Werkstoffkundefür

Praktiker

Catrin KammerVolker Läpple

6. Auflage

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KGDüsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 13217

.

EUROPA-FACHBUCHREIHEfür Metallberufe

Autoren:

Dr. Catrin Kammer Goslar

Prof. Dr. Volker Läpple Schorndorf

Verlagslektorat:

Dr. Astrid Grote-Wolff

Bildbearbeitung:

Verlag Europa-Lehrmittel

Abt. Bildbearbeitung Ostfildern

Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der neuen amtlichen Rechtschreibregelnerstellt.

6. Auflage 2009

Druck 5 4 3 2 1

Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern

untereinander unverändert sind.

ISBN 978-3-8085-1326-2

Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos der Firma Thyssen Stahl AG, Duisburg

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der

gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.

© 2009 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten

Satz und Grafik: rkt, 42799 Leichlingen

Druck: Tutte Druckerei GmbH, 94121 Salzweg/Passau

2

Vorwort

Werkstoffe hatten schon immer eine besondere Bedeutung für den Menschen. Das zeigt

sich daran, dass ganze Zeitepochen, wie die Stein-, Bronze- und Eisenzeit, nach den

hauptsächlich benutzten Werkstoffen benannt wurden.

Aufgrund der Verfügbarkeit leistungsfähiger Werkstoffe und der Fähigkeit, diese Werk-

stoffe zu bearbeiten, ist die Entwicklung technologisch hoch entwickelter Produkte im

Maschinen- und Anlagenbau, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrtechnik sowie

in der Medizin und Biotechnologie erst möglich geworden.

Das vorliegende Lehrbuch „Werkstoffkunde für Praktiker“ behandelt in bewährter Weise

die Werkstoffkunde unter Berücksichtigung der für den Praktiker bedeutenden Fragestel-

lungen. Kurz, verständlich und anhand zahlreicher Beispiele werden die wichtigsten

Grundlagen über Aufbau, Eigenschaften, Normung, Verarbeitung, Prüfung und Einsatz-

fähigkeit der wichtigsten Werkstoffe zur Herstellung moderner Produkte erläutert.

Zahlreiche aussagekräftige Grafiken und Tabellen ergänzen die textlichen Erklärungen

und tragen zum besseren Verständnis bei. Ebenso wird stets besonderer Wert auf den

engen Bezug zur beruflichen Praxis gelegt.

Das Buch ist bestens zum Einsatz im Unterricht geeignet, es wurde inhaltlich auf die Vor-

gaben zur Ausbildung aller Berufe im Bereich Metalltechnik abgestimmt. Aber auch der

Praktiker kann das Buch im Selbststudium einsetzen und auf dieser Grundlage die werk-

stoffkundlichen Themen erschließen, die für ihn aufgrund betrieblicher Aufgabenstellun-

gen von besonderem Interesse sind.

Die wesentlichen thematischen Schwerpunkte des Buches sind:

● Metallische Werkstoffe (Stähle, Eisengusswerkstoffe, Nichteisenmetalle)

● Nichtmetallische Werkstoffe (Kunststoffe, Konstruktionsklebstoffe, keramische Werk-

stoffe)

● Verbundwerkstoffe

● Hilfsstoffe

● Korrosion und Korrosionsschutz

● Werkstoffprüfverfahren

● Recycling

In der vorliegenden 6. Auflage wurde vorwiegend der Bereich Nichteisenwerkstoffen

aktualisiert. Die im Buch zu findenden Beispiele beziehen sich auf aktuelle europäische

Normen. Aufgrund der aktuellen Gesetzgebung zur Verwendung von Metallen, beispiels-

weise in den Bereichen Elektronik oder Sanitärtechnik, wurden aktuelle Beispiele zur Ent-

wicklung ökologisch unbedenklicher Werkstoffe in das Buch aufgenommen.

Unseren Lesern wünschen wir viel Freude und Erfolg beim Aufbau oder bei der Erweite-

rung ihrer für das Bestehen in der beruflichen Praxis so wichtigen Kenntnisse im Bereich

der Werkstoffkunde.

Hinweise und Anregungen, die zur Weiterentwicklung des Buches beitragen, nehmen

Autoren und Verlag gerne unter der Verlagsanschrift sowie per E-Mail unter

lektorat@europa-lehrmittel.de entgegen.

Sommer 2009 Autoren und Verlag

3

4

Tech-netium

Tc43

Ruthe-nium

Ru44

Rho-dium

Rh45

Palla-dium

Pd46

Rhe-nium

Re75

Os-nium

Os76

Iri-dium

Ir77

Anti-mon

Sb51

Indium

In49

Cad-mium

Cd48

Thal-lium

Tl81

Wismut

Bi83

Polo-nium

Po84

Zinn

Sn50

Blei

Pb82

Queck-silber

Hg80

Wolf-ram

W74

Tantal

Ta73

Molyb-dän

Mo42

Niob

Nb41

Barium

Ba56

Cae-sium

Cs55

Yttrium

Y39

Lanthan

La57

Hafnium

Hf72

Zirko-nium

Zr40

Stron-tium

Sr38

Rubi-dium

Rb37

Gold

Au79

Platin

Pt78

Silber

Ag47

Alumi-nium

Al13

Germa-nium

Ge32

Gal-lium

Ga31

Zink

Zn30

Kupfer

Cu29

Kobalt

Co27

Eisen

Fe26

Chrom

Cr24

Mangan

Mn25

Vana-dium

V23

Titan

T i22

Scan-dium

Sc21

Cal-cium

Ca20

Kalium

K19

Na-trium

Na11

Magne-sium

Mg12

Beryl-liumLithium

Li3

Be4 107

Helium

HeWasser-

stoff

H1 2

B5

BorKohlen-

stoff

C6

Stick-stoff

NSauer-stoff

O8

Fluor

F9

Neon

Ne

Sili-cium

Si14

Phos-phor

P15

Schwe-fel

S16

Chlor

Cl17

Argon

Ar18

Arsen

As33

Selen

Se34

Brom

Br35

Krypton

Kr36

Tellur

Te52

Iod

I53

Xenon

Xe54

Astat

At85

Radon

Rn

105

Nickel

Ni28

Nep-tunium

Pluto-nium

Ame-ricumUran

Protac-tiniumRadium

Ra88

Fran-cium

Fr87

Acti-nium

Ac89

Thorium

Np Pu AmUPaTh93 94 95929190

86

flüssigNichtmetalle gasförmigLeichtmetalle Schwermetalle

Periodensystem der Elemente (gekürzt)

