Werkstofftechnikfür Metallbauberufe

vonDr. Eckhard Ignatowitz

Mit Eigenschafts- und Maßtabellen sowie Bearbeitungsrichtwerten für

– Werkstoffe – Halbzeuge – Normteile – Hilfsstoffe – Bauteile –

5. Auflage

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG

Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 15414

EUROPA-FACHBUCHREIHEfür Metallberufe

2

Autor: Dr.-Ing. Eckhard Ignatowitz / Waldbronn

Entwurf der Bilder und des Umschlages: Dr. E. Ignatowitz

Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfildern

Fotos: Firmen und Fachinstitute (siehe Seite 310 ff.)

Den Damen und Herren der Arbeitskreise METALLBAUTECHNIK FACHBILDUNG und TABELLENBUCHFÜR METALLBAUTECHNIK des Verlags Europa-Lehrmittel dankt der Autor für wertvolle Anregungenbei der Erstellung des Manuskriptes:

Dipl-Ing. OStR Manfred Kluge OStR Hans Joachim PahlDipl.-Ing.-Päd. Dagmar Köhler Dipl.-Ing. Armin SteinmüllerDipl.-Ing.-Päd. Frank Köhler Dipl.-Ing., OStR Hans-Martin WeinstockDipl.-Ing., StD Gerhard Lämmlin StD Alfred Weingarter

Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der bei Redaktionsschluss aktuell gültigen Normen

erstellt.

5. Auflage 2011, korrigierter Nachdruck 2017Druck 5 4 Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur von Druckfehlern untereinander unverändert sind.

Diesem Buch liegen die bei Redaktionsschluss (2010) gültigen Ausgaben der DIN-Normblätter, der Europäsichen Norm-blätter DIN EN, der ISO-Normen und der VDI-Richtlinien zugrunde.Verbindlich für die Bestellung und Anwendung sind nur die DIN-Normblätter, DIN EN-Normblätter, ISO-Normblätterund VDI-Richtlinien in der gültigen Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum.Bezug der DIN-, DIN EN- und ISO-Normblätter sowie der VDI-Richtlinien über:Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 4, 10787 Berlin oder unter www.mybeuth.de

ISBN 978-3-8085-1545-7

© 2011 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruitenhttp:\\www.europa-lehrmittel.de

Satz: rkt, 42799 Leichlingen, www.rktypo.comUmschlag: MediaCreativ, G. Kuhl, 40724 HildenUmschlagfotos: Thyssen aG, Düsseldorf, Bemo Fensterbau, Weißenthurm

Sven Körting Geländerbau, Dessau und Ernst Leitz GmbH, WetzlarDruck: Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn

Vorwort

Das Buch WERKSTOFFTECHNIK FÜR METALLBAUBERUFE ist ein Lehr- und Lernbuch für die Ausbil-dung in Schule und Betrieb sowie ein Nachschlagewerk für die berufliche Praxis in der Werkstatt, imBetrieb und auf der Baustelle.

Das Buch ist geeignet als unterrichtsbegleitendes Lehrbuch für die Auszubildenden zum

● Handwerksberuf METALLBAUER

(frühere Berufsbezeichnungen: Bauschlosser, Metallbauschlosser, Stahlbauschlosser, Betriebs-schlosser, Kunstschmied) sowie für den

● Industrieberuf KONSTRUKTIONSMECHANIKER

(frühere Berufsbezeichnungen Stahlbauschlosser, Bauschlosser, Betriebsschlosser, Blechschlosser,Schiffbauer) und den

● Industrieberuf ANLAGENMECHANIKER

(frühere Berufsbezeichnungen: Kessel- und Behälterbauer, Betriebsschlosser, Blechschlosser,Kupferschmied, Rohrinstallateur, Hochdruckschlosser, Rohrnetzbauer)

Daneben ist es für alle in diesen Berufen Tätigen eine wertvolle Hilfe zum Auffrischen von Werkstoff-technikwissen sowie zum Nachschlagen von Werkstoffdaten und Fertigungs-Richtwerten.

Auch für Studenten an Technikerschulen und Fachhochschulen der Fachrichtung Bauingenieurwesenist es zur Einführung in die Werkstofftechnik geeignet.

Ziel des Buches ist eine solide Vermittlung von Werkstofftechnik-Fachwissen und das Bereitstellen vonWerkstoffdaten und Fertigungs-Richtwerten für Praktiker.

Das Buch enthält einen Werkstofftechnikteil sowie einen Tabellenteil.

Werkstofftechnikteil

Der Werkstofftechnikteil geht kurz auf die Herstellung der Werkstoffe ein.Breiter Raum wird der Beschreibung der einzelnen Werkstoffe, ihren Eigenschaften sowie der Verarbei-tung und Verwendung gewidmet. Besonderer Wert wird dabei auf die metallbau-spezifischen Themender Schweißtechnik sowie des Korrosionsschutzes gelegt.

