Metalle I Grundlagen und Eisenwerkstoffe

Metalle I – Grundlagen und Eisenwerkstoffe

Übersicht

• Geschichte und Konstruktionsbeispiele
• Metallkundliche Grundlagen
• Eisenwerkstoffe
  • Vom Eisenerz zum Roheisen
  • Gusseisen
  • Stahl
• Eisenbegleiter und Legierungselemente

Geschichte und Konstruktionsbeispiele

• Eisenzeit (Mitteleuropa ab ca. 800 v. Chr.)
  • Waffen
  • Schmuck
• Eisenerzeugung im Rennofen (1000 – 1200 °C)
• Erste Brücke aus „Eisen“ (Gusseisen) The Iron Bridge (1779)
  • Spannweite: ca. 30m
• Brücken aus Stahl
  • Firth of Forth Railway Bridge (1892 – 1890) (erste Großbrücke aus Stahl)
    • Höhe: 110 m
    • Spannweite: 521 m
    • 54.000 Tonnen Stahl
    • 6,5 Millionen Nieten
  • Golden Gate Bridge (USA, 1933) (Hängebrücke)
    • Höhe: 227 m
    • Spannweite: 1.280 m
    • Ø Tragseil: 0,92 m
• Sonderbauten
  • Münchener Olympiastadion (Stahl, Kunststoff, Deutschland 1972)
• Stahlverbundbau
• Metallschäume

Metallkundliche Grundlagen

• Einteilung der Metalle
• Kennwerte von Eisen
• Das Metallgefüge
  • Gittertypen
    • Bindungsart: Metallische Bindung
      • Elektrische Leitfähigkeit
      • Mischbar (legierbar)
      • Gute Verformbarkeit
      • Hohe Wärmeleitfähigkeit
      • Isotropes (ungerichtetes) mechanisches Verhalten
    • Bei mechanischer Belastung: Elasto - Plastisches Verhalten!
  • kubisch-flächenzentriert (kfz)
    • Gleitsystem:
      • 4 Gleitebenen
      • 3 Gleitrichtungen
      • 12 Gleitmöglichkeiten
    • Packungsdichte: 74 %
    • Gute Verformbarkeit
    • Vertreter:
      • γ-Eisen
      • Aluminium
      • Blei
      • Nickel
      • Kupfer
  • kubisch-raumzentriert (krz)
    • Gleitsystem:
      • 6 Gleitebenen
      • 2 Gleitrichtungen
      • 12 Gleitmöglichkeiten
    • Packungsdichte: 68 %
    • Mäßige Verformbarkeit
    • Vertreter:
      • α-Eisen
      • Chrom
      • Molybdän
      • Wolfram
      • Vanadium
  • Hexagonales Gitter (dichteste Packung (hex))
    • Gleitsystem:
      • 1 Gleitebenen
      • 3 Gleitrichtungen
      • 3 Gleitmöglichkeiten
    • Packungsdichte: 74 %
    • Schlechte Verformbarkeit
    • Vertreter:
      • Zink
      • Magnesium
      • Titan
  • Bildung des Gefüges aus der Schmelze (~ 1536 °C)
    • Abkühlung von reinem Eisen
    • Vorgänge im atomaren Bereich!
  • Abkühlkurve von Eisen
    • Allotrope Umwandlung = Umwandlung im Festkörper!
  • Bildung des Gefüges aus der Schmelze (~ 1536 °C)
    • langsames Abkühlen
    • rasches Abkühlen!
  • Schliff eines Ferritisch(hell)-perlitisches(dunkel) Gefüges
  • Legierungen (Legieren = Verschmelzen)
    • Mischkristalle
    • Kristallgemische
      • Ausbildung des Legierungstyps hängt maßgeblich ab von:
        • Art der Legierungspartner
        • Anteile der Partner
        • Temperatur
  • Nachhaltigkeit (Bauwesen)
    • Bsp. Stahl
      • Zu 100 % wiederverwertbar
      • 12 % direkte Wiederverwendung
      • 88 % wird im Hochofen aufgeschmolzen