Verteilung der Elemente in der Erdkruste

Sauerstoff O2

50,5%

Aluminium Al7,3%

Eisen Fe3,4%

Calcium Ca2,7%

Kalium K2,3%

Natrium Na2,1%

Magnesium Mg1,3%

Wasserstoff H2

1%

Titan Ti0,9%

übrige Elementeca. 1%

Silicium Si27,5%

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 003

1 Naturstoffe – Rohstoffe –Werkstoffe – Hilfsstoffe . . . . . 007

2 Einteilung der Werkstoffe . . . . 008

3 Metallische Werkstoffe . . . . . . . 009

3.1 Der Aufbau der Metalle . . . . . . 009

3.2 Zustandsschaubilder . . . . . . . . 012

3.3 Die Gewinnung der Metalle . . . 017

3.3.1 Die Reduktion mit Kohlenstoff,

Kohlenstoffmonoxid und

Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . 018

3.3.2 Die Reduktion mit anderen

Elementen . . . . . . . . . . . . . . . . 019

3.3.3 Die Röstreduktion . . . . . . . . . . . 019

3.3.4 Die Reduktion durch

Elektrolyse einer

Metallsalzlösung . . . . . . . . . . . 020

3.3.5 Die Reduktion durch

Elektrolyse im Schmelzfluss . 020

3.3.6 Andere Verfahren . . . . . . . . . . . 021

3.4 Allgemeine Eigenschaften . . . . 021

3.4.1 Physikalische Eigenschaften . . 021

3.4.2 Technologische Eigenschaften 024

3.4.3 Chemische Eigenschaften . . . . 025

3.5 Eisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . 0253.5.1 Gusseisen- und

Stahlgewinnung . . . . . . . . . . . 025

3.5.2 Die Benennung der Stähle

nach DIN (alt) . . . . . . . . . . . . . . 029

Die Kurznamen nach

DIN 17006 (in der

zurückgezogenen Form) . . . . . 030

Die Werkstoffnummern nach

DIN 17 007 in der

zurückgezogenen Form . . . . . 032

3.5.3 Die Benennung der Stähle

nach der

Europäischen Norm (neu) . . . 033

Einteilungsmöglichkeiten

der Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 034

Normenüberblick . . . . . . . . . . . 040

3.5.4 Handelsformen der Stähle . . . . 042

3.5.5 Der Einfluss von

Legierungselementen . . . . . . . 043

5

3.5.6 Kennwerte und

technologische Eigenschaften

der Stähle sowie ihre

Bestimmung . . . . . . . . . . . . . . . 044

Die Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . 044

Die Druckfestigkeit . . . . . . . . . . 048

Der Einfluss des Gitteraufbaus

auf die Verformung . . . . . . . . . 049

Die Dauerfestigkeit . . . . . . . . . . 052

Die Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 053

Die Kerbschlagarbeit . . . . . . . . . 056

Die Härtbarkeit . . . . . . . . . . . . . . 057

Die Tiefungsfähigkeit . . . . . . . . 059

Die Schweißbarkeit . . . . . . . . . . 060

Die Zerspanbarkeit . . . . . . . . . . 060

3.5.7 Die Wärmebehandlung . . . . . . 061

Das Abschreckhärten . . . . . . . . 061

Das Flamm- und

Induktionshärten . . . . . . . . . . . 064

Das Einsatzhärten . . . . . . . . . . . 065

Das Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . 066

Das Nitrieren . . . . . . . . . . . . . . . 067

Das Normalglühen . . . . . . . . . . 068

Die Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . 070

Das Rekristallisationsglühen . . 071

Das Weichglühen . . . . . . . . . . . 072

Das Hochglühen . . . . . . . . . . . . 073

Das Spannungsarmglühen . . . 073

Die Wärmebehandlung nach

ZTU-Schaubildern . . . . . . . . . . 073

Häufige Fehler bei der

Wärmebehandlung . . . . . . . . . 075

3.5.8 Stähle für den Maschinenbau . 077

Unlegierte (allgemeine)

Baustähle nach DIN EN 10025 078

Alterungsbeständige Stähle . . 079

Schweißbare

Feinkornbaustähle . . . . . . . . . . 079

Stähle für Feinbleche . . . . . . . . 079

Automatenstähle . . . . . . . . . . . . 080

Blanke Stähle . . . . . . . . . . . . . . . 081

Einsatzstähle . . . . . . . . . . . . . . . 081

Vergütungsstähle . . . . . . . . . . . 082

Nitrierstähle . . . . . . . . . . . . . . . . 082

Stähle für die Flamm- und

Induktionshärtung . . . . . . . . . 083

Stähle für Schrauben und

Muttern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 083

Federstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 084

Inhaltsverzeichnis

Verschleißfeste Stähle . . . . . . . 085

Warmfeste Stähle . . . . . . . . . . . 085

Kaltzähe Stähle . . . . . . . . . . . . . 085

Hochfeste Stähle . . . . . . . . . . . . 086

Wälzlagerstähle . . . . . . . . . . . . . 086

Ventilstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 087

Unlegierte Werkzeugstähle . . . 087

Legierte Kaltarbeitsstähle . . . . . 087

Legierte Warmarbeitsstähle . . . 088

Schnellarbeitsstähle . . . . . . . . . 088

Nichtrostende (rost- und säure-

beständige) Stähle . . . . . . . . . 089

Stähle für Kunststoff-

bearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . 089

3.6 Nichteisenwerkstoffe . . . . . . . . 089

3.6.1 Aluminium und seine

Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . 089

3.6.2 Kupfer und seine Legierungen 095

3.6.3 Lote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 099

3.6.4 Weitere wichtige Metalle . . . . . 100

3.7 Pulvermetallurgie . . . . . . . . . . . 102

3.7.1 Die Herstellung der Pulver . . . . 102

3.7.2 Die Formgebung der Pulver . . . 103

3.7.3 Das Sintern . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.7.4 Die Nachbehandlung

von Sinterteilen . . . . . . . . . . . . 104

3.7.5 Die Kennzeichnung von

Sinterwerkstoffen . . . . . . . . . . 105

3.7.6 Verschiedene Sinterwerkstoffe 106

4 Nichtmetallische Werkstoffe . . 107

4.1 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.1.1 Allgemeine Eigenschaften . . . . 107

4.1.2 Einteilungsmöglichkeiten . . . . . 108

4.1.3 Syntheseverfahren . . . . . . . . . . 109

Die Polymerisation . . . . . . . . . . 109

Die Polykondensation . . . . . . . . 110

Die Polyaddition . . . . . . . . . . . . 111

4.1.4 Eigenschaftsänderungen bei

Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . 111

Der Einfluss der Monomeren . . 111

Der Einfluss der

Herstellungsverfahren . . . . . . 112

Der Einfluss der Weichmacher 112

Der Einfluss von Zusatzstoffen 112

Der Einfluss des

Polymerisationsgrades . . . . . . 112

Der Einfluss der Wärme . . . . . . 112

4.1.5 Technisch bedeutsame

Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Polykondensate . . . . . . . . . . . . . 114

6

Plastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . .116

Polymerisate . . . . . . . . . . . . . . . 116

Polyaddukte . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.2 Konstruktionsklebstoffe . . . . . . 119

4.2.1 Die Theorie des Klebens . . . . . . 119

4.2.2 Einteilungsmöglichkeiten von

Konstruktionsklebstoffen . . . . 119

4.2.3 Der Klebevorgang . . . . . . . . . . . 120

4.2.4 Technisch bedeutsame

Konstruktionsklebstoffe . . . . . 120

4.3 Keramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5 Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . 123

6 Hilfsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.1 Schleif- und Poliermittel . . . . . . 1266.2 Abschreckmittel . . . . . . . . . . . . 127

6.3 Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . 128

6.4 Schneid- und Kühlmittelöle . . . 130

7 Korrosion undKorrosionsschutz . . . . . . . . . . 131

7.1 Arten der Korrosion . . . . . . . . . .131

7.2 Erscheinungsformen derKorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

7.3 Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . .133

8 Werkstoffprüfverfahren . . . . . . 136

8.1 MetallografischeUntersuchungen . . . . . . . . . . . 136

8.2 Schleiffunkenprobe undSpektralanalyse . . . . . . . . . . . . 140

8.3 Oberflächenprüfungen nachdem Eindringverfahren . . . . . . 141

8.4 Röntgenprüfung . . . . . . . . . . . . 143

8.5 Gammastrahlenprüfung . . . . . 144

8.6 Ultraschallprüfung . . . . . . . . . . 145

8.7 Magnetische Rissprüfung . . . . 146

9 Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Sachwortverzeichnis . . . . . . . . 149

1 Naturstoffe – Rohstoffe – Werkstoffe – Hilfsstoffe

Naturstoffe bietet die Natur an. An ihnen ist noch keine menschliche Arbeit verrichtetworden. Dazu zählen z.B. Vorkommen an Erdöl, Erzen, Holz, Kohle und Mineralien.