Tabellenteil

Der Tabellenteil enthält Eigenschaften und Maßtabellen der Werkstoffe, der Zusatz- und Hilfsstoffe, derMetallerzeugnisse (Halbzeuge) und wichtiger Normteile.Darüber hinaus enthält er Richtwerte für die Fertigungs- und Bearbeitungsverfahren sowie Hinweisefür die Verwendung.

Die Sachthemen sind im Tabellenteil in derselben Reihenfolge wie im Werkstofftechnikteil angeordnetund sind durch Seitenhinweise leicht aufzufinden.

Durch die gemeinsame Darstellung von Werkstofftechnik sowie Eigenschafts- und Maßtabellen, Ferti-gungs-Richtwerten und Anwendungshinweisen in einem Buch wird eine Verbindung und Verzahnungvon Werkstofftechnik-Fachwissen mit der Anwendung und Verarbeitung der Werkstoffe erzielt.

Das Buch WERKSTOFFTECHNIK schließt die Lücke zwischen theoretisierenden Werkstofftechnik-büchern und Tabellenwerken und bietet dem Benutzer eine Lern- und Arbeitshilfe aus einem Guss.

Die vorliegende 5. Auflage entspricht dem aktuellen Stand der Normen, der insbesondere im Bereichder Werkstoffkurznamen und der Schweißzusätze umfangreiche Veränderungen erfahren hat.

Ergänzungen im Bereich der Zustandsschaubilder von Metallen, der Werkstoffnormung, dem Härten,dem Schweißen, dem Schleifen, der Korrosion, dem Korrosionsschutz, den Klebstoffen und den Ver-glasungen bringen das Buch auf einen aktuellen technologischen Stand.

Das Sachwortverzeichnis enthält die englische Übersetzung der Sachwörter. Es kann als Fachwörter- Lexikon genutzt werden.

Der Autor Winter 2010/2011

3

4

1 Übersicht und Einteilung . . . . . . . . . . . 9

1.1 Rohstoffe, Werkstoffe, Hilfsstoffe . . . . . . . 91.2 Einteilung der Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . 12

2.1 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . 122.2 Mechanisch-technische Eigenschaften . . . 132.3 Fertigungstechnische Eigenschaften . . . . 142.4 Chemisch-technische Eigenschaften . . . . 152.5 Umwelt-Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Roheisengewinnung

und Stahlherstellung . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1 Chemische Grundlagen derMetallgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Eisenerze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3 Roheisengewinnung im Hochofen . . . . . . 173.4 Roheisenerzeugung durch Direkt-

reduktions-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.5 Stahlherstellung mit dem

Sauerstoff-Aufblasverfahren . . . . . . . . . . . 193.6 Stahlherstellung mit dem

Elektrostahlverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.7 Nachbehandlung des

flüssigen Stahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.8 Vergießen des flüssigen Stahls . . . . . . . . 21

Übersicht: Roheisengewinnungund Stahlherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.9 Vorgänge im Werkstoffbei der Metallherstellung . . . . . . . . . . . . . . 23

4 Verarbeitung zu Stahlerzeugnissen . 24

4.1 Warmwalzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2 Strangpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3 Rohrherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.4 Kaltumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5 Kurzbezeichnung der Stähle und

Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.1 Kurznamen für Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . 285.2 Kurznamen für Gusseisenwerkstoffe . . . . 315.3 Die alten Kurznamen für Stähle

und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . 325.4 Werkstoffnummern für Stähle, Stahlguss

und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . 33

6 Die wichtigsten Stähle und

Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.1 Einteilung der Stähle undGusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.2 Stähle und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . 366.2.1 Unlegierte Baustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.2.2 Schweißgeeignete Feinkornbaustähle . . . 376.2.3 Wetterfeste Baustähle . . . . . . . . . . . . . . . . 376.2.4 Stähle für Bleche und Band . . . . . . . . . . . . 386.2.5 Nichtrostende Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.2.6 Maschinenbaustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.2.7 Werkzeugstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.2.8 Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 446.2.9 Stahlguss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7 Stahlerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7.1 Langerzeugnisse aus Stahl . . . . . . . . . . . . 477.1.1 Warmgewalzte Stäbe (Stabstähle) . . . . . . 477.1.2 Warmgewalzte Profile (Formstähle,

Profilstähle, Träger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.1.3 Geschweißte Profile (Wabenträger) . . . . . 487.1.4 Stahlhohlprofile und Stahlrohre . . . . . . . . 487.1.5 Kaltprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.2 Rahmen-Hohlprofile (RP-Profile) aus Stahl

für Fenster, Türen, Geländer . . . . . . . . . . . 497.3 Flacherzeugnisse aus Stahl . . . . . . . . . . . . 517.4 Stahl-Ausbauerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . 527.5 Betonstabstahl und Betonstahlmatten . . 527.6 Stahldraht und Drahterzeugnisse . . . . . . . 537.7 Schmiedeeiserne Zier-Bauteile . . . . . . . . 53

