Werkstoffkunde Metall/ Eisen und Stahl/ Metallurgie

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Die Metallurgie ist eine übergreifende Wissenschaft und betrifft Teile der Geologie, der Chemie und natürlich die Werkstoffwissenschaften.
Sie beschäftigt sich in der Praxis mit der Suche und dem Abbau von Rohstoffen (Mineralien und Erze), deren Aufbereitung und Verhüttung zu Metallen und deren weiteren Veredelung (Reinheit und Zusammensetzung von Legierungen) und stellt der Industrie die Werkstoffe als Halbzeuge zur Verfügung.

An der Grenze zum Maschinenbau werden (fast) fertige Gussstücke (endformnah) gegossen und umformbare Werkstoffe zu Blöcken, Stangen, Blechen oder Profilen gewalzt.

Adolph Menzel - Eisenwalzwerk - Google Art Project.jpg

Erzgewinnung

Vorkommen

Häufigkeit der Elemente in der Erdhülle
Sauerstoff Silizium Aluminium Eisen Calcium Natrium Magnesium
49,4% 25,8% 7,57% 4,7% 3,4% 2,64% 1,94%
Wasserstoff Titan Chrom Kupfer Zink Lithium Wolfram
0,88% 0,41% 0,019% 0,01% 0,01% 0,006% 0,006%
Zinn Blei Nickel Quecksilber Silber Gold Platin
0,003% 0,002% 0,001% 0,00004% 0,00001% 0,0000005% 0,0000005%

Interessant ist auch, die Verteilung des Eisens (dem Element, um das es in diesem Kapitel eigentlich geht) auf und in der Erde zu betrachten:

Masse Eisenanteil (%) Eisenanteil (kg)
Erde insgesamt 5,974 × 1024 28,18% 16,8 × 1023 kg
Erdkruste 0,014 × 1024 4,7% 0,66 × 1023 kg
Erdmatel 4,08 × 1024 5,8% 2,37 × 1023 kg
Erdkern 1,88 × 1024 79,4% 14,9 × 1023 kg

Nur wenige Metalle kommen in der Natur gediegen vor, also chemisch ungebunden, z.B. Gold und Silber: Sie sind Edelmetalle, die nur schwach (wenn überhaupt) mit anderen Elementen reagieren und praktisch nicht korrodieren. Um das reine Metall zu gewinnen, muss man es „nur noch“ von Verunreinigungen trennen oder ausschmelzen.

Die meisten Metalle kommen in der Natur dagegen nur gebunden vor, also in Verbindung mit anderen Elementen, meistens Sauerstoff, Schwefel und/oder Kohlenstoff. Diese Verbindungen werden entweder Mineral oder Erz genannt. Ein Erz ist es dann, wenn der Abbau und die Verarbeitung gewinnbringend erscheinen. Je nach Begleitelement kennt man oxidische, sulfidische und carbonitische Erze.
Hier eine kleine Übersicht:

Gruppe Formel Chem. Name Mineral
Oxide Al2O3 × 2 H2O Aluminiumoxid Bauxit
Fe3O4 Eisen (II,III)-oxid Magnetit
SnO2 Zinn (IV)-oxid Zinnstein
Sulfide FeS2 Eisen (III)-Sulfid Pyrit
ZnS Zinksulfid Zinkblende
PbS Bleisulfid Bleiglanz
Carbonate FeCO3 Eisencarbonat Spateisenstein
MnCO3 Mangancarbonat Manganspat
PbCO3 Bleicarbonat Weißbleierz

Kupfer mineral erz.jpg Dodecahedral pyrite.jpg Piryt, Rumunia.jpg Vanadinite1.jpg

Kupfererz, Pyrit(2x), Vanadinit



Magnetit

Einige Erze kommen auch direkt an der Oberfläche zum Vorschein, z.B. Raseneisenerz, das nur noch eingesammelt werden muss. Mancherorts lässt sich reines Gold in einem Flussbett finden und muss nur noch heraus gewaschen werden. Dies waren in der Antike die wichtigsten Abbaumethoden. Den gigantischen weltweiten Bedarf, vor allem von Eisenerz, kann heute nur noch der industrielle Bergbau abdecken. Die Erze werden im Tagebau oder unter Tage abgebaut. 2005 wurden weltweit 1,5 Milliarden Tonnen Eisenerz zu Tage gefördert und knapp 800 Millionen Tonnen Roheisen daraus hergestellt.
(Ausführliche Tabellen siehe Liste der größten Roheisenerzeuger bzw. Eisenerzförderer)

Aufbereitung

Zusätzlich zu den Begleitelementen sind die Metalle mit allerlei Gestein verwachsen und enthalten noch Wasser und andere Verunreinigungen. Dieses Gemenge nennt man Gangart. In dieser Form ist es jedoch nicht zur Verhüttung geeignet. In der Aufbereitung müssen die Erze deshalb gereinigt, angereichert und in eine bestimmte Form, Größe und Festigkeit gebracht werden.

Anreichern

Das Erz wird auf Korngrößen von 0,01 bis 2 mm zermahlen und weiteren Trenn- und Reinigungsprozessen zugeführt.

Magnetscheidung 
Das gemahlene Erz wird auf einem Fließband an einem Magnetfeld vorbeigeführt. Magnetische Erze wie Magnetit (Eisenoxid) werden angezogen und von dem übrigen Gestein getrennt.
Nassaufbereitung 
Das gewünschte Erz besitzt eine bestimmte, relativ hohe Dichte, die über jener der Gangart liegt. Nun bereitet man eine Flüssigkeit zu, die in ihrer Dichte dazwischen liegt. Das schwere Erz sammelt sich am Grund, während die leichte Gangart an die Oberfläche geschwemmt wird.
Bei einer Variante benutzt man einen aufwärts gerichteten Wasserstrom, der nur die leichte Gangart nach oben spült und wegschwemmt.
Flotation 
Ebenfalls ein Verfahren, das mit Flüssigkeiten arbeitet. Jedoch wird hier das unterschiedlich hydrophile (wasseranziehende) bzw. hydrophobe (wasserabweisende) Verhalten der verschiedenen Materialien ausgenutzt. Ein Rührwerk hält die Teilchen in der Schwebe, während Luft eingeblasen wird. Diese schwemmt jene Teile an die Oberfläche, die weniger stark vom Wasser benetzt sind.
Rösten 
Hier werden die Erze starker Hitze ausgesetzt:
  • Sulfide und Carbonate werden in Oxide überführt
  • Dichte Erze werden rissig gemacht
  • SO2, CO2 und H2O werden ausgetrieben

Herstellen der Korngröße

Nach dem Anreichern muss das feingemahlene Erz auf eine für den Hochofenprozess geeignete Form gebracht werden. Staubförmiges Erz würde den Hochofen verstopfen. Die Masse muss so porös und locker sein, dass die Gichtgase problemlos entweichen können. Andererseits müssen die einzelnen Körner so fest sein, dass sie nicht von darüber liegendem Material zerdrückt werden und den Hochofen verstopfen.