Naturstoffe entstehen ohne menschlichen Einfluss in der Natur.

Rohstoffe liegen vor, wennMenschen Naturstoffe gewonnen haben um sie anschließendnutzbar zu machen. Gefördertes Erdöl, geförderte Erze, gefällte Bäume, geförderte Kohleund gebrochene Mineralstoffe gehören als sogenannte Primärrohstoffe dazu. Ebensosind es jedoch auch Sekundärrohstoffe, z.B. Schrott, Metallspäne, Altpapier und Alttex-tilien, die dem Produktionsprozess wieder zugeführt werden sollen.

Primärrohstoffe werden durch menschliche Arbeit aus Naturstoffen gewonnen.

Werkstoffe entstehen durch Verarbeitung der Rohstoffe zu solchen Produkten, die unmit-telbar vor ihrer Endverarbeitung zu einem Fertigprodukt stehen. Aus Erdöl können z.B. dieKunststoffe Polyethen und Polypropen, aus Erzen können die verschiedensten Stähle, ausgefällten Bäumen können Bretter und Balken, aus Kohle können Rohteer und Koks undaus bestimmten Mineralien können Baustoffe hergestellt werden.

Werkstoffe werden aus Rohstoffen hergestellt und zu Fertigprodukten verarbeitet.

Hilfsstoffe sind erforderlich, umWerkstoffe und Fertigprodukte aus Roh- undNaturstoffenzu gewinnen. Hilfsstoffe ermöglichen den Prozess der Herstellung von Fertigproduktenaus Rohstoffen (z.B. die Formgebung einesMetalls mit Hilfe von Schleifmitteln) sie gehenaber in das Fertigprodukt nicht ein.

Hilfsstoffe werden zur Herstellung von Werkstoffen und von Fertigprodukten benötigt.

Die Entscheidung, ob ein Material Werkstoff oder Hilfsstoff ist, hängt von seiner Stellungzum Fertigprodukt ab. So ist Ethin (früher Acetylen) beim Gasschmelzschweißen alsWärmelieferant ein Hilfsstoff, bei der Gewinnung von Chlorethen (umgangssprachlichVinylchlorid) dagegen ein Werkstoff. Ebenso ist Benzin beim Antrieb von Verbrennungs-motoren ein Hilfsstoff, als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Kunststoffen jedochein Werkstoff.

7

Menschliche odermaschinelle Arbeit

Produktions-prozesse

Fertigungs-prozesse

Fertig-produktWerkstoffeRohstoffeNaturstoffe

Hilfsstoffe

Beispiele:• Erdölvorkommen• Erzlagerstätten• Kohleflöze

Beispiele:• gefördertes Erdöl• gebrochene Mineralstoffe• geförderte Kohle

Beispiele:• Stahlblech• Epoxidharz• Kunststoffgranulat

Beispiele: • Betriebsstoffe• Schmierstoffe• Schleifstoffe

Bild 1: Veranschaulichung der Begriffe „Naturstoff“, „Rohstoff“, „Werkstoff“ und „Hilfsstoff“

2 Einteilung der Werkstoffe

Werkstoffe sind für die Konstruktion nützliche feste Stoffe. Damit ein Stoff als Werkstoff

verwendet wird, muss er eine günstige Kombination aus physikalischen Eigenschaften

(z.B. Dichte und Festigkeit) aufweisen, gut zu verarbeiten, wirtschaftlich zu beschaffen

und gut zu entsorgen sein.

Bild 1 zeigt die heute übliche Einteilung der Werkstoffe. Die größte technische Bedeutung

haben hierbei dieMetalle, insbesondere aufgrund ihrer in der Regel hohen Festigkeit undihres plastischen Verformungsvermögens. Aufgrund ihrer technischen Bedeutung unter-

teilt man die Metalle üblicherweise weiter in die Eisenmetalle und Nichteisenmetalle.

Die Nichtmetalle werden eingeteilt in die organisch-nichtmetallischen und die anorga-

nisch-nichtmetallischen Werkstoffe. Die größte Bedeutung in der Gruppe der organisch-nichtmetallischen Werkstoffe haben die Kunststoffe und in der Gruppe der anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffe die Keramiken.

Verbundwerkstoffe entstehen durch eine Kombination vonmindestens zwei Werkstoffen

aus gleichen oder unterschiedlichen Gruppen. Ein bekanntes Beispiel stellen die glas-faserverstärkten Kunststoffe dar.

8

z.B. Techn.PorzellanCordieritSteatit

Stahlguss

Weißes Gusseisen

Hartguss

Temperguss

Graues Gusseisen

mit Lamellengraphit

mit Kugelgraphit

Sondergusseisen

Keramik

Silicat-keramik

Nichtoxid-keramik

Gläser

AnorganischeBindemittel

Kunststoffe(Polymere)

3) Verbindungen des Kohlenstoffs mit Ausnahme derKohlenstoffoxide, Carbonate, Carbide und Metallcyanide.

1) Legierungen auf Cu-Basis2) Legierungen auf Sn- oder Pb-Basis Verbundwerkstoffe

Stahl

Bau- und Kon-struktionsstähle

Unleg. Baustähle

Feinkornbaustähle

Vergütungsstähle

Einsatzstähle

Nitrierstähle

Federstähle

Warmfeste Stähle

Kaltzähe Stähle

Nichtrost. Stähle

Automatenstähle

Werkzeugstähle

Kaltarbeitsstähle

Warmarbeitsstähle

Schnellarbeitsstähle

z.B. Kalk, Gips,Zement

z.B. SiCSi3N4

Synthetisch

Umgewandel.Naturstoffe

z.B. Cellulose

Elastomere

z.B. Butadien-kautschuk

Duroplaste

z.B. EpoxidharzPhenolharz

Thermoplast.Elastomere

z.B. thermopl.Polyurethan

Thermoplaste

z.B. PolyethylenPolyamid

Oxid-keramik

z.B. Al2O3

ZrO2

Al2TiO5

MgO

Leichtmetalleund derenLegierungen

z.B. MagnesiumAluminiumTitan

Schwermetalleund derenLegierungen

Buntmetalle1)

z.B. MessingBronzeRotguss

Edelmetalle

z.B. GoldSilberPlatin

z.B. NickelChromManganWolframKupfer

Weißmetalle2)

Natürlich

Pflanzlich

Tierisch

Natürlich

z.B. HolzHarzeKorkBaum-wolle

z.B. LederWolle

SynthetischEisen-Gusswerkstoffe

z.B. GlimmerGraphitTalkumAsbest

Eisenmetalle Nichteisenmetalle Anorganisch Organisch3)

Metalle Nichtmetalle

Werkstoffe

Bild 1: Einteilung der Werkstoffe

3 Metallische Werkstoffe

Um die Eigenschaften der zu verarbeitenden Werkstoffe zu verstehen, sind chemische

und physikalische Grundkenntnisse erforderlich. Soweit es nötig ist, soll darum zunächst

das Basiswissen vermittelt werden, das später am konkreten Fall zu erweitern ist.

3.1 Der Aufbau der Metalle

Alle Stoffe bauen sich aus Atomen auf. Atome bestehen aus

einem Kern und einer Hülle. Der Kern wiederum setzt sich zu-

sammen aus positiv geladenen Protonen und neutralen

Neutronen. In der Hülle umkreisen elektrisch negativ geladene

Elektronen den Kern. Die Anzahl der Protonen und der Elektro-

nen ist in jedem Atom eines Elementes gleich groß. Darum ist

jedes Atom elektrisch neutral.

