Teil 2 - Stahl als Baustoff

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1 54 Teil 2 - Stahl als Baustoff 2. Herstellung von Stahl, Definition und Bestandteile Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Sofern nur sehr geringe weitere Be standteile in dieser Legierung enthalten sind, wird vom unlegierten Stahl gesprochen. Die weiteren Bestandteile sind dann sogenannte Eisenbegleiter, deren Vorhandensein nicht verhindert werden kann. Allerdings kann der Gehalt an bestimmten weiteren Stoffen die Eigenschaften des Stahls erheblich beeinflussen. Durch die gesteuerte Beimischung wei terer Elemente zum Stahl entstehen legierte Stähle mit großen Unterschieden der Eigen schaften. Die Herstellung des Stahls erfolgt in zwei Hauptschritten, die in verschiedenen Anlagen ablaufen. Zunächst wird das Metall aus dem Erz separiert. In der Natur kommen Metalle mit Ausnahme der Edelmetalle (gediegenes = reines Vorkommen) stets in (chemisch) gebundener Form vor. Diese Verbindungen bilden zusammen mit den Verunreinigungen verschiedener Gesteinsarten und Mineralienkombinationen das Erz. Die konkrete Zusammensetzung eines Vorkommens wird Gangart genannt. Eine Einteilung erfolgt z.b. nach Tabelle 2-1. Gruppe chemische Name, Bezeichnung Verbindung (Beispiel) Vorkommen in der Natur (Mineral) oxidische Erze Fe 3 O 4 Eisen (II, III) -oxid Magnetit sulfidische Erze FeS 2 Eisen (III) -sulfid Pyrit carbonitische Erze FeCO 3 Eisencarbonat Siderit Tabelle 2-1: Übersicht über verschiedene Erzformen, die zur Stahlgewinnung geeignet sind, Auswahl Aus diesen Erzen wird zunächst das Roheisen gewonnen (erschmolzen). Dieser Prozess findet im Hochofen oder (seltener) als Direktreduktion statt (s.a. Abschnitt 2.2). Das Zwischenprodukt (Roheisen) ist jedoch sehr spröde und kann weder geschmiedet noch geschweißt werden. Das liegt am hohen Kohlenstoffgehalt des Roheisens von 3 bis 4 Masse-%. Im zweiten Schritt der Stahlherstellung muss also der Kohlenstoff aus dem Roheisen entfernt werden. Das geschieht durch das sogenannten Frischen. Hier wird in geeigneter Weise Sauerstoff zugegeben, der mit dem Kohlenstoff zu Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid reagiert (s.a. Abschnitt 2.3). 2.1 Hauptbestandteile von Stahl Unlegierter Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff mit maximal 2,06 Masse-% Kohlenstoff. Enthält die Legierung einen höheren Anteil an Kohlenstoff, wird sie als Guss eisen bezeichnet. Die kristalline Struktur wird im Eisen-Kohlenstoffdiagramm gezeigt (s.a. Abschnitt 2.4). Stahl enthält stets eine geringe Menge an Fremdelementen, sogenannte Eisenbegleiter. Es sind das in der Regel Mangan (Mn), Silizium (Si), Phosphor (P), Schwe

2 55 fel (S), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Wasserstoff (H). Der zulässige Anteil einzelner Begleitelemente ist normativ begrenzt, da sie bei ungünstiger Verteilung in der Stoffmatrix bereits in geringen Mengen zu stark variierenden Eigenschaften führen können. In der Re gel werden die Gebrauchseigenschaften dadurch verschlechtert. Durch den gezielten Zusatz von Legierungselementen gelingt es, die Eigenschaften des Stahls gezielt zu verändern und an den geplanten Einsatzzweck anzupassen. Beträgt die Summe aller Legierungselemente des Stahls (also außer Kohlenstoff!) weniger als 5 Ma se-%, wird der Stahl als niedriglegiert bezeichnet, anderenfalls als legiert. Der Einfluss ei niger wichtiger Legierungselemente auf den Stahl wird in Abschnitt 2.5 beschrieben. 