8 Der innere Aufbau der Metalle . . . . . . 54

8.1 Gefüge und kristalline Struktur . . . . . . . . . 548.2 Die Kristallgittertypen der Metalle . . . . . . 558.3 Der reale kristalline Aufbau . . . . . . . . . . . . 558.4 Kristalline Struktur und Eigenschaften . . 568.5 Gefüge und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 578.6 Gefügearten der Eisen-Werkstoffe . . . . . . 588.7 Schmelz- und Erstarrungsverhalten

der Metalle, Zustandsschaubilder . . . . . . 608.8 Das Eisen-Kohlenstoff-

Zustandsschaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

9 Wärmebehandlung der Stähle

und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . 64

9.1 Glühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.2 Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669.2.1 Arbeitsschritte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669.2.2 Gittervorgänge und Gefügeverände-

rungen beim Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699.2.3 Zeit-Temperatur-Umwandlungschaubild

(ZTU-Schaubild)9.3 Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719.4 Verfahren zum Härten der Randzone . . . . 72

Inhaltsverzeichnis Werkstofftechnik

9.5 Wärmebehandlung der Baustähle fürden Stahlbau und das Bauwesen . . . . . . 73

9.6 Wärmebehandlung der Vergütungsstähle 739.7 Wärmebehandlung der Werkzeugstähle 749.8 Wärmebehandlung der

nichtrostenden Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . 759.9 Wärmebehandlung der Stähle

für Randzonenhärtung . . . . . . . . . . . . . . . 76

10 Werkstoffkundliches Wissen beim

Verarbeiten der Werkstoffe . . . . . . . . . 77

10.1 Vorgänge beim Umformen . . . . . . . . . . . 7710.2 Biegeumformen (Kaltverformung) . . . . . 7810.3 Schmieden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7810.5 Spanen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7910.5 Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8110.5.1 Wichtige Schweißverfahren . . . . . . . . . . . 8110.5.2 Werkstoffkundliche Gesichtspunkte

beim Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8410.6 Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8610.7 Kleben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8610.8 Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . . 87

11 Aluminium und

Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . 88

11.1 Aluminium-Herstellung . . . . . . . . . . . . . . 8811.2 Eigenschaften und Verwendung . . . . . . . 8911.3 Aluminium-Werkstoffarten . . . . . . . . . . . . 8611.4 Kurzbezeichnung von Al-Werkstoffen . . . 9011.5 Härten von Aluminiumlegierungen . . . . 9111.6 Genormte Aluminiumwerkstoffe . . . . . . . 9111.7 Aluminium-Halbzeuge . . . . . . . . . . . . . . . 9211.8 Verarbeitung von Al-Werkstoffen . . . . . . 9411.9 Fügen von Aluminiumbauteilen . . . . . . . 96

12 Kupfer und Kupferlegierungen . . . . . 98

12.1 Kupfer-Gewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9812.2 Allgemeine Eigenschaften

und Verwendung von Kupfer . . . . . . . . . . 9812.3 Unlegierte Kupfersorten . . . . . . . . . . . . . . 9912.4 Niedrig legierte Kupferwerkstoffe . . . . . . 10012.5 Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) . . . . 10012.6 Kupfer-Zinn-Legierungen und

Kupfer-Zinn-Mehrstofflegierungen . . . . . 10212.7 Kupfer-Nickel-Legierungen und

Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen . . . . . . . 10312.8 Kupfer-Aluminium-Legierungen . . . . . . . 103

13 Weitere technisch

wichtige Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

13.1 Zink und Zinklegierungen . . . . . . . . . . . . 10413.2 Zinn und Zinnlegierungen . . . . . . . . . . . . 10513.3 Blei und Bleilegierungen . . . . . . . . . . . . . 10513.4 Nickel und Nickellegierungen . . . . . . . . . 106

13.5 Titan und Titanlegierungen . . . . . . . . . . . 10613.6 Magnesium und Mg-Legierungen . . . . . 10613.7 Legierungsmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10713.8 Hochschmelzende Metalle . . . . . . . . . . . . 10713.9 Edelmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

14 Lote und Flussmittel . . . . . . . . . . . . . . 108

14.1 Werkstoffkundliche Vorgänge beim Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

14.2 Lötverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11014.3 Weichlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11014.4 Hartlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11114.5 Durchführung der Lötarbeiten . . . . . . . . . 113