Metallatome und Nichtmetallatome unterscheiden sich unter

anderem durch die Anzahl der Elektronen auf den äußeren Bah-

nen: Metallatome haben immer weniger als vier, Nichtmetall-

atome immer mehr als vier Außenelektronen.

Charakteristisch für Metallatome ist, dass sie Außenelektronen

abgeben, wenn sie sich verbinden. Magnesiumatome z.B. ver-

fügen über zwei Außenelektronen, die sie als freie Elektronen

abgeben: Mg � Mg2+ + 2e–. Dadurch entstehen positive Ionen,

die auch als Atomrümpfe bezeichnet werden, sowie ungebun-

dene, bewegliche freie Elektronen (sog. Elektronengas).

Die Bindung von positiv geladenen Atomrümpfen und den

negativ geladenen, freien Elektronen durch elektrostatische

Kräfte bezeichnet man als Metallbindung.

Nachfolgend wird zur Vereinfachung von Atomen anstelle von Atomrümpfen gespro-

chen. Es ist zulässig, in Modellen die Atome vereinfacht als Kugeln darzustellen.

In einer Metallschmelze können sich die Atome frei bewegen. Beim Abkühlen werden bei

Erreichen der Erstarrungstemperatur stärkere Bindungskräfte wirksam, die dazu führen,

dass sich die Atome in einem regelmäßigen Kristallgitter anordnen.

Die kleinsten Einheiten dieses Kristallgitters sind die Elementarzellen, die bei Metallen auf

unterschiedliche Grundformen zurückgeführt werden können. Die meisten Metalle

weisen ein kubisches Kristallgitter auf, bei dem die Eckpunkte des Würfels mit Atomen

9

–

–

– –

–

–– –

8+

–

––

–

– –

– –

– – ––12+

Bild 1: Modell einesSauerstoffatoms

Bild 2: Modell einesMagnesiumatoms

–

– –

– –

–

Schmelze ungeordnet Kristall geordnetBild 3: 3 Atomrümpfedes Magnesiumsmit 6 „freien“Elektronen

Bild 4: Die Entstehung eines Metall-gitters aus der Schmelze

Bild 5: Kubisch-flächenzen-trierte Elementarzelle

besetzt sind. Im Fall des kubisch-raumzentrierten Git-

ters findet sich ein zusätzliches Atom in der Mitte des

Würfels, bei kubisch-flächenzentrierten (kfz) Metallen

finden sich neben den Eckatomen weitere Atome auf

den Flächenmitten. Weitere Gitterformen sind das he-

xagonale und das tetragonale Gitter.

Kubisch flächenzentrierte Gitter (kfz) besitzen Alumini-

um, Blei, Gold, Kupfer und Silber.

Kubisch raumzentrierte Gitter (krz) gibt es bei Chrom,

Molybdän, Vanadin und Wolfram.

Hexagonale Gitter (hex) weisen Beryllium, Cadmium,

Magnesium und Zink auf.

Tetragonale Gitter findetman im β-Zinn und im γ-Man-

gan.

Einige Metalle, z.B. Eisen und Zinn, haben in betsimmten Temperaturbereichen unter-

schiedlich aufgebaute Elementarzellen. Diese Erscheinung bezeichnet man als allotrope

Modifikation (gr. állos = ein anderer; trépein =wechseln; lat. modus = Art undWeise; fictus

= entstanden). Die verschiedenen Modifikationen eines Metalls werden durch kleine grie-

chische Buchstaben gekennzeichnet, die man zusammen mit einem Bindestrich dem

Namen oder dem chemischen Symbol voranstellt, z.B. α-Eisen (α-Fe, krz) oder γ-Eisen(γ-Fe, kfz).

Ein Einkristall liegt vor, wenn ein Kristall allseitig über freie Oberflächen verfügt und keine

Korngrenzen besitzt. Einkristalle finden z.B. in der Mikroelektronik als Siliciumkristalle

Anwendung. Weitere technisch wichtige Einkristalle sind sog. Whisker (engl. = Barthaar),

die etwa 3 mm lang sind. Ihr Durchmesser liegt im μm-Bereich. Im Aufbau von Einkristal-

len sind immer Fehler nachzuweisen, z.B. können unbesetzte Gitterplätze oder Fremdato-

me auftreten.

In der Regel erstarren Metalle jedoch als Vielkristall. Das bedeutet, dass in der Schmelze

viele einzelne Kristalle gleichzeitig von sog. Keimen ausgehend zu wachsen beginnen, bis

sie aufeinander treffen. Schließlich ist auf dieseWeise das

gesamte Metall erstarrt, es besteht aus vielen Kristallen,

die als Kristallite oder Körner bezeichnet werden und den

Stoßstellen, den sog. Korngrenzen. Diese Anordnungwird

Gefüge genannt. Jedes Korn ist dabei für sich gesehen ein

einzelner Kristall, in dem die Atome in einer bestimmten

Richtung ausgerichtet sind. Der Korndurchmesser beträgt

im Durchschnitt 3 μm bis 3 mm. Die Erstarrungsbedin-

gungen sowie Umformungen und Wärmebehandlungen

beeinflussen die Korngröße und Kornformen.

Alle Kristalle mit Fehlern werden als Realkristalle bezeich-

net. Damit sind alle in einem metallischen Werkstück vor-

kommenden Kristallite Realkristalle, aber auch alle tech-

nisch hergestellten Einkristalle.

Idealkristalle sind gegenwärtig nur theoretisch vorstellbar.

Es gibt sie in der Praxis nicht. Als Modelle sind sie jedoch

geeignet, den Feinaufbau der Metalle und ihre physika-

lischen Eigenschaften verständlich zu machen. So haben

Physiker die theoretische Zugfestigkeit eines Idealkristalls

aus Eisen mit 40000 N/mm2 berechnet.

10

kfz krz

hex tetragonal

Bild 1: Verschiedene Formen vonElementarzellen

Realkristall

Idealkristall

Bild 2: Schematische Darstel-lung eines Ideal- undeines Realkristalles(Momentaufnahme)

In der Praxis erreicht man mit großem Arbeitsaufwand

an Hochfestigkeitsstählen Zugfestigkeiten von etwa

1500N/mm2.

Der strukturelle Aufbau der Elementarzellen erklärt physi-

kalische Eigenschaften der Metalle. Die Zugfestigkeit der

metallischen Bindung spürt der Praktiker sehr schnell bei

der Arbeit mit Säge und Feile. Die elektrische Leitfähigkeit

ist mit der Beweglichkeit insbesondere der freien Elektro-

nen zu begründen. Die Wärmeleitfähigkeit hat ihre Ursa-

che darin, dass die Atome des Gitters in weiten Tempera-

turbereichen um ihre Ruhelage schwingen können. Weite-

re Eigenschaften z.B. Verformungsmöglichkeiten, werden

ebenfalls verständlich.

Weil die Entstehung der Körner der Schmelze so schnell

erfolgt, dass sich nicht alle Atome einheitlich ausrichten

können, bilden sich viele kleine Körner mit systemlos an-

geordneten Achsen. Es zeigt sich ein Metallgefügemit un-

terschiedlicher Orientierung der Körner.

Wird in einem Einkristall eine bestimmte physikalische

Größe erst in einer und dann in einer anderen Richtung

gemessen, ergeben sich unterschiedliche Werte. Diese

Richtungsabhängigkeit der Eingenschaften wird als An-

isotropie bezeichnet. Auch jeder Kristallit des vielkristalli-

nen Gefüges verhält sich anisotrop. Werden jedoch Eigen-

schaften im Vielkristall bestimmt, ergeben sich in jeder

Richtung dieselbenWerte. Dies wird durch die Verkippung

der einzelnen Körper gegeneinander verursacht. Durch das Messen über alle Körner hin-

weg („Mittelung“) heben sich die einzelnen Anisotropien auf – die Probe verhält sich

quasi-isotrop („wie isotrop“, d.h. keine Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften).