Pellets 
Vermengt mit Wasser und Bindemitteln, wird der Erzstaub in Trommeln gerollt, so dass die Partikel verkleben.
Sintern 
Die Pellets werden bei 900 – 1.300 °C „gebacken“. Einige Bestandteile werden teigartig, andere beginnen zu schmelzen. Die Masse verklebt zu festen Stücken, die porös und damit gasdurchlässig sind.


Und noch einen Rohstoff gilt es aufzubereiten: Aus Kohle wird Koks

Wenn Steinkohle zu Tage gefördert wird, ist sie fest, dicht und hat einen hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen. Bei der Verkokung wird die Kohle unter Sauerstoffabschluss auf über 1.000 °C erhitzt, so dass die flüchtigen Bestandteile entweichen. Das sind z. B. Teer, Schwefelsäure und Stadtgas - übrig bleiben 80% Koks, der nun porös ist und damit den Gasstrom im Hochofen nicht behindert.

Verhüttung

Das aufbereitete Eisenerz wird schließlich im Hochofen zu Roheisen verarbeitet. Dazu wird es mit Zuschlagsstoffen (z. B. Kalk und Kies) vermengt und bildet den sog. Möller. Hochofenkoks dient als Energielieferant und Reduktionsmittel.

20050124 Vitkovice blast furnace.jpg Alto horno antiguo Sestao.jpg Clabecq JPG01.jpg

Aufbau des Hochofens

Der Hochofen ist ein Schachtofen mit einer Höhe von 25-30 m und einem Durchmesser von rund 15 Metern. Die gesamte Anlage ist bis zu 60 m hoch. Der Ofen ist mit feuerfestem Steinzeug ausgekleidet wird permanent mit Wasser gekühlt. Mittlere Öfen haben eine Tagesleistung von 6.000 Tonnen, große Anlagen erreichen bis zu 14.000 t Roheisen pro Tag. Der Hochofen ist 10 Jahre ununterbrochen in Betrieb und während dieser Zeit setzt er sich mehr und mehr mit Asche und Schlacke zu. Am Ende der "Ofenreise" sind umfangreiche Reparatur- und Modernisierungsmaßnahmen fällig - die feuerfeste Verkleidung wird komplett erneuert, und der Hochofen auf den neuesten Stand der Technik gebracht.

Aufbau eines Hochofens

Die beiden Ausgangsstoffe, Möller und Hochofenkoks, werden mit Förderkübeln oder auf Fließbändern zum oberen Ende des Ofens befördert (6). Von dort werden sie abwechselnd durch eine Schleuse in den Ofen geleitet. Während die Materialien nach unten sinken (8), strömen ihnen von unten die heißen Prozessgase entgegen, die das Erz trocknen und vorwärmen - und schließlich als Gichtgas entweichen (7). Das Gichtgas wird nicht einfach in die Atmosphäre geblasen, sondern den sogenannten Winderhitzern zugeführt (11).

Das Gichtgas enthält 20-30% Kohlenmonoxid, 20-25% Kohlendioxid und 45-60% Stickstoff. Es ist zwar brennbar, hat aber nur einen geringen Heizwert. Von Vorteil ist die hohe Menge an Wärmeenergie, die es aus dem Hochofen mitbringt. Im Winderhitzer werden die Gichtgase zusammen mit Erdgas verbrannt, um Speichersteine zu erhitzen. Anschließend wird „auf Wind“ geschaltet – frische Außenluft wird erhitzt und mit einer Temperatur von 1200 °C in den unteren Teil des Hochofens eingeblasen (1). Ein Hochofen ist in der Regel mit drei Winderhitzern ausgestattet, zwei arbeiten im Wechsel, einer bleibt in Reserve.

Hier in der Schmelzzone (2) verbrennt der Koks zu Kohlendioxid. Durch die eingeblasene heiße Frischluft verläuft die Verbrennung so heftig, dass Temperaturen bis 2000 °C entstehen. Roheisen und Schlacke schmelzen, sammeln sich am Grund des Ofens (9, 10) und warten auf den Abstich.

In der Kohlungszone (3) verbinden sich Eisen und Kohlenstoff zu Eisenkarbid – der Schmelzpunkt des Eisens sinkt. Außerdem wird das Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert, das nach oben steigt und in der Reduktionszone (4) das Eisenerz reduziert.

Ablauf der chemischen Reaktion

Die wichtigste chemische Reaktion im Inneren des Hochofens ist die Reduktion des Eisenoxids durch Kohlenstoff. Kohlenstoff hat eine größere Affinität zum Sauerstoff im Eisenoxid als das Eisen selbst. Er ist deshalb in der Lage, dem Eisenoxid Sauerstoff zu entziehen.

Reaktionszonen im inneren des Hochofen

Im Wesentlichen laufen im Hochofen (mit Zwischenstufen) drei chemische Reaktion ab:

1. Verbrennung des Kohlenstoffs 
Die Verbrennung des Kohlenstoffs wird durch die eingeblasene Luft so stark angefacht, dass Temperaturen von bis zu 2000 °C erreicht werden. Sie liefert sowohl die gesamte Energie für die folgenden Prozesse als auch das CO2 für die folgende Reaktion:
2. Das Boudouard-Gleichgewicht 
Kommt Kohlendioxid mit glühendem Kohlenstoff in Berührung, reagieren sie unter Bildung von Kohlenmonoxid. Diese Reaktion kann in beide Richtungen ablaufen (gekennzeichnet durch den Doppelpfeil in beide Richtungen).
Das Boudouard-Gleichgewicht beschreibt das Gleichgewicht zwischen beiden Seiten der Reaktion und ist von Temperatur und Druck abhängig. Hohe Temperaturen fördern die Bildung des Kohlenmonooxids, die endotherm abläuft (also unter Energieaufnahme). Hohe Drücke behindern sie.
Temperatur in °C 450 600 700 800 900 1000
CO2 in % 98 77 42 6 3 1
CO in % 2 23 58 94 97 99
Boudouard-Gleichgewicht bei 105 Pascal; siehe auch:
http://www.lpm.uni-sb.de/chemie/begleitmaterial/Ablauf.pdf (Seite 9 u. 13)
3. Die Reduktion des Eisenoxids
Die direkte Reduktion durch Koks bzw. Kohlenstoff hat einen relativ kleinen Anteil am Prozess – weit größer ist der Anteil der indirekten Reduktion durch Kohlenmonoxid. Im Gegensatz zum festen Koks kann das Gas bis in die kleinsten Poren des Erzes vordringen und ihm dort den Sauerstoff entziehen. Darüber hinaus verläuft die Reduktion aber in mehreren Einzelschritten:

In der Kohlungszone bildet sich aus Eisen und Kohlenstoff Eisenkarbid (Fe3C).

Insgesamt enthält das Eisen einen Gewichtsanteil von 3 - 4 % Kohlenstoff. Dabei sinkt sein Schmelzpunkt auf etwa 1150 °C gegenüber mehr als 1500 °C des reinen Eisens. (Eisen-Kohlenstoff-Diagramm)

Die Endprodukte: Roheisen und Schlacke

Der gesamte Prozess dauert rund acht Stunden. Die flüssigen Materialien sammeln sich am Grund des Hochofens. Etwa alle zwei Stunden erfolgt der Abstich. Dabei wird an der tiefsten Stelle im Hochofen ein Loch aufgebohrt, so dass Eisen und Schlacke zusammen mit einer Temperatur von mehr als 1400 °C abfließen können. Nach einer halben Stunde wird das Loch wieder mit einer keramischen Masse verschlossen.