2.2 Herstellung von Roheisen (Kurzfassung) Die Roheisenherstellung erfolgt im Hochofen (Bild 2-1). Der eigentliche Ofen ist etwa 25 bis 30 m hoch, die gesamte Anlage kann durchaus 60 m hoch sein, da von oben befüllt wird (1) und das entweichende Gichtgas zur Weiterverwendung aufgefangen wird (2). Daraus ergibt sich auch die Bezeichnung Gicht für den oberen Abschluss des Hochofens. Der nach unten breiter werdende lange Kegelstumpf ist der Schacht. Die Wände sind in der Regel feuerfest ausgemauert. Meist sind die Wände wassergekühlt um die Innentemperaturen und damit die ablaufenden Reaktionen steuern zu können Z1 Gicht 200 C Z2 400 C Schacht 900 C Z C Z4 Kohlensack 1800 C Rast 3 Gestell 5 Bild 2-1: 2000 C 3 Z5 4 Z6 Schematische Darstellung eines Hochofens zur Stahlherstellung,

3 56 Der breite Teil des Ofens ist der Kohlensack, der auf dem Rast, einem umgekehrten wesentlich kürzeren Kegelstumpf aufsitzt. An der Unterseite des Rasts wird heißer Wind eingepresst (3) um die Verhüttung anzufachen. In diesem Bereich verbrennt ein großer Teil des Kohlenstoffs aus den Zugaben und es entstehen Temperaturen von etwa 2000 C. Die flüssige Schmelze sinkt in das Gestell, aus dem an der Unterseite das schwerere Roheisen abgestochen wird (5). Weiter oben wird die erheblich leichtere Schlacke gewonnen (4). Aus der Befüllung von oben und dem Abstich an der Unterseite sowie durch das Einbla sen heißer Luft unten und das Entweichen des Gichtgases oben ergibt sich das Gegen stromprinzip bei der Verhüttung. Im Bild 2-1 ist ferner eine Temperaturverteilung angege ben, die im Hochofen fast konstant herrscht. Die ablaufende Reaktion ist eine Reduktion. Der Hochofen wird kontinuierlich eine sehr lange Zeit betrieben, oft 10 Jahre und länger. Er muss dann komplett überholt und meistens auch modernisiert werden. Bevor der Hochofen mit Erz,Koks und Zuschlägen befüllt werden kann, sind die Bestand teile aufzubereiten, da sie nicht so verwendet werden können, wie sie in der Natur vorkom men. Das Erz wird entsprechend zerkleinert und mit dem aus der Kohle gewonnenen Koks sowie weiteren Zuschlägen vermischt. Dieser Mix wird als Möller bezeichnet. Die Zuschlä ge dienen der besseren Verarbeitbarkeit. So wird Kalkstein beigemengt, damit die Gangart leichter schmilzt. Die Verwendung von porösem Koks gegenüber der Kohle sorgt für eine verbesserte Wirkung des Gegenstromprinzips, da die Gase leichter aufsteigen können. Der Hochofen kann in Zonen eingeteilt werden (s.a. Bild 2-1): Zone Z1: Befüllung mit Möller und Abzug der Gichtgase, diese werden zur Erhitzung des Heißwindes genutzt, mit dem die Reduktion angefacht wird. Zone Z2: Bei etwa 200 C wird das schichtweise eingefüllte Gemisch vorgewärmt und getrocknet. Während es nach unten sinkt, wird es weiter bis auf etwa 400 C erhitzt. Die Zone wird als Trocken- und Vorwärmzone bezeichnet. Zone Z3: Der Temperaturbereich von etwa 400 bis knapp 1000 C wird als Reduktionszone bezeichnet. Hier findet im Wesentlichen eine indirekte Reduktion der