Sind alle Kristallite gleich orientiert, besitzt der Werkstoff eine Textur. Er verhält sich dann

wieder anisotrop. Die Achsen der Körner sind z.B. durch eine Verformung so ausgerichtet,

dass sie nahezu parallel verlaufen und dabei bevorzugte Gleitebenen entstehen, über die

beim Tiefziehen der Werkstoff besonders stark fließt und wodurch die gerade Zipfel-

bildung erklärt wird.

Fehlstellen im Gitter (sog. Gitterbaufehler) beeinflussen mehr oder weniger die physikali-

schen Eigenschaften desMetalls. Eine Fehlstelle kann ein nicht mit einemAtomrumpf be-

setzter Gitterplatz oder ein eingelagertes Fremdatom sein. Aufgrund des Durchmesser-

unterschiedes von Fremd- und Matrixatomen ergibt sich gewisse Verfestigung durch die

Verspannung des Metallgitters.

Legierungen sind Werkstoffe mit Metallcharakter aus

wenigstens zwei Elementen, von denen mindestens eines

ein Metall ist. Sie können pulver- oder schmelzmetallur-

gisch hergestellt werden.

Austauschmischkristalle (Substitutionsmischkristalle) ent-

stehen, wenn Fremdatome auf Gitterplätzen des Matrixgit-

ters untergebracht sind. Dazu ist Voraussetzung, dass die

Atome beider Metalle annähernd gleiche Durchmesser be-

sitzen und in gleicher Grundform (Modifikation) auskristalli-

sieren. Die Anordnung der Fremdatome ist unregelmäßig.

Mischkristalle der beschriebenen Art bilden z.B. Kupfer und

Nickel.

11

Korn

Korn-grenze

Bild 1: UnterschiedlicheOrientierung der Körnerim Metallgefüge

Bild 2: Ähnliche Orientierungder Körner imMetallgefüge (Textur)

Bild 3: Fehlstellen in einemMetallgitter

Bei Einlagerungsmischkris-

tallen befinden sich Fremd-

atome auf Zwischengitter-

plätzen des Wirtsgitters.

Solche Kristalle können sich

nur bilden, wenn die Fremd-

atome wesentlich kleiner

sind als die Atome des Ma-

trixgitters. Das ist z.B. der

Fall bei der Einlagerung von

Kohlenstoffatomen in ein

Eisengitter (Stahl). So löst

z.B. das kubisch raumzen-

trierte α-Eisen maximal 0,02

Prozent Kohlenstoff.

Ein Kristallgemisch entsteht, wenn die Legierungsele-

mente im festen Zustand nicht ineinander löslich sind. Es

stellt sich ein, wenn zwei Metalle nach verschiedenen

Systemen auskristallisieren, z.B. in Zinn-Blei-Legierungen.

Zinn bildet tetragonale, Blei kubisch-flächenzentrierte

Gitter. Beide Kristallarten liegen dann getrennt neben-

einander vor.

3.2 Zustandsschaubilder

Jedes reine Metall zeigt beim Schmelzen einen in den Diagrammen mit Ac und beim

Erstarren einen mit Ar bezeichneten Haltepunkt (A von frz. arrêt = Halt; r von refroidisse-

ment = Abkühlung; c von chauffage =

Erwärmung).

Am Schmelzpunkt verharrt die Tempe-

raturanzeige eines Thermoelementes,

weil die zugeführte Wärmeenergie eine

gewisse Zeit benötigt, um die chemi-

schen Bindungskräfte zwischen freien

Elektronen und Atomrümpfen zu über-

winden. Erst nach dem Schmelzen des

letzten festen Metallstückes steigt die

Temperatur wieder an.

Auch am Erstarrungspunkt bleibt die

Anzeige eines Thermoelementes beim

Abkühlen der Schmelze eine Zeit kons-

tant. Bei dieser Temperatur bilden sich

Keime, an die sich ständig weitere

Atomrümpfe anlagern.

So formieren sich, von vielen Stellen

ausgehend, die Körner (Kristallite) des

Metalls. Die dabei frei werdende

Kristallisationswärme wird an die Um-

gebung abgegeben, sodass das Thermoelement keine Temperaturabnahme anzeigt. Erst

wenn die ganze Schmelze fest geworden ist, sinkt die Temperatur weiter.

12

Bild 1: Austauschmischkristall

Bild 3: Einlagerungsmisch-kristall

Bild 2: Kristallgemenge

Temperatur

Zeit

Ac Ar

Schmelze(flüssig)

Kristall(fest)

Bild 4: Haltepunkte eines reinen Metalls

Die Erwärmung und Abkühlung von reinen Metallen oder Legierungen und die

Aufzeichnung der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit wird als thermische Analyse

bezeichnet. Das Ergebnis sind sog. Abkühl- bzw. Aufheizkurven.

Bei der Abkühlung von reinem Eisen

sind mehrere Haltepunkte nachzuwei-

sen. Beim Übergang vom flüssigen in

den festen Aggregatzustand, entsteht

zunächst kubisch-raumzentriertes δ-Ei-sen. Sein Gitterparameter beträgt 0,296

nm. Die dabei auftretende Kristallisati-

onswärme ist am Haltepunkt Ar5 = 1536

°C erkennbar.

Bei einer Temperatur von 1392 °C fin-

det eine Umgitterung (Modifikations-

wechsel) statt. Aus dem kubisch-raum-

zentriertem δ-Eisen bildet sich nun

kubisch-flächenzentriertes γ-Eisen mit

einem Gitterparameter von 0,356 nm.

Die dabei entstehende Wärme macht

sich als Haltepunkt Ar4 bemerkbar. Das

γ-Eisen kann als Einlagerungsmisch-

kristall bis zu 2,06 Prozent Kohlenstoff

lösen. Dieser Mischkristall wird nach dem englischen Forscher Roberts-Austen Austenit

genannt.

Ein dritter Haltepunkt Ar3 ergibt sich schließlich bei 911 °C. Jetzt wird das flächenzentrier-

te γ-Eisen in das kubisch-raumzentrierte α-Eisen mit einer Gitterkonstante von 0,286 nm

umgewandelt. Das α-Eisen löst höchstens 0,02 Prozent Kohlenstoff, ebenfalls als Einlage-rungsmischkristall. Dieser wird Ferrit genannt (nach ferrum = lat. für Eisen).

AmHaltepunkt Ar2 = 769 °C (Curietemperatur) wird das unmagnetische Eisenmagnetisch.

Die hier frei werdende Energie hat ihren Grund in Veränderungen innerhalb der Elektro-

nenhülle. Bei der Erwärmung des Eisens stellen sich die gleichen Haltepunkte ebenfalls

ein. Sie werden jeweils mit Ac benannt (auf Grund der geringen Temperaturunterschiede

zwischen den Ac- und Ar-Punkten werden wie in den Bildern 1 und 2 oft nur A-Punkte ver-

merkt).

13

769

911

1392

1536

Zeit

Temperaturin

°C

paramag-netisch

ferromag-netisch

Ar2

Ar3

Ar4

Ac2

Ac3

Ac4

Abkühlung

Schmelze

d-krz

g-kfz

a-krz

TS

A4

A3

A2

Erwärmung

Curie-Punkt

Bild 1: Haltepunkte des reinen Eisens

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Zeit

Temperaturin

°C

0 20 40 60 80 100 Masse-% Ni100 80 60 40 20 0 Masse-% Cu

A2

Kristall

Kristall

100%

30%

30% Cu

70% 100% Ni

Schmelze

Soliduslinie+

70%

Rest-schmelze

Liquid

uslinie

A1

Bild 2: Zustandsschaubild Kupfer (Cu) – Nickel (Ni)

Die Haltepunkte Ar1 und Ac1 finden sich bei Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8%

bei 723 °C am Punkt S (vergleiche Seite 15).