Sand, Beton oder Ziegelsteine bilden eine Rinne – den so genannten „Fuchs“. Denn – schlau wie ein Fuchs – trennt diese Rinne Roheisen und Schlacke aufgrund ihrer Dichte voneinander. Die flüssigen Materialien weisen einen großen Unterschied in der Dichte auf – Roheisen etwa 7,8 g/cm³; Schlacke etwa 3 g/cm³. Im Prinzip verhalten sie sich wie Öl und Wasser, die zusammen in ein Glas gefüllt werden – der leichte Stoff schwimmt oben auf dem schwereren.

Schlacke, die im Wesentlichen aus Kalk und Silikaten (Silizium-Verbindungen wie Sand) besteht, ist nicht etwa Sondermüll, sondern ein wertvoller Rohstoff: Wird die flüssige Schlacke abgeschreckt, entsteht ein Granulat – Schlackensand – er wird in der Zementindustrie verarbeitet und ergibt einen Beton, der besonders wegen seiner Resistenz gegen aggressive Chemikalien und Streusalz geschätzt wird.

Das eigentliche Produkt aber ist Roheisen. Es enthält

  • 3-4 % (max. 5 %) Kohlenstoff
  • bis 3 % Silizium
  • bis 6 % Mangan
  • sowie Schwefel und Phosphor

Durch diese Zusammensetzung ist Roheisen sehr spröde und kann weder geschmiedet noch geschweißt werden. Bei zu großer Belastung bricht es, ohne sich vorher plastisch zu verformen. Diese Bruchfläche kann weiß oder grau gefärbt sein.

Graues Eisen hat einen hohen Siliziumgehalt. Silizium hat eine höhere Affinität zum Eisen als Kohlenstoff, verbindet sich also eher mit ihm und verringert die Bildung von Eisencarbid. Der Kohlenstoff liegt nun elementar vor und wird aus den Kristallen ausgeschieden. Daher die graue Färbung der Bruchfläche. Werden keine Forderungen an die genaue Zusammensetzung gestellt, kann das Eisen als Grauguss direkt verarbeit werden.

Beim weißen Eisen überwiegt die Wirksamkeit des Mangans. Es bewirkt sozusagen das Gegenteil von Silizium, sorgt also dafür, dass der Kohlenstoff an das Eisen gebunden wird, es bildet sich Eisenkarbid. Die Bruchfläche ist silbrig-weiß. Dieses Eisen wird zu Stahl verarbeitet. Es wird in Pfannen- oder Torpedowagen gefüllt, und die Reise ins Stahlwerk beginnt.

Stahlerzeugung

Ziel der Stahlerzeugung ist die Produktion von Stahl – zäh und zum Schmieden geeignet. Dem Roheisen muss dazu so viel Kohlenstoff entzogen werden, dass dessen Gehalt auf weniger als 2,06 % sinkt (meist ist es noch viel weniger). Dazu wird das Roheisen nach der Verhüttung in Konverter oder Pfannen gefüllt und Luft bzw. Sauerstoff eingeblasen, so dass der Kohlenstoff verbrennt. Dieser Vorgang wird Frischen genannt. Auch der in Erz und Schrott (Eisenoxid, Rost) enthaltene Sauerstoff bewirkt ein „Frischen“ des Eisens.

Vor der eigentlichen Stahlherstellung müssen dem Roheisen in der Regel noch Phosphor und Schwefel entzogen werden. Das geschieht meist auf dem Weg zum Frischen oder in speziellen Behältern. Dazu werden z.B. Kalk, Soda oder Calciumcarbid in die Schmelze eingebracht.

Mit der Sekundärmetallurgie erfolgt nach dem Frischen eine Analyse der Schmelze und die genaue Einstellung der Stahleigenschaften, die Zugabe von Legierungselementen und Zusatzstoffen, die das Gießverhalten beeinflussen. Früher geschah das im selben Behälter wie das Frischen. Heute wird die Rohstahlschmelze erst in Pfannen vergossen und dann weiterverarbeitet.

Historische Verfahren

Raffinierstahl

Vom Beginn der Eisenzeit bis ins späte Mittelalter wurde Eisenerz im sog. Rennofen verhüttet. Das Produkt war nicht wie das heutige Roheisen ein mit Schlacke durchsetzter Stahl mit sehr unterschiedlichen Kohlenstoffkonzentrationen, sondern ein inhomogener,schwammartiger Klumpen aus schmiedbarem Eisen, von dem Teile durchaus so mit Kohlenstoff angereichert sein konnten, dass sie Stahlqualität hatten. Diese sog. Luppe musste nun noch weiterverarbeitet werden: In einem arbeitsintensiven Schmiedeprozess wurden die Schlacketeile ausgeschmiedet, und durch mehrmaliges Falten und anschließendes Verschweißen des Stahls im Feuer wurde die Verteilung des Kohlenstoffs homogenisiert. Der so gewonnene Werkstoff wurde Raffinierstahl genannt und durch Schmieden zu Schwertern, Rüstungen, Werkzeugen und Gebrauchsgegenständen aller Art weiterverarbeitet. Dieses Prinzip blieb über gut zweitausenfünfhundert Jahre erhalten.

Die größte Veränderung des Verfahrens brachte die Mechanisierung im späten Mittelalter: Mit Wasserkraft wurden Blasebälge und mechanische Schmiedehämmer betrieben. Der Schmied war in seiner Arbeit nicht mehr auf seine Muskelkraft beschränkt, und die Produktivität wurde enorm gesteigert. Der  Frohnauer Hammer im Erzgebirge ist heute als technisches Museum ein gutes Beispiel für solch ein „Hammerwerk“. Neben den Hämmern, die 100 bis 250 kg wiegen und eine Schlagkraft von bis zu 12 t aufbringen können, sind dort auch eine mit Wasserkraft betriebene Drehmaschine und eine Bohrspindel zu finden.

Damaszenerstahl

Datei:Damaszener-Klinge.JPG
Klinge aus Damast-Stahl

Der Begriff Damaszener- oder Damast-Stahl leitet sich von der Stadt Damaskus im heutigen Syrien ab. Im Mittelalter war es ein Handelszentrum für Waffen aus dem Orient (jedoch war es kein Zentrum der Schmiedetechnik). Die Herstellung von Waffen hatte im Orient eine große Kunstfertigkeit erreicht und galt als höchste Form der Schmiedetechnik. In Damaskus wurde indischer und persischer Tiegelstahl (sog. Wootz), ein Kristallisationsdamaststahl, verkauft. Er unterscheidet sich wesentlich von dem in Europa erzeugten Schweißverbundstahl, der im Altertum aus verschieden legierten Stählen mit durch Verschweißen im Feuer und häufiges Falten erzeugt wurde. Die Möglichkeiten der Legierungserzeugung in früher Zeit sind noch nicht abschließend geklärt, man kann aber in vielen Fällen davon ausgehen, dass diese Schweißverbundstähle eher dekorativen Zwecken dienten und nicht gut härtbar waren. Das liegt an den teilweise geringen Kohlenstoffgehalten, aber auch signifikanten Beimengungen von Elementen wie Phosphor. Klingen der frühen Wikingerzeit zeigen oft einen zähen, aber mechanisch eher weichen Kern aus Damaststahl, jedoch Schneiden aus raffiniertem Stahl mit hoher Leistungsfähigkeit.