Eisenverbindungen statt, bei der bis zu 80% des Eisens aus den Verbindungen gelöst werden. Indirekt, weil der Kohlenstoff in Form des Kohlenmonoxids bereit gestellt wird und mit Sauerstoff zu Kohlendioxid reagiert. Folgende Reaktionen finden statt: 3 Fe 2 O3 + CO 2 Fe 3 O4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 Zone Z4: Während sich das Gemenge in der Reduktionszone noch im festen Zustand befindet, beginnt es bei etwa 1100 bis 1200 C in der Kohlungszone zu schmelzen. Es entsteht Eisenkarbid (Zementit, Fe 3 C ). Die exakte Schmelztemperatur hängt von der Zusammensetzung der Ausgangstoffe ab. So schmilzt reines Eisen bei 1536 C. Ein Eisen-Kohlenstoff-Gemisch mit 3 bis 4 Masse-% Kohlenstoff schmilzt bereits bei ca C. In der

4 57 Kohlungszone findet neben der indirekten auch eine direkte Reduktion statt. FeO + CO Fe + CO 2 CO 2 + C 2 CO Zone Z5: In der unterhalb der Kohlungszone gelegenen Schmelzzone verbrennt der Koks infolge der eingeblasenen Luft und bringt spätestens hier die gesamte Mischung zum Schmelzen. Restliche Eisenverbindungen werden von CO und C zu Eisen reduziert. Zone Z6: Im Gestell sammelt sich die flüssige Schmelze und trennt sich von der erheblich leichteren Schlacke. Der Prozess dauert im Mittel 8 Stunden. In Abständen von je 2 Stunden wird der Abstich vorgenommen. Wichtigstes Endprodukt ist das Roheisen mit 3 bis 4 Masse-% Kohlenstoffanteil. Ferner enthält das Roheisen bis zu 3% Silizium, bis zu 6% Mangan sowie Schwefel, Phosphor und weitere Eisenbegleiter. Überwiegt der Siliziumgehalt des Roheisens, entsteht sogenanntes "graues Roheisen". "Weißes Roheisen" hat einen höheren Mangananteil. Die Benennung egibt sich aus der Färbung der Bruchflächen des Roheisens. Das gewonnene Roheisen ist spröde und kann nicht geschmiedet oder geschweißt wer den. Es muss folglich noch weiterbehandelt werden. Ziel ist es dabei, den Anteil an Koh lenstoff und Eisenbegleitern zu senken. Weitere Endprodukte des Hochofenprozesses sind die Schlacke und das Gichtgas. Die Verwendung des Gases wurde bereits beschrie ben. Die Schlacke wird ebenfalls als wertvoller Rohstoff geschätzt. Bestehend aus Kalk und Silikaten (Silizumverbindungen, etwa wie Sand) wird sie Zementen beigemischt. Die damit erstellten Betone können sehr resistent gegen chemische Angriffe (Streusalz) sein. Ein Alternative zum Hochofenprozess ist die Direktreduktion des Roheisens. Es gibt ver schiedene Grundverfahren, die sich bisher aber nicht nennenswert gegenüber dem Hoch ofen durchsetzen konnten. Bei der Direktreduktion wird aus Kohle, Erdgas und/oder Erdöl ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid hergestellt, beispielsweise nach: 2 CH 4 + O 2 4 H 2 + CO Dieses Gasgemisch wird im Gasumformer gewonnen und in den Reduktionsofen geleitet. Es reduziert dort bereits bei etwa 1100 C den Sauerstoff aus dem Erz, das dabei im festen Zustand verbleibt. Es entsteht poriges Roheisen, so genannter Eisenschwamm, mit einem geringen Kohlenstoffgehalt aber erheblichen anderen Verunreinigungen, die im weiteren Verfahren entfernt werden müssen. Ein Vorteil der Direktreduktion besteht in der Tatsache, dass Direktreduktionsanlagen auch in kleineren Größen arbeitsfähig sind. Sie eignen sich folglich auch für kleinere Firmen.