Hinweis: In den meisten Fällen wird heute auf die c- bzw. r-Kennzeichnung verzichtet.

Vollkommene Löslichkeit im flüssigen und im festen ZustandWenn zwei Metalle vollkommen ineinander löslich sind, d.h. ohne Einschränkung Aus-

tauschmischkristalle bilden, ergeben sich die Abkühlungskurven in Bild 2 der vorigen

Seite, aus denen dann das Zustandsschaubild gezeichnet werden kann (z.B. Cu–Ni). Es ist

deutlich erkennbar, dass die reinen Metalle feste Erstarrungstemperaturen (gekennzeich-

net durch Haltepunkte), die Legierungen jedoch Erstarrungsintervalle aufweisen. Dieses

Intervall ergibt sich aus der Lage zweier Knickpunkte, dem sogenannten Solidus- bzw.

dem Liquiduspunkt (lat.: liquidus = flüssig, solidus = fest).

Bei der thermischen Analyse zeigen reine Metalle Haltepunkte. Legierungen erstarren –

von bestimmten Ausnahmen abgesehen – in einem Temperaturbereich.

Die obere Linie im Schaubild heißt Liquiduslinie, die untere heißt Soliduslinie. Oberhalb

der Liquiduslinie sind alle Legierungselemente flüssig, unterhalb der Soliduslinie sind sie

fest. Das feste Metall besteht dann aus Austauschmischkristallen (vergleiche Seite 12).

Innerhalb des linsenförmigen Feldes existieren neben der Schmelze Mischkristalle (Zwei-

phasenfeld). Ein ähnliches Zustandsschaubild ergibt sich bei einer Legierung aus Gold

und Silber.

Fehlende Löslichkeit im festen Zustand, vollkommene Löslichkeit im flüssigen ZustandWenn zwei Metalle im festen Zustand nicht ineinander löslich sind und darum aus zwei

Kristallen bestehen (Mischkristalle also nicht gebildet werden), stellen sich die im Bild

gezeigten Abkühlungskurven ein, aus denen dann ebenfalls das Zustandsdiagramm

gezeichnet wird (z.B. Bi–Cd). Es ist erkennbar, dass außer den reinen Metallen auch eine

bestimmte Legierung (60% Bi, 40% Cd) einen Haltepunkt aufweist. Alle anderen Legie-

rungen erstarren über einen Temperaturbereich.

Der Linienzug A-E-D ist die Liquiduslinie, der Linienzug P-E-K die Soliduslinie. Im Feld I

befinden sich in der Schmelze Körner aus reinem Cadmium, im Feld II sind in der

Schmelze Körner aus Wismut anzutreffen.

14

100

Zeit

Temperaturin

°C

0 20 40 60 80 100 Masse-% Bi100 80 60 40 20 0 Masse-% Cd

200

300

400

Kristall Bi + Kristall Cd

PK

D

A

0

Cd 100% 80% 40%

20% 60% 80% 100% Bi

E

20%

Schmelze +Kristall Bi

Schmelze +Kristall Cd

Bild 1: Zustandsschaubild Wismut (Bi) – Cadmium (Cd)

Am Punkt S und an der Soliduslinie gehen beide Legierungselemente gleichzeitig in den

kristallinen Zustand über. Sie bilden dabei ein eutektisches Gefüge, bestehend aus Wis-

mut- und Cadmiumkörnern, in der Regel in lamellarer Anordnung. Am Punkt E liegt ein

reines Eutektikum vor (gr.: eutektos = wohlgeformt, z.B. Pb–Sb, Al–Zn, Bi–Sn).

Zustandsschaubilder erlauben Aussagen über das Verhalten der Metalle beim Erwär-

men und beim Abkühlen sowie über Gefügearten und Gefügeumwandlungen.

Das System Eisen – KohlenstoffKohlenstoff kann in unterschiedlichen Formen in Eisenwerkstoffen auftreten. Er ist

atomar gelöst in α- und γ-Mischkristallen (Ferrit oder Austenit), gebunden an Eisen als

Eisencarbid (Zementit) Fe3C und frei als Grafit anzutreffen.

Im metastabilen System (gr.: meta = veränderlich; lat. stabil = fest) kommt Kohlenstoff an

Eisen gebunden als Eisencarbid Fe3C vor. Das metastabile System trifft zu für reine Eisen-

Kohlenstoff-Legierungen sowie für weißes Roheisen.

Im stabilen System liegt Kohlenstoff als Grafit vor. Es gilt für graues Roheisen und für gra-

fithaltiges Gusseisen.

In beiden Systemen tritt gelöster (atomarer) Kohlenstoff in α- und γ-Mischkristallen auf.

Das folgende, vereinfacht dargestellte Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff umfasst

das metastabile System. Es gilt nur bei sehr langsamer Abkühlung und Erwärmung.

Werden einer Eisenschmelze bis zu 4,3% Kohlenstoff zulegiert, sinken die Temperaturen

des Erstarrungsbeginns stetig bis zum Punkt C. Hier bildet sich an einem Haltepunkt ein

besonders gleichmäßiges – eutektisches – Gefüge aus Zementit und γ-Mischkristallen, die

mit weiter sinkender Temperatur eutektoid umwandeln (vergleiche dazu weiter unten).

Nach demMetallurgen Ledebur wird dieses Gefüge Ledeburit genannt.

Durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts über 4,3% hinaus steigen die Temperaturen des

Erstarrungsbeginns. Reines Eisencarbid hat einen Kohlenstoffgehalt von 6,67% und

würde am Punkt D erstarren. Es ist jedoch nicht beständig und zerfällt, so dass in reinen

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen nur Grafit entsteht. Oberhalb der Linie G-S-E liegt eine

feste Lösung (Einlagerungsmischkristall) von Kohlenstoffatomen im γ-Eisen vor, der sog.Austenit. – Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die sehr langsame Abkühlung.

15

500Zeit

Temperaturin

°C

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

15000 0,3 1,5 30,8 4,3 6,7% C

0 1 3 4 5 6

P S K

F

D

CE

0,8 2,03 4,36,67

S

S + g

Kohlenstoffgehalt in %

G

g

a

S + Fe3C

g + Fe3C

a + Fe3C

Bild 1: Zustandsschaubild Eisen – Kohlenstoff

Am Punkt G bildet sich aus reinem γ-Eisen α-Eisen (Ferrit). Bei Eisen-Kohlenstoff-

Legierungen wird die Temperatur dieser Umwandlung abgesenkt. Der Austenit eines

Stahles mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8% zerfällt am Punkt S bei 723 °C – einem Hal-

tepunkt – in Ferrit und Zementit. Diese Umwandlung im festen Zustand wird als eutektoid

bezeichnet. Sie findet bei allen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen beim Unterschreiten der

Phasengrenze P-S-K bei 723 °C statt. Bei unendlich langsamer Abkühlung, aber auch un-

ter einigen technischen Abkühlungsbedingungen, z.B. beim Normalglühen, bilden Ferrit

und Zementit bei der eutektoiden Reaktion eine charakteristische lamellare Anordnung.

Diese wird als Perlit bezeichnet.