Moderner Damaszenerstahl ist ein Verbundwerkstoff aus Stählen mit unterschiedlicher Legierung, die nach der Fertigstellung der Klingen - Schmieden, Härten, Anlassen und den damit verbundenen Schleifvorgängen - durch ein geeignetes Ätzverfahren ein kontrastierendes Bild, gelegentlich auch ein Muster, zeigen. Die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Stähle sind meist auf ähnlichem Niveau, haben vergleichbaren Kohlenstoffgehalt und erreichen daher beim Härten vergleichbare Werte. Zudem kommt es, je dünner die einzelnen Stahllagen durch die Faltungsvorgänge werden, zu einem Ausgleich des Kohlenstoffgehalts durch Diffusion. Die früher häufig vertretene Ansicht, dass die guten Eigenschaften des Damaszenerstahls durch die Kombination 'harter' und 'zäher' Stahlsorten erreicht würden, sind längst überholt und widerlegt. Damaszenerstahl aus modernen Werkzeug- und Kaltarbeitsstählen ist in seinen Eigenschaften vergleichbar mit denen seiner einzelnen Komponenten, allerdings nur, wenn dieser Schweißverbundstahl kompetent und fehlerfrei hergestellt wurde.

Puddel-Verfahren

Im Jahre 1784 wurde in England das Puddel-Verfahren entwickelt. Henry Cort erkannte, dass der Kohlenstoff im Eisen verbrennt, wenn dieser mit Luft(-sauerstoff) in Berührung kommt. Erstmals wurden Feuerstelle und Eisenschmelze voneinander getrennt, so dass kein Kohlenstoff mehr in das Eisen gelangen konnte.

In der Brennkammer wird Kohle verbrannt, um das Eisen zähflüssig zu halten, das sich darüber auf dem muldenförmigem Herd befindet. Heiße Luft streift über das Eisen und verbrennt den Kohlenstoff. Die Eisenmasse wird vom Puddler mit einer langen Stange umgerührt, damit möglichst viel davon mit der Luft in Berührung kommt. Zusätzlich wurde Eisenerz zum Frischen zugesetzt. Mit sinkendem Kohlenstoffanteil steigt der Schmelzpunkt des Stahls, und es bilden sich feste Klumpen, die der Puddler mit einer Zange aus dem Ofen holt.

In gewisser Weise ebnete das Verfahren (neben Dampfmaschine und Hochofenkoks) den Weg zur industriellen Revolution. Erstmals konnte der ständig steigenden Bedarf der wachsenden Industrie gedeckt werden. Das Puddel-Verfahren war aber immer noch sehr zeit- und arbeitsintensiv (24 h für 300 kg Stahl), ermöglichte aber eine weit höhere Produktion als das Ausschmieden. Es brachte einen Stahl hervor, der – auch nach heutigen Maßstäben – als recht korrosionsbeständig gilt. Lange Zeit bestand die englische Marine auf seiner Verwendung, und viele bekannte Stahlbauwerke dieser Zeit wurden mit Puddel-Stahl erbaut, z.B. der Eiffel-Turm (7.300 t Stahl) und die Tower-Brücke.

Verfahren des industriellen Zeitalters

Obwohl das Puddel-Verfahren mit half, das industrielle Zeitalter einzuleiten, konnte es dem schnell wachsenden Bedarf der Industrie nicht gerecht werden. Was gebraucht wurde, war die Möglichkeit, Stahl günstig in Massenproduktion herzustellen. Dieser Stahl wird auch als Flussstahl bezeichnet.

Bessemer-Verfahren

Henry Bessemer untersuche in England die Möglichkeit, Massenstahl kostengünstig herzustellen. Er entwickelte 1855 - 1860 die sogenannte Bessemer-Birne. Das ist ein Konverter, durch dessen Boden Luft geblasen wird, um flüssiges Roheisen zu frischen (ein bodenblasender Konverter). Die Birnen fassen je nach Größe 1.000 bis 8.000 kg.

Bessemeranlage.jpg Bessemerbirne.jpg

Die Bessemer-Birne besteht außen aus Stahlblech und ist von innen mit feuerfesten keramischen Steinen ausgekleidet. Im Boden befindet sich ein Dutzend Löcher von etwa einem Zentimeter Durchmesser. Durch diese wird vorgewärmte Luft geblasen, bis der Kohlenstoffgehalt weit genug gesunken ist. Wann es soweit ist, erkennt der Fachmann an der Farbe der entstehenden Flammen.

Die Verbrennung setzt so viel Wärmeenergie frei, dass keine Wärmezufuhr von außen nötig ist. Der Prozess dauerte je nach Konvertergröße etwa 20 Minuten. Danach wurde, um gewünschte Stahleigenschaften einzustellen, eine Vorlegierung aus silizium- oder manganhaltigem Eisen zugegeben. Evtl. wurde noch einmal kurz aufgeblasen. Schließlich ließ man den flüssigen Stahl 5-10 Minuten stehen, damit gelöste Gase aus der Schmelze entweichen können. Danach wurde der Stahl vergossen.

Nachteil des Verfahrens 
Kohlenstoff wird zwar effektiv verbrannt und entweicht als gasförmiges Oxid - durch die Zusammensetzung der feuerfesten Steine kommt es aber bei Anwesenheit von Schwefel und Phosphor zur Bildung von Säuren, die nicht aus der Schmelze entweichen können. Schwefel und Phosphor sind in Stahl extrem unerwünscht, sie führen zur Entmischung der Schmelze (Seigerungen), zur Bildung von Hohlräumen (Lunkern) und zur Versprödung des Stahls. Daher kann nur Roheisen verarbeitet werden, das nicht mehr als nur geringe Spuren von Phosphor und Schwefel enthält.

Thomas-Verfahren

Mit eben diesem Problem beschäftigte sich der Engländer Sidney Gilchrist Thomas. Er entwickelte 1878 zusammen mit seinem Vetter Percy Carlyle Gilchrist die Thomas-Birne.

Das Bessemer-Verfahren wurde im Prinzip beibehalten. Auch die Bauform des Konverters blieb erhalten, jedoch wurde die Zusammensetzung der feuerfesten Innenausmauerung entscheidend verändert: Thomas verwendete Dolomit. Statt einer sauren fand nun eine basische Reaktion zwischen Schmelze und Auskleidung statt. Die Schwefel- und Phosphorsäuren wurden neutralisiert. Das entstehende Phosphorpentoxid wurde mit Kalkstein verschlackt und stellt fein zermahlen als Thomasmehl einen wertvollen Phosphatdünger dar.