5 Herstellung von Stahl (Kurzfassung) Das aus dem Hochofenprozess gewonnene Roheisen enthält zu viel Kohlenstoff, in der Regel 3 bis 4 % der Masse. Dadurch ist das Material spröde und nicht schweißbar. Eine Reduzierung des Kohlenstoffgehalts ist zwingend erforderlich. Das erfolgt durch eine Ver brennung des Kohlenstoffs (Oxydation) unter Zufuhr von Wärme und Sauerstoff. Dieser Vorgang wird allgemein als "Frischen" bezeichnet. Erst wenn der Kohlenstoffgehalt kleiner als 2,06% der Masse ist, kann das Material als Stahl bezeichnet werden. In diese Phase der (Neu-) Stahlherstellung fällt auch der Einsatz von altem Stahl (Schrott), was aber nicht bei allen Verfahren möglich ist. Grundsätzlich werden zwei Verfahrensarten für das Frischen unterschieden: Konverterfrischen Bessemerverfahren, Thomasverfahren, Aufblasverfahren Herdfrischen Siemens-Martin-Verfahren, Elektro-Lichtbogen-Verfahren Die genannten Verfahren sind sämtlich erst im industriellen Zeitalter entstanden. Davor wurden Roheisen und Stahl mühevoll in kleineren Mengen von Hand gewonnen und bear beitet. Raffinierstahl entstand durch schmieden eines stark mit Schlacke durchsetzten Zwi schenproduktes aus dem sogenannten Rennofen. Die für ein technisch hochwertiges Pro dukt nötigen hohen Temperaturen konnten noch nicht erreicht werden.1784 entwickelte der Engländer Henry Cort das Puddel-Verfahren. Erstmals trennte er Feuerstelle und Schmelze voneinander, so dass kein Kohlenstoff hinzukam, sondern (im Gegenteil) durch den Sauerstoff der Luft verbrannte. Henry Bessemer entwickelte zwischen 1855 und 1860 die nach ihm benannte Bessemer birne. Das ist ein Konverter mit 1 bis 8 Tonnen Fassungsvermögen (Bild 2-2). Durch den Boden wird vorgewärmte Luft eingeblasen und dadurch der Kohlenstoff des Roheisens verbrannt. Durch diese Verbrennungsreaktion ist eine Zufuhr von Energie von außen nicht nötig. Nach etwa 20 Minuten ist der Vorgang abgeschlossen und der Stahl kann vergos sen werden. Bild 2-2: Bessemerkonverter (Bessemerbirne), (Quelle Internet, Open Source)

6 59 Im Bild 2-2 gut zu erkennen sind die Öffnungen an der Unterseite zum Einblasen der Luft für den Frischvorgang. Der Konverter muss feuerfest ausgemauert werden. Durch die Zu sammensetzung der Ziegel reagiert die Schmelze insbesondere, wenn höhere Mengen an Phosphor und Schwefel vorhanden sind. Das kann zur Entmischung und zur Bildung von Hohlräumen führen und ergibt insgesamt ein sprödes Material. Es kann folglich nur Rohei sen mit geringem Gehalt an Schwefel und Phosphor verwendet werden. Sidney G. Thomas ersetzte die Auskleidung mit Ziegeln durch Dolimit, der mit der Schmel ze nicht sauer, sondern basisch reagiert. Dadurch wurden die Phosphor- und Schwefel säuren neutralisiert und es konnten nun auch Erze minderwertiger Qualität verwendet wer den. Äußerlich unterscheiden sich die Konverter nicht voneinander (Bild 2-3). Bild 2-3: Bessemer- oder Thoamaskonverter, der Unterschied besteht im Wesentlichen in der feuerfesten Auskleidung und ist von außen nicht erkennbar (Quelle Internet, Open Source) Das Frischen in Konvertern durch Einblasen von Luft an der Unterseite hat durchaus Nachteile, so dass es heute kaum noch eingesetzt wird. Konverterstahl wird fast aus schließlich im Sauerstoffaufblasverfahren hergestellt, bei dem über eine wassergekühlte Lanze technisch reiner Sauerstoff auf die Schmelze geblasen wird. Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff statt der stickstoffhaltigen Luft kann ein zu hoher Stickstoffgehalt im Stahl vermieden werden. Die durchaus heftige Reaktion findet bei etwa 1600 C statt. Da her kann der Abstich schon nach wesentlich kürzerer Zeit erfolgen (10 bis 20 min), als nach den älteren Verfahren (rund 20 bis 30 min.). Außerdem können größere Konverter genutzt werden. Üblich sind Anlagen mit einem Fassungsvermögen von bis zu 400 t. Ne ben der höheren Stahlqualität haben vor allem diese Umstände dazu geführt, dass die an deren Verfahren aus der Praxis verdrängt wurden. Zur Steuerung der Temperatur im Kon verter kann Schrott zugeführt werden (bis zu 35 Masse%). Auch die Zugabe von frischem Erz ist möglich (bis zu 10 Masse%). Das Sauerstoffaufblasverfahren wurde zuerst in den österreichischen Städten Linz und Donawitz eingesetzt. Daher wird es oft als Linz-Donawitz-Verfahren oder LD-Verfahren be zeichnet. Bild 2-4 zeigt die drei Verfahren als Prinzipskizze.