Vom Eisenerz zum Roheisen

• Erzeugung von Roheisen
  • Eisenerz
    • Zumeist Eisenoxide oder -karbonate:
      • Magnetit (Fe3O4) - schwarz
      • Hämatit (Fe2O3) - rot
      • Siderit (FeCO_3) – gelb/braun/schwarz
• Historische Eisenerzerzeugung mit dem Rennofen
• Aufbau eines Hüttenwerks
• Aufbau eines Hüttenwerks
  • Steinkohle
  • Koks
  • Pyrolyse bei rd. 1000°C unter O2 – Abschluss
• Erzeugung von Roheisen – der Hochofen
• Erzeugung von Roheisen – Direktreduktion
  • Temperatur von max. 1000°C (keine Aufschmelzung)
  • Prozessgase werden von außen zugeführt
  • Direktreduktion:
    • Es entsteht ein Eisenschwamm
    • CO, H2
      • Fe2O3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2
      • Fe2O3 + 3H2 \rightarrow 2Fe + 3H2O
• Erzeugung von Roheisen – Direktreduktion
  • Eisenschwamm mit Fe-Gehalten zwischen 85 u. 95 %
  • C-Gehalt ca. 2 %
  • CO, H2!
• Erzeugung von Roheisen – Elektroverfahren

Gusseisen

• Gusseisen (Kohlenstoffgehalt: 2 bis 6 %)
  • Gusseisen mit Lamellengraphit, GJL
  • Gusseisen mit Kugelgraphit, GJS
  • Temperguss
• Gusseisen mit Lamellengraphit, GJL (DIN EN 1561)
  • Vorteile
    • Günstig
    • Gute Gießbarkeit
    • Verschleißfest
    • Hohe Druckfestigkeit (500 – 1.100 N/mm²)
    • Hohe Säurebeständigkeit
    • Hohe Dämpfung (Brücken-, Maschinenlager)
  • Nachteile
    • Geringe Zugfestigkeit (100 – 350 N/mm²)
    • Spröde
    • Schlechte Verformbarkeit
    • Schlechte Schweißbarkeit
• Gusseisen mit Kugelgraphit, GJS (DIN EN 1563) (Sphäroguss, seit 1948 bekannt)
  • Vorteile
    • Höhere Zugfestigkeit als GJL
    • Höhere Korrosionsbeständigkeit als GJL
    • Höhere Verschleißfestigkeit als GJL
    • Bedingt schweißbar
    • Verformungsfähiger als GJL
  • Nachteile
    • 2 bis 3 mal teurer als GJL
• Temperguss, GJM (DIN EN 1562) (GJMW = weißer, GJMB = schwarzer Temperguss)
  • Vorteile
    • Stahlähnliche Eigenschaften
    • Sehr zäh
    • Schlagunempfindlich
  • Nachteile
    • Durch aufwändige thermische Behandlung sehr teuer
• Gusseisen – Beständigkeit (Korrosion)
  • Nicht beständig bei chloridhaltigen Wässern!
• Gusseisen – Beständigkeit (Korrosion)
  • Anfällig auf sog. „Spongiose“ (selektive Korrosion)
    • Anode (Ferrit/Perlit)
    • Kathode (Graphit)
    • Anode: Ferrit und Perlit oxidieren zu porösem FeOOH (Eisenschwamm)
    • Gefährlich, da Form erhalten bleibt, aber Festigkeit verloren geht!