Nachteil des Verfahrens 
Durch die Verwendung von normaler Außenluft, die 78% Stickstoff und Spuren von Wasserstoff enthält, wurden diese Elemente in der Schmelze gelöst. Sie bewirken eine erhebliche Versprödung des Stahls, besonders bei niedrigen Temperaturen.

Siemens-Martin-Verfahren

Das Verfahren von Siemens und Martin ist (wie das Puddel-Verfahren) ein Herdfrisch-Verfahren und stellt eine erhebliche Verbesserung der Möglichkeiten zur Herstellung von Tiegelstahl dar. Von großer Bedeutung für die Entwicklung war die Regenerativfeuerung von Siemens, die wesentlich höhere Temperaturen ermöglicht, sowie die Ofenverkleidung von Martin, um diesen Temperaturen überhaupt standzuhalten.

Aufbau des Siemens-Martin-Ofens

Friedrich Siemens meldete 1856 ein Patent auf seine Erfindung des Regenerativ-Ofens an. Durch die Vorwärmung von Luft und Brenngasen durch heiße Abgase konnte bei der Verbrennung eine Temperatur von 1800 °C erzeugt werden. Jedoch gelang es den Gebrüdern Siemens (noch) nicht, mit diesem Verfahren flüssigen Stahl zu erzeugen, da die damalige Verkleidung des Schmelzofens diesen Temperaturen nicht gewachsen war und schon bei 1600 °C schmolz. Sie konnten die Regenerativfeuerung jedoch erfolgreich in der Glasindustrie einsetzen, und Siemens wurden in der Folge zu Europas größtem Glashersteller.
(Nur wenige Namen sind mit der deutschen Industriewirtschaft so sehr verbunden wie Siemens)

Den nächsten wichtigen Impuls lieferten der Franzose Émile Martin und sein Sohn Pierre-Émile. Sie wurden auf die Regenerativ-Befeuerung von Siemens aufmerksam, erwarben von ihnen Lizenzen und Zeichnungen und entwickelten eine Ofenverkleidung, die den enormen Temperaturen standhielt.

Über eine Rinne wurde der Herd mit flüssigem Roheisen befüllt, über einen Chargierkran mit festen Zuschlagsstoffen und Schrott. Erze und Rost bewirkten das Frischen, und auch die Flammgase hatten eine oxidierende Wirkung. Das Recycling von Schrott machte das Verfahren damals so wirtschaftlich.

In Frankreich wurde 1864 der erste Siemens-Martin-Ofen in Betrieb genommen, 1869 bei Alfred Krupp in Essen und Berlin. Es dauerte bis zur Jahrhundertwende, bis alle Anfangsschwierigkeiten überwunden waren. In Deutschland hatte das Verfahren 1915 einen Anteil von 50 % an der Produktion, in den 40´er Jahren waren es weltweit 75 %. In seiner über hundertjährigen Geschichte wurde die Produktivität des Ofens von knapp 10 auf über 600 Tonnen gesteigert! Ende der 70´er Jahre ging der Anteil an der Produktion stark zurück und war Mitte der 80´er Jahre fast völlig verschwunden. Das Verfahren war zu energieaufwändig und wurde vom LD- und vom Elektrostahlverfahren abgelöst.

Aktuelle Verfahren

Sauerstoffaufblass-Verfahren

Dieses Verfahren wird auch als Linz-Donawitz-Verfahren (LD-Verfahren) bezeichnet und wurde 1952 bei der Voest-Alpine-Stahl AG erfunden. Linz und Donawitz sind zwei Städte in Österreich, wo das Verfahren erstmals angewendet wurde. Weltweit wird heute ca. 60% der Stahlproduktion mit dem LD-Verfahren betrieben.

Im LD-Konverter wird reiner Sauerstoff auf die Schmelze geblasen. Die Reaktion erfolgt äußerst heftig. Die hohe kinetische Energie des aufgeblasenen Sauerstoffstrahls wirbelt die Schmelze auf. Somit gelangt immer neue Schmelze an die Oberfläche, wo der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff zu Kohlenmonoxis umgesetzt wird. Dabei wird so viel Wärmeenergie frei, dass von außen keine mehr zugeführt werden muss. Zusätzlich kann durch den Boden Argon-Gas (ein reaktions-neutrales Edelgas) in den Konverter geblasen werden, um die Durchmischung der Schmelze zu optimieren. Die Blasdauer beträgt 10 bis 20 Minuten. Die Konverter können bis zu 400 Tonnen fassen.

Elektrostahl-Verfahren

Lichbogen

Rohstahl kann, wie bis hierher beschrieben, über die Hochofenroute hergestellt werden oder über das Elektrostahl-Verfahren im Lichtbogenofen. Dabei werden Roheisen und Stahlschrott nicht durch chemische Energie (Verbrennung) erhitzt und geschmolzen, sondern durch elektrischen Strom.

Zwischen Grafitelektroden und Ofeneinsatz liegt eine Spannung von mehreren 1000 Volt an. Die eigentlich nicht-leitende Luft dazwischen wird durch Stoßionisation in leitfähiges Plasma verwandelt. Dabei entsteht ein Lichtbogen, der Temperaturen bis 3500 °C erzeugen kann. Auf diese Weise können selbst hoch schmelzende Legierungselemente wie Molybdän geschmolzen werden.

Neben dem Frischen von Roheisen ist der Lichtbogenofen in der Weiterverarbeitung (Sekundärmetallurgie) von größter Bedeutung.

Sekundärmetallurgie

Zu Zeiten der Bessemer-Birne war der metallurgische Prozess mit dem Frischen beendet. Der gewünschte Kohlenstoffanteil wurde mehr oder weniger genau erreicht und der Stahl wurde vergossen.

Heute sind die Anforderungen an den Stahl weit höher, und es sind noch umfangreiche Nachbehandlungsverfahren nötig, um diese zu erfüllen. Dazu wird die Schmelze in Pfannen genannte Behälter gefüllt, und es erfolgt eine Analyse der Zusammensetzung. Die schnellste und genaueste Methode ist heute die Spektroskopie (wird Materie verdampft, erzeugt jedes der enthaltenen Elemente spezifische Spektrallinien, anhand derer das Element und sein Massenanteil genau bestimmt werden kann). So wird festgestellt, wie viele Fremdstoffe noch entfernt werden müssen – so viel wie möglich; aber nur soviel wie unbedingt nötig.