7 60 O2 Roheisen Roheisen O2 O2 Bild 2-4: Roheisen Konverter zum Frischen des Roheisens, links O2 -Aufblasverfahren, Mitte Bessemerverfahren. rechts Thomasverfahren (basische Auskleidung des Konverters Neben dem Konverterfrischen sind Herdfrischverfahren verbreitet. Ist beim Konverterfri schen keine Energiezufuhr von außen nötig, wird beim Herdfrischen in abgedeckten, fla chen ausgemauerten Mulden eine Zufuhr von Wärme erforderlich. Als älteres Verfahren sei der Siemens-Martin-Ofen genannt (Bild 2-5 als Prinzipskizze). O 2 haltig Bild 2-5: CO 2 haltig Siemens-Martin-Ofen, Prinzipskizze, aus Ledeburg, A.: "Manuel de la métallurgie du Fer", Tome 1, moderat ergänzt Der Stahl im Herdfrischverfahren ist von sehr guter Qualität. Außerdem kann in hohem Maße Schrott verarbeitet werden (bis zu 70 Masse%). Der Schrott bzw. das ebenfalls ein setzbare frische Erz liefern im Wesentlichen den Sauerstoff für die Verbrennung des Koh lenstoffs. Es werden Temperaturen von bis zu 2000 C erreicht. In den 40-iger Jahren des 20. Jahrhunderts betrug der Anteil des Siemens-Martin-Stahls fast 75% der Weltproduktion. Heute ist das energieaufwändige Verfahren durch das LDVerfahren und durch die Lichtbogenöfen nur noch von geringer Bedeutung. In Deutschland wurde 1993 der letzte Siemens-Martin-Ofen stillgelegt.

8 61 Weit verbreitet ist das Elektrostahlverfahren (Lichtbogenofen). Das Prinzip ist im Bild 2-6 dargestellt. ein und ausfahrbare Kohleelektroden Deckel zur Befüllung O2 Zufuhr Stahl Schlacke Wandauskleidung, feuerfest Rollenlager zum Kippen der Anlage Bild 2-6: Lichtbogenofen (Herdfrischverfahren), schematische Darstellung der Funktionsweise Lichtbogenöfen schmelzen die Zugaben, ähnlich wie im Siemens-Martin-Ofen werden Roheisen, Schrott und frisches Erz, aber auch Eisenschwamm (s.a. Direktreduktion) ver wendet, über große Kohleelektroden, an denen eine Spannung von mehreren 1000 Volt angelegt wird. Der Lichtbogen zwischen Elektroden und den Zugaben erzeugt Temperatu ren von bis zu 3800 C. In diesem Verfahren können also auch Legierungselemente verar beitet werden, die eine wesentlich höhere Schmelztemperatur als der Stahl haben. Das energieaufwändige Verfahren ist natürlich teuer und wird bevorzugt für Qualitätsstahl und besondere Legierungen und Edelstähle angewendet. Im Bild 2-7 ist ein Lichtbogenofen gezeigt. Gut zu erkennen sind die drei Kohleelektroden im ausgefahrenen Zustand sowie der Abstich des Stahls in einer Kokille (Vordergrund). Bild 2-7: Lichtbogenofen, Quelle Internet, Open Source

9 62 Auf weitere Maßnahmen und Möglichkeiten der Qualitätsverbesserung der Stähle wird an dieser Stelle nur kurz eingegangen. Dieser Zweig der Stahlherstellung wird allgemein als Sekundärmetallurgie bezeichnet. Die hier vorab besprochenen Prozesse sind dagegen der Primärmetallurgie zuzuorden. Nach dem Frischen enthält der Stahl zwar wenig Kohlenstoff, dafür aber einen (zu) großen Anteil an gelöstem Sauerstoff, der durch Desoxidation entfernt werden muss. Beim Abküh len des Stahls sinkt seine Fähigkeit, Sauerstoff zu lösen. Der frei werdende Sauerstoff will als Gas entweichen und bringt dabei die noch nicht erstarrte Kernzone in Wallung. Der Stahl erstarrt folglich "unruhig" und wird als unberuhigter Stahl bezeichnet. Als Nebenef fekt des "Kochens" werden die Eisenbegleiter (C, P, S) in die Bereiche gedrängt, die als letztes Erhärten. Es entstehen Seigerungen, die sich auf die Eigenschaften des Stahls ne gativ auswirken. Insbesondere die Schweißbarkeit und die Alterungsbeständigkeit entwi ckeln sich ungünstig. Außerdem entsteht ein inhomogenes Material. Als Desoxidationsmittel kommen Silizium (Si), Aluminium (Al), Kalzium (Ca) und Mangan (Mn) wegen ihrer gegenüber dem Sauerstoff größeren Affinität zum Kohlenstoff zum Ein satz. Diese werden der Schmelze vor dem Vergießen zugesetzt und es kommt nicht (so stark) zum Kochen, wie ohne diese Zusätze. Der Guss wird "beruhigt" und es entsteht ein wesentlich