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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
[email protected] 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)