Es gibt Verfahren unter normalem Druck und solche unter Vakuum:

  • Unter Normal-Druck werden inerte Spülgase eingesetzt wie reaktions-neutrales Argon, um die Schmelze aufzuwirbeln. So wird sie homogenisiert und ihre Bestandteile fein verteilt. Außerdem werden andere gelöste Gase ausgetrieben. Außerdem gibt es Verfahren mit aktiven Prozessgasen, die mit bestimmten Fremdstoffen reagieren und diese austreiben.
  • Das Vakuum-Verfahren ist zwar aufwendiger, aber bestimmte Qualitäten lassen sich nur so herstellen, denn im Vakuum ist die Entgasung naturgemäß wesentlich effektiver. Auch hier wird teilweise mit inerten Spülgasen gearbeitet.
  • Einen besonderen Stellenwert hat das Elektroschlacke-Umschmelzverfahren bei der Herstellung ganz besonders hochwertiger Sorten. Es wird im Vakuum und teilweise unter Einsatz von inerten Spülgasen durchgeführt. Dabei wird ein bereits fester Block in flüssige Schlacke getaucht. Der Block dient als Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens, dessen Hitze den Stahlblock schmelzen lässt. Der flüssige Stahl fließt durch die Schlacke, die als eine Art Filter dient und Verunreinigungen effektiv entfernt, insbesondere oxidische und sulfidische Schlacken. Darunter erstarrt der gereinigte Stahl in gerichteter Weise. Das Gefüge ist dadurch besonders gleichmäßig ausgebildet, Seigerungen sind praktisch ausgeschlossen.

Zur Sekundärmetallurgie gehört auch das Zusetzen der Legierungsbestandteile. Über deren Einfluss siehe Einfluss der Legierungselemente. Sobald die Nachbehandlung abgeschlossen ist, kann gegossen werden.

Gießverfahren

Die Fertigungstechnik nennt diesen Schritt Urformen. Denn hier wird einer flüssigen, formlosen Masse das erste Mal feste Urform gegeben. Das flüssige Metall stammt meist aus dem Hochofen bzw. aus der Sekundärmetallurgie, wo es aufbereitet wurde. Andererseits gibt es neben dem Elektro-Lichtbogen-Ofen einige Öfen, um festes Material einzuschmelzen.

  • der Kupol-Ofen ähnelt in seinem Aufbau dem Hochofen, er wird aber ausschließlich zum Einschmelzen von Metall verwendet. Als Brennmaterial diente Kohle oder Koks, später Öl oder Gas. Durch die chemische Wärmegewinnung wurde aber immer auch das Metall beeinflusst.
  • Der Induktionsofen verwendet wie der Lichtbogen-Ofen elektrische Energie, um das Metall aufzuschmelzen. Die Wärme wird hier aber durch ein starkes Induktionsfeld geliefert, das im Metall Wirbelströme erzeugt. So ist eine chemische Beeinflussung der Schmelze ausgeschlossen.

Giessvorgang.jpg Casting.jpg

Formguss

Im Formguss werden Werkstücke erzeugt, die schon in der Rohform ihrer Endform sehr nahe kommen. Ihre endgültige Form erhalten sie durch (minimale) spanende Bearbeitung (Lagersitze, Gewinde usw). Die Herstellung der Gussformen ist aufwendig und kostenintensiv. Die Formen und/oder Modelle lassen sich aber meist wiederverwenden, sodass sich diese Kosten auf eine ganze Serie verteilen. Das Gießen kann je nach Werkstückform wirtschaftlicher sein als das Umformen oder die Zerspannung, z.B. bei großen Maschinen- oder Motorgehäusen (man denke an große Schiffsdieselmotoren). Oft werden auch gerade die speziellen Eigenschaften der Gusswerkstoffe gebraucht, besonders ihre Eigenschaft, mechanische Schwingungen und damit Geräusche zu dämpfen. Da sich diese Werkstoffe nicht umformen lassen, werden sie im Formguss verarbeitet: Die Form, in die das flüssige Metall gegossen wird, stellt ein Negativ des Produkts dar, das hergestellt werden soll. Man unterscheidet zwischen verlorenen und Dauerformen.

L-giessen.png SandMoldCopeDragCores.jpg

Die braunen Rohre im linken Bild sind sog. Kerne. In ihrer Stelle wird das Werkstück Hohlräume erhalten.

Bei der Gestaltung der Gussformen muss die Schwindung der Gussteile beim Abkühlen beachtet werden, sie beträgt je nach Material 0,5 - 2 %. Die Formen und Modelle müssen dementsprechend größer sein. Der Konstrukteur muss bei der Festlegung der Wandstärke nicht nur der Bauteilfestigkeit Rechnung tragen, sondern auch der gießtechnischen Machbarkeit: zu große Wandstärken können zu Problemen führen (siehe Gussfehler). Besonders dünne Wandstärken (z. B. bei Rippen) lassen sich nur herstellen, wenn Flüssigkeitsdruck und Fließgeschwindigkeit hoch genug und die Formwände glatt genug sind. Ansonsten ist die Formfüllung nicht gegeben und das Werkstück enthält Lücken. Gussformen müssen meist Formschrägen (auch Aushebeschrägen genant) erhalten, damit das Werkstück nach dem Guss aus der Form gehoben werden kann.

Verlorene Formen

Sie werden aus Quarzsand oder Ton hergestellt und mit Bindemitteln gefestigt. Ihre Gestalt erhalten sie entweder von Hand oder indem ein Modell des Produkts wie ein Stempel in den Sand gepresst wird.

Kompliziertere Formen werden im Wachsausschmelz-Verfahren hergestellt. Das Modell besteht aus Wachs oder niedrigschmelzendem Kunststoff und wird im Formstoff eingebettet.
Beim Feinguss wird das Modell nicht mit Sand, sondern mit einer keramischen Masse umhüllt. Die Oberflächenqualität ist deutlich besser als bei Sand als Formstoff.

Beim Giessen verbrennt, schmilzt oder verdampft das Modell – oder die Grünform wird vorher gebrannt, wobei das Modell ausschmilzt und Hohlräume für das Gusswerkstück zurücklässt.

Beim Gießen wird das Bindemittel (meist auf Kunstharzbasis) durch die enorme Hitze zerstört. Die Form geht beim Herauslösen des fertigen Gussstücks verloren. Verunreinigungen z. B. festgebrannter Sand wird durch Sandstrahlen entfernt.

Dauerformen

Abhängig von ihrer Standzeit können mit Dauerformen viele Werkstücke hergestellt werden. Dazu muss das Formmaterial den enormen Temperaturen der Schmelze widerstehen können, also eine hohe Warmfestigkeit besitzen. Außerdem muss es sehr verschleißfest, korrosions- und verzunderungsbeständig sein. Hier werden meist hochlegierte, hochwarmfeste Werkzeugstähle verwendet.

Druckguss-Verfahren

Druckguss

Das Druckgussverfahren ist wegen der hohen Beanspruchung der Werkzeuge nicht für Eisen- und Stahlguss geeignet. Dafür findet es bei niedrigschmelzenden Werkstoffen wie Aluminium, Magnesium, und Zink verstärkt Anwendung. Unter Druck und mit hoher Geschwindigkeit wird das flüssige Metall in eine Dauerform gepresst. Mit diesem Verfahren können nur kleine Teil bis wenige Kilogramm hergestellt werden, dafür mit einer hohen Taktrate von einigen hundert Stück pro Stunde.