homogeneres Material. Besonders beruhigte Stähle (u.a. Edelstähle) werden unter Zusatz weiterer Desoxidationsmittel wie Titan (Ti) oder Vanadium (V) gewonnen. Aus dem Konverter oder dem Herd kann der flüssige gefrischte und nachbehandelte Stahl auf drei verschiedene Weisen vergossen werden: Direktguss Kokillenguss Strangguss Meist wird dem Umstand Rechnung getragen, dass Stahl zu den umformbaren Werkstof fen gehört. Ein direkter Guss in vorbereitete Formen ist daher beim Stahl seltener, sondern eher bei höherem Kohlenstoffgehalt der Schmelze, wie Gusseisen oder Temperguss, zu finden. Daher erfolgt der Guss entweder als kontinuierlicher Strangguss oder in verschie dene Formen. Diese Formen nennt man Kokillen. Kokillen sind also Behälter mit 1 bis 300 t Fassungsvermögen in denen der Stahl in einer Zeit von 1 bis 30 Stunden erstarrt. An der Oberseite der Kokillen kommt es durch auf schwimmende Schlacke zu einem mehr oder weniger großen Kopfabfall, der vor der Wei terverarbeitung abgetrennt werden muss. Erheblich produktiver ist der kontinuierliche Strangguss. Dabei wird der Stahl über ein Gießrohr direkt in eine nach unten geöffnete Kokille gegossen. Beim Verlassen der Kokille an der Unterseite ist die Außenhaut der Bramme bereits erstarrt, während der innere Teil noch flüssig ist. Der noch leicht biegsame Strang wird durch ein Walzensystem um 90 in die Horizontale überführt und gelangt nach dem Längen direkt in die Walzstraße. Zu die sem Zeitpunkt ist fast der gesamte Querschnitt erstarrt. Ein Stranggussschema ist im Bild 2-8 aufgezeichnet. Dabei sorgt das weit eingeführte Gießrohr dafür, dass keine oder nur ein sehr geringer Anteil Schlacke in den Gussstrang gelangt.

10 63 Gießrohr gekühlte Kupferkokille Kreiszone Strang Bild 2-8: Bramme zur Walzstraße Strangguss, Prinzipschema Der vergossene Stahl wird durch Umformverfahren in ein lieferbares Produkt umgewan delt. Im Bauwesen sind das verschiedenste Produkte, die unter 2.7 noch beschrieben wer den. Die wichtigsten Umformverfahren sind Schmieden, Biegen, Tiefziehen und Walzen. Das Umformen findet meistens unter erheblichem Kraft- (sprich Energie-) aufwand statt. Dabei wird kein neues Material zugeführt oder vorhandenes Material entfernt. Folglich ist die Verkleinerung der Stirnfläche einer Bramme durch ein Walzensystem mit einer Verlän gerung des Bauteils verbunden, da das Volumen konstant bleibt. Die Arbeitstemperatur hat einen erheblichen Einfluss auf den Kraftaufwand beim Umfor men. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass sich die Walzstraße unmittelbar an die Strang gussanlage anschließt und dass möglichst kein Zeitverzug entsteht. Bezüglich der Eigen schaften des Endproduktes besteht jedoch ein großer Unterschied, ob ein Umformen warm oder kalt ausgeführt wird. Zum Verständnis dafür muss ein Blick auf die kristalline Struktur des Material erfolgen. 2.4 Das Eisen-Kohlenstoffdiagramm Wenn die Temperatur eines Eisen-Kohlenstoff-Gemisches sinkt, beginnt sie in Abhängig keit vom Kohlenstoffgehalt zu erstarren. Das geschieht nicht an allen Stellen gleichzeitig, weil sowohl die Temperatur innerhalb der Schmelze als auch der Kohlenstoff ungleichmä ßig verteilt sind. Es entstehen also zuerst einzelne Kristalle, die langsam kugelförmig wachsen. Je nachdem wie schnell die Temperatur absinkt und wie das Eisen-Kohlenstoff-Verhältnis ist entstehen entweder viele Kristalle gleichzeitig oder es wachsen weniger, dafür aber um so größere Kristalle, weil sie mehr Raum zum wachsen haben und sich erst spät behin dern (Bild 2-9). In den Zwischenräumen der Körner aber auch in den Kristallen selbst ist Platz für die Einlagerung von Legierungselementen und anderen (kleineren) Kristallen. Es entstehen Mischkristalle. Die Vorgänge an den Korngrenzen ermöglichen auch das soge nannte Fließen des Stahls und die spätere Verfestigung, wenn sich nach einer Umordnung der Kristalle die Körner "verhaken". Das alles geschieht im Mikrobereich.

