sind leitfähig und werden daher im Alltag für verschiedene Zwecke eingesetzt. Durch den Aufbau der Kristallgitter lässt sich die elektrische Leitfähigkeit besser nachvollziehen.

Verformung von Metalle

Neben der elektrischen Leitfähigkeit sind Metalle auch verformbar. Dabei verformen sie sich  elastisch oder plastisch.

Werfen wir wieder einen Blick auf die atomare Ebene im Kristallgitter. Bei Krafteinwirkung auf Blech werden die Metallatome leicht vom Gitterplatz verdrängt, federn dann aber wieder zurück. Bei einem Bleistab jedoch bleibt nach der Krafteinwirkung die verschobene Lage im Kristallgitter bestehen und bildet somit eine bleibende Verformung.

Drei wichtigste Kristallgitterarten

KUBISCH-RAUMZENTRIERT (KRZ) 

Der Würfel besitzt ein Metallatom in der Mitte, das umschlossen wird. Da es nur locker gepackt ist, gibt es keine Stapelfolge. 

Relativ viel Platz zwischen den Atomen ermöglicht Einlagerung zusätzlicher Fremdatome. 

KUBISCH-FLÄCHENZENTRIERT (KFZ) 

Der Würfel besteht aus insgesamt 8 Atomen in den Würfelecken und je einem Atom in der Mitte der Seitenflächen. 

Die Atome sind in drei Stapeln angeordnet (ABC) und bilden dadurch eine dichteste Kugelpackung. 

Eine gestörte Stapelfolge führt zu Stapelfehlern, in die Legierungselemente eingelagert werden können. Daraus ergeben sich andere Eigenschaften. 

HEXAGONAL-DICHTEST GEPACKT (HDR) 

Die Metallatome sind in einem sechseckigen Prisma angeordnet mit je einem Atom in der Mitte der Grundflächen. 3 Atome befinden sich innerhalb des Prismas. 

Die Stapelfolge ist ABA und bildet so eine dichteste Kugelpackung. 

Große Gitterlücken bieten Platz für Fremdatome. 

Schlechter kalt umformbar als Metalle mit kfz-Gitter. 

Gitterbaufehler

Metalle sind keine Idealkristalle, sondern weisen Gitterfehler auf. Je nach Art und Größe lassen sich die Gitterfehler drei Dimensionen zuordnen. Die erste Dimension sind die nulldimensionalen Fehler. Diese entsprechen einem Gitterpunkt und lassen sich nochmals unterteilen.

Die nulldimensionalen Fehler haben in der Regel keine negativen Auswirkungen auf Eigenschaften metallischer Werkstoffe, sondern ermöglichen sogar wichtige Wärmebehandlungen.

Eindimensionalen Fehler

Daneben gibt es noch die eindimensionalen Fehler, auch Linienfehler genannt. Wird eine Halbebene in das reguläre Kristallgitter eingeschoben, ist die Linie gestört und es bildet sich so eine Stufenversetzung. Versetzungen sind beweglich und somit Ursache für die plastische Verformbarkeit von Metallen.

zweidimensionalen Fehlern 

Bei zweidimensionalen Fehlern kommt es zu Stapelfehlern     der regulären Schichtenfolge. Stapelfehler entstehen durch   Kristallisation oder durch Zusammenfallen eines   Leerstellenclusters. Zweidimensionale Gitterfehler haben   Einfluss auf die Zugfestigkeit eines Metalls. 

Gefüge

Sie haben bereits erfahren, dass Metalle aus vielen regelmäßig geformten Körnern bestehen, die in ihrer Vielzahl das Gefüge bilden. Mit bloßem Auge ist das Gefüge nicht zu erkennen. Doch mit einem metallografischen Schliffbild kann das Gefüge unter einem Metallmikroskop sichtbar gemacht werden. 

Das Schliffbild zeigt die Korngröße und die Korngrenzen eines Metalls. Die Korngröße reicht von feinkörnig bis grobkörnig und lässt sich durch gezielte Behandlung einstellen. Korngrenzen stellen Unterbrechungen der Atomanordnung der Körner dar und zählen zu den erwähnten zweidimensionalen Gitterfehlern. Diese entstehen beispielsweise während der Kristallisation. 

Feinkörnige Metalle haben bessere mechanische Eigenschaften gegenüber grobkörnigen, da es mehr Korngrenzen gibt. Eine Erhöhung der Korngrenze verbessert die Zähigkeit.  Allerdings entstehen bei erhöhten Temperaturen unerwünschte Kriechvorgänge.