Block- und Strangguss

Umformbare Werkstoffe werden in Kokillen zu sog. Blöcken vergossen. Kokillen bestehen meist aus Sphäroguss sind besonders einfach gehaltene Gussformen. Ihre Seitenwände sind angeschrägt, damit sie vom erstarrten Block abgehoben werden können. Der Blockguss wird noch zur Herstellung von großen Schmiede-Rohlingen, speziellen Legierungen oder bei geringen Produktionsmengen eingesetzt. (spezielle Stahlsorten, einmalige Chargen). Der Guss kann von unten durch ein Loch im Boden der Kokille erfolgen (steigender Guss), um eine hohe Gussqualität zu erzeugen – jedoch ist die nötige Anlage sehr komplex. Oder die Kokille wird von oben befüllt (fallender Guss) – dabei kommt es aber zu Metallspritzern, die schnell erstarren. Sie führen später zu Oberflächenfehlern, die nur schwer herauszuschmieden sind.

Die Kokillen fassen je nach Größe 1 bis 400 Tonnen, entsprechend dauert das Erstarren 1 - 80 Stunden. Durch aufgeschwemmte Schlacke kommt es fast immer zu mehr oder weniger großem Kopfabfall.

Höchste Produktivität wird bei Massenstahl durch das Stranggießen erzielt. Durch den kontinuierlichen Erstarrungsprozess entfallen die oben genannten Nachteile.

Stranggussprinzip.png

Das Metall wird durch eine nach unten offene Kokille gegossen. Diese besteht aus Kupfer und wird ständig mit Wasser gekühlt. Das Metall ist am Rand schon fest, während der Kern noch flüssig ist. Diesen „Schlauch“ nennt der Stahlwerker Bramme. Sie wird von einem Walzengerüst um 90° umgelenkt und nun horizontal direkt den Walzen zugeführt, um Halbzeuge herzustellen.

Gegenüber dem Blockguss sind die Abmessungen des Produkts deutlich stärker eingeschränkt. Der max. Abmessungen sind in der Breite und Tiefe deutlich kleiner als 1m. Werkzeuge zum Tiefziehen von Motorhauben können somit nicht im Strangguss hergestellt werden. Die maximal möglichen Abmessungen für eine Stahlsorte sind unter anderem durch die Seigerungsanfälligkeit bedingt. Während des Erstarren einer Legierung findet eine Entmischung der Legierung statt, so dass die Legierungszusammensetzung vom Rand zum Kern verändert. Das Material ist im Querschnitt nicht homogen. Ebenso können während der Erstarrung kleine Hohlräume (Poren) entstehen, welche in den Folgeschritten wieder aufwändig geschlossen werden müssten. Die möglichen Abmessungen sind so gewählt, dass die Homogenität im Querschnitt den Qualitätsansprüchen noch gerecht wird.

Beruhigter und unberuhigter Stahl

Ob ein Stahl beruhigt oder unberuhigt ist, wird durch Zusätze in der Schmelze festgelegt, und hat großen Einfluss auf den Erstarrungsprozess und die Eigenschaften des Werkstücks.

Unberuhigter Stahl (Norm G1)

In der Schmelze ist immer auch noch etwas Sauerstoff enthalten und an das Eisen gebunden (FeO). Beim Erkalten des Eisen wird wegen der Änderung des Lösungsvermögens Kohlenstoff frei, der mit diesem Sauerstoff reagiert.

Das aufsteigende Kohlenmonoxid erzeugt eine Strömung, die niedrigschmelzende Verunreinigungen zur Blockmitte transportiert. Im Kern kommt es verstärkt zu Seigerungen und anderen Gitterstörungen. Ein Teil der Gasblasen bleibt dicht unter der Oberfläche stecken, lässt sich aber durch Walzen verschweißen. Der Stahl weist geringe Schwindung, flache Lunker und eine glatte Oberfläche auf, aber auch Alterungserscheinungen. Anwendung findet unberuhigter vergossener Stahl, wo geringe Anforderungen an den Kern und dafür hohe an die Oberfläche gestellt werden: Drähte, Bleche und Bandstahl.

Mit modernen Gießverfahren (Strangguss) kann unberuhigter Stahl nicht vergossen werden. Er wurde nur beim Blockguss angewendet.

Beruhigt vergossener Stahl (Norm G2, G3, G4)

Hier werden dem Sauerstoff in der Schmelz andere Reaktionspartner angeboten, z.B. Aluminium. Statt gasförmigem Kohlenmonoxid entsteht flüssige Schlacke, die teilweise nach oben steigt (es entsteht „Kopfabfall“ – verringerte Ausbringung) und teilweise feinverteilt im Block vorliegt. So ist es bekannt, dass Aluminiumoxid sogar zur Festigkeit beiträgt.

Auch gelöster Stickstoff, verantwortlich für Versprödung und Alterung, wird in der Schlacke gebunden. Seigerungen werden unterdrückt, da die „Ausweichplätze“ für Verunreinigungen schon von Schlacketeilchen besetzt sind. Der Stahl kann noch so oft gewalzt oder geschmiedet werden, die Schlacketeilen drücken immer wieder durch und sorgen für eine grobe Oberfläche. Diese wird daher in der Regel spanend entfernt. Verwendet wird beruhigt vergossener Stahl, wo hohe Anforderungen an den Kern gestellt werden, aber nur gering an die Oberfläche: Schmiederohteile, dynamisch belastete Teile (Alterungsbeständigkeit), massive Teile für die spanende Bearbeitung.

Alle modernen Stranggussanlagen können nur beruhigten Stahl verarbeiten. Systembedingt werden dabei die oben dargestellten qualitativen Nachteile beim Blockguss durch höheren Reinheitgrad des vergossenen Stahles kompensiert. Es ist heute möglich, höchste Anforderungen an Reinheit und Oberflächenqualität durch beruhigten Stahl auf Stranggießanlagen herzustellen.

Gussfehler

Lunker

Lunker sind Schwindungshohlräume, die beim Erstarren der Schmelze entstehen. Beim Erkalten verringert sich das Volumen, besonders bei Übergang flüssig nach fest. Wird flüssige Schmelze von bereits festem Material eingeschlossen, kann nichts mehr nachfließen, wenn die Schmelze erstarrt und weiter schrumpf – Hohlräume sind die Folge.

Poren oder Mirkrolunker entstehen an der Oberfläche bzw. im Inneren des Werkstücks durch eingeschlossene Glasblasen.

Seigerungen

Seigerungen entstehen durch Entmischung der Schmelze, stellen also lokale Unterschiede in der Zusammensetzung dar.

Kristallseigerungen 
das sind Konzentrationsunterschiede innerhalb der einzelnen Kristalle. Diese Seigerungen sind die einzigen, die durch ein Homogenisierungsglühen (siehe Wärmebehandlung) wieder aufgelöst werden können.
Blockseigerung 
Bestandteile mit relativ niedriger Schmelztemperatur werden vor der Kristallisationsfront höherschmelzender Bestandteile hergetrieben. Auch die Strömung aufsteigender Gasblasen kann Blockseigerungen verursachen. Entlang der Längsachse des Block treten starke Entmischungen auf, die nicht wieder ausgeglichen werden können.
Schwerkraftseigerung 
Bei Legierungen, deren Bestandteile hohe Unterschiede in der Dichte aufweisen, können Schwerkraftseigerungen auftreten. Besonderes bei langsamer Abkühlung schwimmen leichte Bestandteile nach oben, während schwere nach unten sinken.