11 64 Bild 2-9: Bildung von Kristallen in der Schmelze, schematisch links : viele Kristalle gleichzeitig, kleines Korn "Feinkornstahl" rechts : weniger aber größere Kristalle, großes Korn Temperatur [ C ] 1600 A 1536 C 1500 Schmelze 1400 D 1300 Schmelze Austenit 1200 Austenit C 1147 C Linie E Schmelze Zementit F 1100 Austenit Zementit Ledeburit 1000 G 900 Ledeburit Zementit Austenit Ferrit 800 Austenit Zementit S P 700 Ferrit 600 Ferrit Perlit Perlit Zementit 0,0 1,0 Stahl Bild 2-10: Perlit Zementit Ledeburit 2,0 0.8 Eutektoid K 723 C Linie 3,0 2,06 Zementit Ledeburit 4,0 5,0 4,3 Eutektikum 6,0 6,67 C Gehalt [ M %] Gusseisen vereinfachtes Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zur Verdeutlichung der Kristallbildung aus der Schmelze und der Kristallumwandlungen beim Abkühlen des Materials Bei langsam sinkender Temperatur finden darüber hinaus andere Umwandlungen der Kris talle statt, als wenn die Temperatur schnell sinkt, beispielsweise durch Kühlung oder Ab

12 65 schreckung. Alle beschriebenen Vorgänge lassen sich in einem Stoffdiagramm darstellen, welches ein wichtiges Hilfsmittel für Metallurgen ist. Dieses Stoffdiagramm sieht für jede Legierung anders aus. Im Bild 2-10 ist ein stark vereinfachtes Stoffdiagramm für eine "ideale", also eine reine Eisen-Kohlenstoff-Legierung gezeigt. Dabei ist horizontal der Ge halt an Kohlenstoff in Masse% und vertikal die Temperatur aufgetragen. Die Erstarrung ei ner Schmelze kann entweder stabil (also nach Erstarrung nicht mehr veränderbar) oder metastabil (mit der Möglichkeit der nachträglichen Veränderung) erfolgen. Im stabilen Sys tem ist kein gelöster Kohlenstoff mehr vorhanden. Er liegt als Graphit im Kristallgefüge vor. Im metastabilen System ist neben Eisen ( Fe ) noch Eisenkarbid Fe 3 C, aber kein freier Kohlenstoff vorhanden. Die möglichen Veränderungen ergeben sich durch den Zerfall des Eisenkarbids, wodurch verschiedene Kristallformen entstehen. Oberhalb der Verbindungslinien der Punkte A-E-C-F ist mindestens ein Teil des Stoffgemi sches noch flüssig, oberhalb A-C-D sogar das gesamte Gemisch. Die niedrigste Schmelz temperatur liegt bei einem Kohlenstoffgehalt von 4,3 M% vor. Dieser Punkt ist das soge nannte Eutektikum. Der Punkt E befindet sich exakt über der Grenze zwischen Stahl und Gusseisen, die für einen Kohlenstoffgehalt von 2,06 M% definiert ist. Je nach (extern ge steuertem) Erstarrungsverlauf enthält das Produkt die folgenden Kristallformen bzw. Kris tallgemische: Stahl Gusseisen Ferrit, Perlit, Zementit und ggf. Austenit Perlit, Zementit, Ledeburit und ggf. Austenit Damit sind sowohl Stahl als auch Gusseisen ausschließlich metastabil. Ob Austenit im erstarrten System verbleibt oder nicht, hängt von der Abkühlgeschwindig keit ab. Schnelles Abkühlen behindert den Stofftransport und erhält die bei hohen Tempe raturen zuerst gebildeten Austenitkristalle während langsame Abkühlung dafür sorgt, dass der Austenit vollständig in die anderen Kristallformen umgewandelt wird. Die Umwandlungen resultieren aus unterschiedlichen Größen der Kristalle und einem grundsätzlich unterschiedlichen Aufbau des Kristallgitters. Es wird zwischen kubisch raum zentrierten Kristallen und kubisch flächenzentrierten Kristallen unterschieden. Die beiden Formen sind im Bild 2-11 dargestellt. 0,29 nm 0,359 nm Bild 2-11: Grundformen der Kristalle im metastabilen Stoffgemisch Fe C links: kubisch raumzentrierte Kristallform rechts: kubisch flächenzentrierte Kristallform