Untereutektoide Legierungen – sie besitzen weniger als 0,8% Kohlenstoff – scheiden nach

demUnterschreiten der durch die Phasengrenzlinie G-S bestimmten Temperatur aus dem

Austenit zunächst Ferrit aus. Unterhalb von 723 °C zerfällt der restliche Austenit in Ferrit

und Zementit.

Übereutektoide Legierungenmit Kohlenstoffgehalten zwischen 0,8% und 2,06% scheiden

beim Passieren der durch die Phasengrenze S-E festgelegten Temperatur Zementit aus.

Unterhalb von 723 °C entstehenwieder Zementit und Ferrit. Bei der Erwärmung verlaufen

die beschriebenen Vorgänge sinnentsprechend in umgekehrter Reihenfolge.

Im Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff werden die Umwandlungen des bei niedrigen

Temperaturen beständigen α-Eisens und des bei hohen Temperaturen beständigen

γ-Eisens dargestellt.

In den einzelnen Feldern des metastabilen Zustandsschaubildes sind folgende Gefüge-

anteile zu finden. Feld I: Schmelze; Feld II: Schmelze und γ-Mischkristalle; Feld III:

Schmelze und Fe3C; Feld IV: γ-Mischkristalle (Austenit); Feld V: γ- und α-Mischkristalle; Feld

VI: γ-Mischkristalle und Fe3C; Feld VII: α-Mischkristalle (Ferrit) und Fe3C.

Die Gefügebestandteile der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen haben charakteristische

Eigenschaften. Unter dem Mikroskop lassen sich die Bestandteile, wie auf S. 17 gezeigt,

deutlich erkennen. Im Gleichgewichtszustand liegen vor:

Ferrit: Er baut sich aus kubisch-raumzentriertem α-Eisen auf und kann bei 723 °Cmaximal

0,02% Kohlenstoff lösen (s.a. S. 13).

Austenit: Diese Phase ist ein Einlagerungsmischkristall von kubisch-flächenzentriertem

γ-Eisen mit maximal 2,06% gelöstem Kohlenstoff bei 1147 °C (s.a. S. 13). Austenit ist rela-

tiv weich, gut verformbar und unmagnetisch.

Zementit: Bei diesem Namen handelt es sich um eine metallografische Bezeichnung.

Chemisch gesehen handelt es sich um Eisencarbid Fe3C. Er bildet komplizierte Kristalle

und ist mit etwa 800 HV der härteste Gefügebestandteil des Stahles.

Unter technischen Bedingungen entstehen besondere Gefügeanordnungen. Davon sol-

len hier nur zwei erwähnt werden.

Perlit: Er ist ein lamellares Gemenge aus Ferrit und Zementit. Je nach Entstehungsbedin-

gungen hat er eine Härte von 180 HB bis 370 HB.

Ledeburit: Er bildet sich in reiner Form bei einem Kohlenstoffgehalt von 4,3%. Bei Raum-

temperatur setzt er sich aus Zementit und Perlit zusammen. Ledeburit ist spröde und hat

von allen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen den niedrigsten Schmelzpunkt (s.a. S. 15).

Weitere Gefügearten, z.B. Bainit und Martensit, treten vor allem in legierten Stählen nach

beschleunigter Abkühlung auf (s. S. 62ff.).

16

3.3 Die Gewinnung der Metalle

Nur wenige Metalle, z.B. Gold, Platin, Silber und auch Kupfer, kommen in der Natur ge-

diegen, d.h. in freiem, nicht gebundenem Zustand vor. Meistens treten Metalle in chemi-

schen Verbindungen auf.

Gesteine, in denen nutzbares Metall oder nutzbare Metallverbindungen enthalten sind,

bezeichnet man als Erze.

Oxidische Erze enthalten Metall-Sauerstoffverbindungen (MeO), sulfidische Erze Metall-

Schwefel-Verbindungen (MeS) und carbonatische Erze (MeCO3, Me steht für Metall) an

die CO3-Gruppe gebundene Metalle.

17

Ferritisches GefügeKohlenstoffgehalt: bis 0,02 ProzentV = 200 : 1

PerlitkörnerKohlenstoffgehalt: 0,8 ProzentV = 1000 : 1Lamellare Anordnung von Zementit (dunkle Streifen)und von Ferrit (helle Bezirke)

Gefüge mit je etwa 50 Prozent Ferrit (weiße Bezirke)und 50 Prozent Perlit, dessen Lamellenabstand soklein ist, dassman die Struktur nicht immer erkennenkann.

Kohlenstoffgehalt: 0,4 ProzentV = 200 : 1

Austenitisches GefügeV = 100 : 1

LedeburitKohlenstoffgehalt: 4,3 ProzentDie schwarzen Bereiche sind Perlit, die weißenZementit

V = 500 : 1

Die Gefügeaufnahmen stellte freundlicherweise das

Max-Plank-Institut für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf,

zur Verfügung

Die Verbindungen entstehen dadurch, dass dieMetalle an die jeweiligen Reaktionspartner

Elektronen abgeben. Dadurch bilden sich positiv geladene Metallionen und negativ gela-

dene Nichtmetallionen, die sich gegenseitig anziehen, z.B.:

Fe → Fe2+ + 2e � Fe2+O2– oder einfach FeOO + 2e → O2–

Aus Fe2+ und O2– baut sich das verhältnismäßig stabile Eisenoxid FeO auf.

UmMetalle für den praktischen Gebrauch nutzbar zu machen, müssen sie aus den Erzen

und aus ihren chemischen Verbindungen isoliert werden. Dazu sind verschiedene Tech-

nologien üblich.

Ihnen allen ist gemeinsam, dass den Metallionen unter mehr oder weniger großem Ener-

gieaufwand ihre Elektronen zurückgegeben werden, die sie bei der Reaktion an ihre Re-

aktionspartner abgegeben haben.

Diese Rückgabe der Elektronen kann z.B. mit dem Entzug von Sauerstoff oder Schwefel

verbunden sein:

Fe2++ 2e � Fe Reduktion (Elektronenaufnahme)

O2– � O + 2e Oxidation (Elektronenabgabe)

Jede Aufnahme von Elektronen wird als Reduktion bezeichnet. Die Gewinnung der Ge-

brauchsmetalle erfolgt somit durch Reduktion.

Wenn ein Element Elektronen aufnimmt, muss ein anderes dafür Elektronen abgeben.

Jede Elektronenabgabe wird Oxidation genannt. Reduktion und Oxidation verlaufen par-

allel. Man spricht darum auch von Redox-Reaktionen, die bei der Metallgewinnung erfol-

gen.

3.3.1 Die Reduktion mit Kohlenstoff, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff

Dieses Verfahren findet bei der Verarbeitung oxidischer Erze Anwendung. Die Gewinnung

von Roheisen aus Magneteisenstein Fe3O4 ist dafür ein praktisches Beispiel. Als Reduk-

tionsmittel – das sind sauerstoffentziehende Mittel – werden Kohlenstoff und Kohlen-

stoffmonoxid sowie Wasserstoff eingesetzt. Sie stammen aus dem Koks bzw. bilden sie

sich beim Zerfall der bei der Verhüttung zugesetzten Erdölprodukte.

18

Erzart Formel der Chemischer Name der mineralogischerMetallverbindungen Metallverbindungen Name des Erzes

Oxidische Al2O3 · 2 H2O Aluminiumoxid Bauxit

Erze Fe3O4 Eisen(II, III)-oxid Magneteisenstein

SnO2 Zinn(IV)-oxid Zinnstein

Sulfidische FeS2 Eisen(II)-sulfid Pyrit

Erze ZnS Zinksulfid Zinkblende

PbS Bleisulfid Bleiglanz

Carbonatische FeCO3 Eisencarbonat Spateisenstein

Erze MnCO3 Mangancarbonat Manganspat

PbCO3 Bleicarbonat Weißbleierz

Vorgänge im HochofenKohlenstoff

Metalloxid + Kohlenstoffmonoxid � Metall + Kohlenstoffdioxid + Wasser

Wasserstoff

a) Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid CO:

aus dem durch Verbrennung des Kokses

entstehenden Kohlenstoffdioxid bildet sich

Kohlenstoffmonoxid CO2 + C � 2 CO.

b) Reduktion des Eisenerzes:

Fe3O4 + 2 C� 3 Fe + 2 CO2 sowie Fe3O4 + CO

� 3 FeO + CO2 und FeO + CO � Fe + CO2.