Walzverfahren

Das Walzwerk ist der letzte Schritt, den umformbare Werkstoffe auf dem Weg zum Halbzeug gehen. Die erstarrten Blöcke aus dem Kokillenguss werden entweder durch Schmieden weiterverarbeitet oder dem Walzwerk zugeführt. Beim Strangguss-Prinzip geht die Verarbeitung der Brammen nahtlos ins Walzen über. Aus ihnen werden Produkte wie Form- und Stabstähle sowie Bleche und Sonderprofile hergestellt.

Palanquilla.jpg

Walzen als Umformverfahren

Die Fertigungstechnik kennt Umformverfahren wie das Schmieden, Biegen, Tiefziehen usw. – und das Walzen. Es liegt in der Natur dieser Verfahren, dass bei der Formänderung weder Material zugeführt noch abgetragen wird; die Masse und damit das Volumen bleibt konstant. Zum Beispiel ist die Verkleinerung des Stirnquerschnitts mit einer proportionalen Verlängerung des Werkstücks verbunden (A0 × l0 = A1 × l1). Ein großer Vorteil ist es, dass der Faserverlauf im Werkstück erhalten bleibt. Das wirkt sich günstig auf die Festigkeit der Bauteile aus, da der Kraftfluss nicht unterbrochen wird bzw. sanft umgelenkt wird.

Umformung durch Walzen

Um Werkstoffe umzuformen, ist ein erheblicher Kraftaufwand nötig: Die Streckgrenze Re bzw. Rp0,2 muss überschritten werden, um das Fließen einzuleiten. Während Zerspanungskräfte eher punktuell wirken, sind Umformkräfte linien- oder flächenförmig verteilt. Die Arbeitstemperatur hat einen wesentlichen Einfluss auf den Kraftaufwand bzw. das Umformvermögen des Werkstücks. Allgemein gilt: je höher die Temperatur, umso geringer der Kraftaufwand. Die Belastung der Werkzeuge steigt jedoch.

Bei der Umformung gibt es eine entscheidende Grenztemperatur: die Rekristallisationstemperatur. Oberhalb dieser Temperatur bilden sich die Kristalle im Metall neu. Stark verspannte Kristalle zerfallen zu feinem Korn. Bei übermäßig hohen Temperaturen kann unerwünscht grobes Korn wachsen.

Die Rekristallisationstemperaturen einiger Metalle
Metall Pb, Sn, Zn Mg, Al Cu Fe Stahl Ni Mo W
Temp. [°C]
20
150
200 450 600 600 900 1200

Abhängig von dieser Grenztemperatur unterscheidet man Warm- und Kaltumformung:

  • Kaltumformung : Bei jeder Umformung tritt Kaltverfestigung auf. Teilweise ist sie erwünscht und wird gezielt zur Festigkeitssteigerung des Werkstücks eingesetzt. Dabei sinkt jedoch die Bruchdehnung und der Kraftaufwand für weitere Umformungen steigt. Ist das Umformvermögen des Werkstoffs erschöpft beginnt er zu reißen. Um das zu verhindern, muss vor weiterer Umformung ein Rekristallisations- oder sogar Weichglühen durchgeführt werden.
  • Warmumformung : Diese Wirkung tritt bei der Warmumformung nicht auf. Jede Verspannung der Kristalle wird sofort wieder abgebaut. Außerdem ist der Kraftaufwand zur Umformung wegen der reduzierten Festigkeit des Werkstoffs bei hohen Temperaturen reduziert. Es gibt aber auch Nachteile: Metalle neigen zur Verzunderung, einer beschleunigten Korrosion durch die hohen Temperaturen. Die Werkzeuge sind erheblichem Verschleiß ausgesetzt. Besonders belastend sind schnelle Wechsel zwischen Abkühlen und Erwärmung.

Die Walzstraße

Ein Paar Arbeits- und Stützwalzen

Auf dem Weg zum Halbzeug durch die Walzstraße durchläuft der Stahl etliche Walzvorgänge – genannt „Stich“. Die Gesamtheit der Walzen für einen Prozessschritt wird Gerüst genannt. Je nach Prozessfortschritt heißen sie Vorgerüst, Gerüst und Dressiergerüst. Das Walzen beginnt immer mit dem Warmwalzen bei einer Arbeitstemperaturen von bis zu 1.280 °C.

Ein „Stich“ besteht eher selten nur aus einem Paar Arbeitswalzen. In der Regel werden sie von einem Paar oder mehr Stützwalzen unterstützt. Alleine biegen sich die Arbeitswalzen durch ihre Länge unter Last durch – ballige Werkstücke wären das Ergebnis. Außerdem sind kleinere Arbeitswalzen wirtschaftlicher als große. Ein Beispiel: Ein Walze mit halbem Umfang mag doppelt so schnell verschleißen, gemessen an ihrem Volumen hält sie aber doppelt so lange.

  • Im Vorgerüst wird der Stahl „durchgeknetet“, um das Gefüge allseitig auszurichten. Die Blöcke und Brammen werden grob in die gewünschte Form gebracht.
  • Das Gerüst stellt die Fertigform her, wenn es beim Warmwalzen bleiben so. Durch seine Verlängerung erreicht das Material in der Walzstraße Geschwindigkeiten von 80 km/h. Am Ende wird Stangenmaterial abgelagert, und Bleche und Bänder zu sog. „Coil“ von bis zu 45 Tonnen Gewicht aufgerollt.
  • Soll Kaltgewalzt werden, muss vorher gebeizt werden. Schwefel- oder Salzsäure entfernen die Zunderschicht.
  • In der Kaltstraße werden Profile und Bleche (0,45 – 4,0 mm) nach Norm hergestellt. Mit dem Dressiergerüst kann auf hundertstel Millimeter genau gefertigt werden. Hier wird die geforderte Ebenheit und Oberflächengüte erzeugt, sowie spezielle Oberflächenstrukturen, wie z.B. Riffelblech.
  • Durch das Walzen ist eine Kaltverfestigung eingetreten. Diese werden je nach Kundenwunsch ganz oder teilweise durch Rekristallisationsglühen wieder abgebaut, um weitere Umformung zu ermöglichen.
  • In vielen Walzstraßen ist eine Verzinkungsanlage integriert. Besonders Bleche werden zum Korrosionsschutz mit Zink in einer Auflage von 100 - 700 g/m² überzogen.

Die Produkte

Die Produkte der Walzstraße sind genormte Halbzeuge in festen Abmessungen

  • Formstähle sind Schienen für den Gleisbau und Profil, wie sie besonders im Stahlbau verwendet werden (T-Träger usw.)
  • Stabstähle besitzen geometrisch einfache Querschnitte (Quadrat, Recheck, Sechseck, Rund ...) und werden in der Zerspanung oder als Schmiederohlinge (Flach- und Rundstahl) verwendet.
  • Bleche werden für Verkleidungen und Karosserien verwendet. Durch gezielt Umformung können besondere Trägerprofile realisiert werden
  • Rohre: sie gibt es geschweißt oder Nahtlos. Sie dienen zur Fluidführung oder als Träger im Leichtbau. Neben den klassischen Rundrohren gibt es z.B. Vierkantrohre.

Weblinks