13 66 Die kleineren kubisch raumzentrierten Kristalle bieten wenig Raum für einen Stofftransport innerhalb des Gemischs. Außerdem ist der Mittelplatz besetzt, so dass sich Fremdele mente schwer einlagern können. Dieses auch als α -Eisen bezeichnete Kristall liegt bei reinem Eisen unterhalb einer Temperatur von 911 C vor (Bild 2-10, Punkt G). Oberhalb dieser Temperatur wandelt sich das Kristall in kubisch flächenzentriertes, sogenanntes γ -Eisen um. Diese α / γ -Umwandlung ist mit einer erheblichen Vergrößerung des Volumens verbunden (Bild 2-11). Der Mittelplatz wird frei zur Lösung von Kohlenstoff. Es können sich Mischkristalle bilden. Im Bild 3-10, dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, sind die wichtigsten Kristallformen und Kristallgemische bezeichnet. Sie werden nachfolgend kurz beschrieben: Ferrit homogener Gefügebestandteil, kubisch raumzentriertes α -Mischkristall, Eigenschaften nahe denen von reinem Eisen Austenit homogener Gefügebestandteil, kubisch flächenzentriertes γ -Mischkristall, ohne Legierung nur bei hohen Temperaturen beständig, weich zäh, gut verformbar, verschleißfest Zementit auch Eisenkarbid ( Fe 3 C ), homogener Gefügebestandteil, komplizierteres Kristallgitter, ist sehr hart und spröde Perlit heterogenes Kristallgemisch, entsteht beim Zerfall der γ -Misch-kristalle, mittelhartes Gemisch aus Ferrit und Zementit Ledeburit heterogenes Kristallgemisch, entsteht ebenfalls beim Zerfall der γ -Mischkristalle, setzt sich auch aus Ferrit und Zementit zusammen, aber in anderem (feinerem) Gefüge, wodurch mehr gelöster Kohlenstoff vorhanden ist. Durch den Ledeburit verliert das Gemisch seine Schmiedbarkeit Veränderungen am Gefüge können später auch noch durch gezielte Nachbehandlungs maßnahmen unter erneutem Eintrag von Wärme erzielt werden. Diese Vorgänge werden im Abschnitt 2.6 angesprochen. Für weitere Erläuterungen wird auf die im Inhaltsverzeich nis genannte Fachliteratur verwiesen. 2.5 Eisenbegleiter, Legierungselemente und Stahleigenschaften Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement von Eisen. Dadurch erfolgt der Übergang zum Stahl bzw. Gusseisen. Die Wirkung des Kohlenstoffs auf das Eisen und die Auswir kungen hinsichtlich der kristallinen Struktur wurden anhand des Eisen-Kohlenstoffdia gramms bereits gezeigt. Nachfolgend sollen weitere Elemente und deren Wirkung auf die Materialeigenschaften genannt werden. Wie bereits festgestellt, soll die Gesamtmasse der Legierungselemente für niedriglegierte Stähle 5 M% nicht übersteigen (ohne Kohlen stoffanteil). Höhere Mengen an Legierungselementen führen zum legierten Stahl.