Stahl

• Definitionen
  • Allgemein: Eisen – Kohlenstoff – Verbindung mit Kohlenstoffanteil von max. 2 %
  • Unlegierter Stahl:
    • Durch Weiterbearbeitung von Gusseisen im Stahlwerk (Frischen!)
    • Kohlenstoffgehalte meist zwischen 0,1 bis 0,5 %. i.d.R. um 0,2 %
  • Legierter Stahl: Verschmelzung von Fe, C und weiteren Legierungsbestandteilen, wie z.B: Mn, Cr, Ni, Mo etc.
• Frischen – Verfahren
  • Verminderung des Kohlenstoffanteils im Roheisen durch Kontakt mit Sauerstoff:
    • C + O2 \rightarrow CO2
• Frischen – Verfahren
  • Modernes Verfahren
  • Meist im Anschluss an Elektro-Verfahren
  • LD-Verfahren:
    • Es wird mit reinem Sauerstoff gefrischt, Einsatz vorzugsweise für phosphorarmes Roheisen.
  • LDAC-Verfahren:
    • Gleichzeitig mit Sauerstoff wird Kalk eingeblasen. Dies erlaubt auch das Frischen von phosphorreichem Roheisen.
• Veränderungen in der Schmelze beim Frischen (LD – Verfahren)
• Desoxidieren
  • Nach dem Frischen ist die Schmelze mit Sauerstoff übersättigt.
  • Der Gehalt wird durch folgende 3 Verfahren reduziert, da der Stahl ansonsten spröde (Rotbruch) wird:
    • unberuhigtes Vergießen (U),
    • beruhigtes Vergießen (R),
    • sehr beruhigtes Vergießen (RR).
• Desoxidieren
  • Seigerungen bei unberuhigt vergossenem Stahl
• Desoxidieren
  • Beruhigt, da es zu keiner Bildung von Gasen kommt, die die Schmelze in Bewegung bringen.
  • Verunreinigungen werden feiner verteilt, was Vorteile für die Materialeigenschaften hat.
  • Zugabe von: Mn, V, Si, Ti, B, A da höhere Affinität zum Sauerstoff als C
  • FeO + C \longrightarrow Fe + CO
• Desoxidieren
  • Unberuhigtes Vergießen (U): bis ~ 0,20%C
  • Beruhigtes Vergießen (R):
    • Si bindet Sauerstoff! → gleichmäßigere Verteilung
  • Besonders beruhigtes Vergießen (RR):
    • Si + Mn + Al → bindet N ab
    • Feinkörnigkeit
• Vergießen – Blockguss (heute seltener)
  • Bodenguss
  • Kopfguss
• Vergießen – Strangguss
  • Vorbrammen

Eisenbegleiter und Legierungselemente

• Einfluss von Legierungselementen und Eisenbegleitern
  • „Edelstahl 18/10 oder V2A“
  • Werkstoffnr. 1.4301
  • X5CrNi18-10
• Gefügebestandteile von unlegiertem Stahl
  • Eisenkarbid (Fe_3C)
    • hart und spröde
  • krz
  • kfz
    • weich und zäh
• Eisen – Kohlenstoff – Diagramm (vereinfacht)
  • Gilt für unendlich langsames Abkühlen der Schmelze
  • Liquiduslinie: ACD
  • Soliduslinie: AECF
  • Bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,06 und 2,06 % spricht man von Stahl
  • Bei Kohlenstoffgehalten zwischen 2,06 und 6,67 % spricht man von Gusseisen
• Eisen – Kohlenstoff – Diagramm (vereinfacht)
  • Ausschnitt für Baustähle
• Kristallschaubild und Einfluss des Kohlenstoffs
  • Übliche Baustähle mit einem Kohlenstoffgehalt von rd. 0,2 % weisen ein ferritisch-perlitisches Gefüge auf (gut schweißbar, gute Umformbarkeit)
  • 6,7%-100%!
• Stahlgefüge mit unterschiedlichen C-Gehalten
  • hell: Ferrit
  • dunkel: Perlit
• Stahlgefüge mit unterschiedlichen C-Gehalten
  • hell: Ferrit
  • dunkel: Perlit, ab 0,8 % auch Zementit

Lernziele

• Rohdichte und Schmelzpunkt von Eisen kennen
• Einteilungskriterien für Metalle und Beispiele hierfür kennen
• Die metallische Bindung in Abgrenzung zu anderen Ihnen bekannten Bindungstypen erläutern können
• Welche typischen Eigenschaften resultieren aus der Metallbindung? Bitte begründen
• Welche Gittertypen können Metalle aufweisen?
• Was sind Haltepunkte? Warum entstehen Sie?
• Wie wird aus Eisenerz Roh- bzw. Gusseisen? Welche Reaktionen finden im Hochofen statt?
• Was ist Gusseisen? Welche Typen gibt es und wie unterscheiden sich diese. Typische Eigenschaften und Einsatzgebiete kennen
• Was ist Stahl? Was haben die Vorgänge Frischen und Desoxidieren mit dem Werkstoff zu tun?
• Welche Aussagen können Sie anhand des Eisen-Kohlenstoffdiagrammes tätigen?
• Einordnung der Stahlgefügebestandteile Ferrit, Zementit und Perlit (Eigenschaften, Zusammensetzung)
• Welchen Einfluss übt ein steigender Kohlenstoffgehalt auf typische Stahleigenschaften aus?

Literatur

• Wendehorst Baustoffkunde S. 637 - 702
• Scholz/Hiese Baustoffkenntnis S. 427 - 536

Links

• Stahlherstellung
  • https://youtu.be/CybB5RnKxVA