Kornformen

Neben der Gemeinsamkeit von Korngröße und Korngrenzen gibt es je nach Metall und Kristallgittertyp unterschiedliche Kornformen.

GLOBULARE KÖRNER Rundliche Körner, z. B. reines Eisen	POLYEDRISCHE KÖRNER  Körner in Vieleckform, z. B. Eisen mit Austenitgefüge
DENDRITISCHE KÖRNER Nadelartige Körner, z. B. gehärteter Stahl	LAMELLENARTIGE GEFÜGE Lamellenartig geformte Kristalle, z. B. Lamellengrafit von Grauguss

Zustandsdiagramme von Legierungen

Zur Erforschung und Weiterentwicklung der Eigenschaften von Legierungen werden deren Zustandsdiagramme analysiert. Allgemein bilden Zustandsdiagramme die Aggregatzustände reiner Metalle ab. Dafür wird der Knickpunkt in der Abkühlungs- beziehungsweise Erwärmungskurve verwendet. 

Bei Legierungen kommt noch die Temperatur des zweiten Metalls hinzu sowie das Mischungsverhältnis in der Legierung. Werden nun alle Knickpunkte übertragen und die Temperaturpunkte verbunden, ergibt sich das Zustandsdiagramm für die Legierung.   

Mischkristalle und Kristallgemische haben unterschiedliche Zustandsdiagramme. Mischkristalle wie Kupfer und Nickel sind geprägt durch eine vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand.

Das Zustandsdiagramm für Kristallgemische wie Blei und Zinn sieht anders aus. Dieses ist durch eine vollständige Löslichkeit im flüssigen und Unlöslichkeit im festen Zustand geprägt.

Gewinnung von Roheisen

Im letzten Abschnitt sehen wir uns zunächst an, wie Roheisen eigentlich gewonnen wird und welche Schritte im Gewinnungsprozess hierzu wichtig sind. Anschließend erfahren Sie mehr über verschiedene Verfahren, um aus dem Roheisen Stahl herzustellen. Zum Abschluss sehen Sie die verschiedenen Wege zur Nachbehandlung und zum Vergießen von Stahl.   

Wie Sie erfahren haben, gehört Stahl zum weltweit am meisten genutzten Werkstoff. Der Hauptbestandteil davon ist Eisen. Eisen kommt in der Natur als Eisenerz vor, einer Verbindung aus Eisen und Sauerstoff. Für die Herstellung von Stahl muss das Eisen zunächst durch Reduktionsverfahren gewonnen werden. 

Zwei Reduktionsverfahren kommen bei der Gewinnung von Roheisen zum Einsatz. Hier sehen Sie beide Verfahren im Überblick. 

Herstellung von Stahl

Nachdem das Roheisen, beziehungsweise der feste Eisenschwamm gewonnen wurde, folgen nun sogenannte 'Frische-Verfahren', um den Werkstoff Stahl zu erzeugen. Können Sie sich vorstellen, was beim Frischen passiert? 

Beim Sauerstoffaufblas-Verfahren wird das flüssige Roheisen zusammen mit Stahlschrott und Zuschlägen in einen Konverter gefüllt. Ein wassergekühltes Rohr bläst Sauerstoff in das Gefäß und führt zu einer chemischen Reaktion mit den Eisenbegleitern. Der Kohlenstoff im Roheisen verbrennt und Kalk bindet die Eisenbegleiter. Anschließend werden Stahl und Schlacke abgegossen.

Das Elektrolichtbogenofen-Verfahren dient zur Herstellung hochlegierter Stahlsorten. Dabei wird eine Schmelzwanne mit dem Roheisen und weiteren Komponenten gefüllt. Kohleelektroden werden auf die Füllung abgelassen und ein Lichtbogen gezündet. In der Schmelzzeit werden verbliebener Kohlenstoff sowie Begleitstoffe ausgebrannt. Anschließend werden Stahl und Schlacke abgegossen.

Nach der Herstellung von Stahl bleiben oft weiterhin unerwünschte Bestandteile zurück. Zur Herstellung von Qualitätsstählen werden diese durch weitere Nachbehandlungen entfernt. Hier sehen Sie die wichtigsten Verfahren und deren Beschreibungen. Aktivieren Sie die Verfahren für weitere Details.