Ferner Fe3O4 + 4 H2 � 3 Fe + 4 H2O. Bei die-

sen Reaktionen entsteht festes Eisen.

c) Aufkohlung des Eisens:

Eisen nimmt Kohlenstoff auf. Dadurch sinkt

der Schmelzpunkt von 1536 °C auf etwa

1150 °C.

d) Schmelzen des Roheisens und des Gesteins

(Gangart):

durch weitere Wärmezufuhr schmelzen

Roheisen und Gestein. Danach erfolgt der

Abstich von Schlacke und Roheisen.

Durch Reduktion mit Kohlenstoff, Kohlenstoff-

monoxid und Wasserstoff lassen sich aus

Metalloxiden, die in manchen Fällen noch in

besonderen Arbeitsverfahren aus den Erzen

isoliert werdenmüssen, die folgendenMetalle gewinnen: Cobalt aus CoO, Nickel aus NiO,

Kupfer aus Cu2O, Zink aus ZnO, Zinn aus SnO2, Blei aus PbO und Wismut aus Bi2O3.

3.3.2 Die Reduktion mit anderen Elementen (Metallothermie)

Nicht alle Metalloxide lassen sich mit Kohlenstoff reduzieren. Hauptgrund dafür ist die im

Vergleich zu den jeweiligen Metallen nicht ausreichende Bindungskraft zwischen Kohlen-

stoff und Sauerstoff. An Stelle von Kohlenstoff wird daher z.B. Aluminium als Redukt-

ionsmittel verwendet, weil es sich leichter mit Sauerstoff verbindet als Kohlenstoff. Diese

Art der Metallgewinnung bezeichnet man als aluminothermische Verfahren.

Die Erzeugung von reinem Vanadin z.B. verläuft nach folgender

Reaktionsgleichung: 3 V2O5 + 10 Al � 6 V + 5 Al2O3

oder allgemein: Metalloxid + Aluminium � Metall + Aluminiumoxid.

Auf die gleiche Weise lassen sich Chrom aus Cr2O3 und Mangan aus Mn3O4 gewinnen. –

Außer Aluminium können Natrium, Calcium, Magnesium, Wasserstoff und Silicium als

Reduktionsmittel eingesetzt werden. Technische Bedeutung besitzt in diesem Zusam-

menhang das Thermitschweißen, bei dem Eisenoxid durch Aluminium zu Eisen und

Aluminiumoxid reduziert wird.

3.3.3 Die Röstreduktion

Unter Rösten versteht man die Umwandlung von sulfidischen und carbonatischen Erzen

in oxidische Erze durch Erhitzen unter Luftzufuhr. Die entstehenden Metalloxide können

anschließend mit Kohlenstoff reduziert werden. Sulfidische Erze liefern außerdem

Schwefeldioxid, das zu Schwefelsäure weiterverarbeitet wird. Die carbonatischen Erze

geben Kohlenstoffdioxid ab.

19

Gicht-gas

Vorw

ärm

-zone

Reduktions-

zone

Schmelz-

zone

200 °C

600 °C

1000 °C

1200 °C

Roh-eisen

700 °C

1700 °C

1400 °C Kohlungs-

zone

Schlacke

Heißluft≈ 700°

Rast

Kohlen-sack

Schacht

Gicht

EisenerzKoksZuschläge

Roheisenzum

Stahlwerk

Schlackezur

Verarbeitung

Gestell

Bild 1: Hochofen

Geröstet werden z.B. Bleisulfid PbS, Zinksulfid ZnS, Molybdänsulfid MoS und Eisensulfid

FeS sowie Bleicarbonat PbCO3, Mangancarbonat MnCO3 und Eisencarbonat FeCO3:

4 FeCO3 + O2 � 2 Fe2O3 + 4 CO2.

3.3.4 Die Reduktion durch Elektrolyse einer Metallsalzlösung

Unter einer Elektrolyse versteht man die Zerlegung von Elektrolyten durch Gleichstrom in

ihre Bestandteile. Elektrolyte sind elektrisch leitende Lösungen oder Salzschmelzen.

Beispielsweise ist bei der Elektrolytkupfergewinnung der Elektrolyt eine mit Schwefel-

säure angesäuerte Kupfersulfatlösung. Die Katode bestehtmeist aus Reinstkupfer, die An-

ode aus Rohkupfer mit Verunreinigungen verschiedener Metalle, u.a. Gold und Silber. Es

laufen die folgenden Reaktionen ab:

Anode: das Rohkupfer wird aufgelösta) Die Gleichstromquelle entzieht den Kupfer-

atomen je zwei Elektronen: Cu – 2e � Cu2+

(Oxidation).

b) die entstehenden Kupferionen wandern zur

Katode.

Katode: es scheidet sich Elektrolytkupfer aba) Kupferionen Cu2+ werden angezogen.

b) Kupferionen nehmen pro Ion zwei Elektro-

nen auf: Cu2+ + 2e � Cu (Reduktion).

Das durch Reduktion entstandene Elektrolyt-

kupfer hat einen Reinheitsgrad von etwa 99,9 Prozent. Es wird umgeschmolzen und zu

Fertigprodukten weiterverarbeitet. Der an der Anode zurückbleibende Schlamm enthält

u.a. Gold und Silber. Die Edelmetalle werden in einem besonderen Arbeitsschritt gewon-

nen.

Durch Elektrolyse ihrer wässrigen Metallsalzlösungen lassen sich außer Kupfer noch ge-

winnen: Gold, Silber, Platin, Chrom, Zink und Zinn.

3.3.5 Die Reduktion durch Elektrolyse im Schmelzfluss

Die der Aluminiumgewinnung ist aus einer wässrigen Lösung nicht möglich, da Alumi-

nium sehr unedel ist. Daher besteht der Elektrolyt aus einer geschmolzenen Mischung

von Aluminiumoxid Al2O3 und Kryolyth. Durch die Mischung wird der Schmelzpunkt des

Aluminiumoxides von ca. 2000 °C auf etwa

900 °C gesenkt (Eutektikum, s. Bild 1, S. 14). In der

Schmelze bewegen sich Aluminiumionen Al3+

und Sauerstoffionen O2–. Die Katode besteht aus

einem grafithaltigen Schmelztiegel (Boden der

Zelle), die Anode aus Kohleelektroden. Im Einzel-

nen laufen nach der Gleichung 2 Al2O3 � 4 Al + 3

O2 die folgenden Reaktionen ab:

Anode: es bildet sich Kohlenstoffdioxida) die Stromquelle entzieht den Sauerstoffionen

Elektronen: 6 O2– – 12e� 6 O bzw. 3 O2 (Oxida-

tion)

b) der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff

der Elektrode 3 C + 3 O2 � 3 CO2.

20

Cu2+SO42–

Cu2+

=– +

KatodeAbscheidung

AnodeAuflösung

– +

Bild 1: Elektrolytkupfergewinnung

=– +

Katode Anode

+

Al3+ O2–

Elektrolyt

Al

– +

–

Bild 2: Aluminiumgewinnung(Elektrolysezelle)