15 Korrosion und Korrosionsschutz . . . 114

15.1 Elektrochemische Korrosion . . . . . . . . . . 11415.1.1 Elektrochemische Sauerstoffkorrosion . . 11415.1.2 Elektrochemische Korrosion an Kor -

rosionselementen (Kontaktkorrosion) . . 11515.2 Korrosion bei hohen Temperaturen . . . . 11715.3 Erscheinungsformen der Korrosion . . . . 11715.4 Einflussfaktoren auf die Korrosion

eines Bauteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11815.5 Auswahl der Werkstoffe nach dem

Korrosionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . 11915.6 Korrosionsschutzgerechte Konstruktion . 12015.7 Korrosionsschutz von Stahlbauteilen . . . 12115.7.1 Vorbereiten der Stahloberfläche . . . . . . . 12115.7.2 Rostgrade und Oberflächen-

vorbereitungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12215.7.3 Korrosionsschutzbeschichtungen auf

Stahlbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12215.7.4 Korrosionsschutz durch Feuerverzinken . 12415.7.5 Feuerverzinkung und Beschichtung

(Duplex-Systeme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12515.7.6 Katodischer Korrosionsschutz

von Stahl-Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12515.8 Korrosion und Korrosionsschutz

von nichtrostenden Stählen . . . . . . . . . . . 12615.9 Korrosionsschutz von

Aluminium-Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . 12715.9.1 Anodische Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . 12715.9.2 Farbbeschichtungen und Überzüge

auf Aluminium-Bauteilen . . . . . . . . . . . . . 12815.10 Korrosion und Korrosionsschutz

von Kupferwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . 129

16 Sinterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

16.1 Herstellung von Sinterteilen . . . . . . . . . . 13016.2 Besonderheiten der Sintertechnik . . . . . . 13116.3 Sintermetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13216.4 Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13316.5 Schneidkeramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5

6

17 Kunststoffe (Plaste) . . . . . . . . . . . . . . . . 135

17.1 Eigenschaften und Anwendung . . . . . . . 135

17.2 Herstellung und innerer Aufbau . . . . . . . 136

17.3 Technische Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . 138

17.4 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

17.5 Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

17.6 Elastomere (Elaste, Gummi, Kautschuk) 142

17.7 Bestimmen der Kunststoffart . . . . . . . . . . 143

17.8 Halbzeug- undFertigteile-Herstellung (Urformen) . . . . . 143

17.9 Weiterverarbeitung der Halbzeuge . . . . . 145

17.10 Schweißen von Kunststoffen . . . . . . . . . . 146

17.11 Kleben von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . 147

17.12 Klebstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

17.13 Spezielle Anwendungen vonKunststoffen im Metallbau . . . . . . . . . . . . 148

18 Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 151

18.1 Innerer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

18.2 Faserverstärkte Verbundwerkstoffe . . . . . 152

18.3 Stahlbeton-Verbunde . . . . . . . . . . . . . . . . 153

18.4 Teilchenverstärkte Verbundwerkstoffe . . 154

18.5 Schichtverbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . 155

19 Glas und Glasbauteile . . . . . . . . . . . . . 157

19.1 Herstellung von Flachglas . . . . . . . . . . . . 157

19.2 Eigenschaften von Glas . . . . . . . . . . . . . . 158

19.3 Gussglassorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

19.4 Fenster- und Spiegelglas . . . . . . . . . . . . . 158

19.5 Verglasungen für Wärmeschutz-fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

19.6 Verglasungen mit Wärme-und Sonnenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

19.7 Schallschutzverglasungen . . . . . . . . . . . . 160

19.8 Brandschutzverglasungen . . . . . . . . . . . . 161

19.9 Sicherheitsverglasungen . . . . . . . . . . . . . 161

19.10 Weitere Glasprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . 162

20 Schmierstoffe und

Reinigungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

20.1 Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

20.2 Kühlschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

20.3 Reinigungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

21 Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

21.1 Mauerwerksbaustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 166

21.2 Bauwerksteile aus Beton . . . . . . . . . . . . . 167

21.3 Bauholz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

21.4 Verbundplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

21.5 Verbindungsmittel (Mörtel) . . . . . . . . . . . 168

21.6 Einwirkungen von Mörtelauf Metall-Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

21.7 Befestigen von Metall-Bauteilenan Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

22 Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

22.1 Einfache Prüfungen in der Werkstatt . . . . 170

22.2 Mechanisch-technische Prüfverfahren für Erzeugnisformen . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

22.3 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

22.4 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

22.5 Scherversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

22.6 Härteprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

22.7 Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy . . 180

22.8 Dauerschwingfestigkeits-Prüfung . . . . . . 180

22.9 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen . . . 181

22.10 Metallografische Untersuchungen . . . . . 183

22.11 Prüfung der Werkstoffzusammen-setzung (Werkstoffanalyse) . . . . . . . . . . . 184

22.12 Prüfung der Kunststofe . . . . . . . . . . . . . . . 185

22.13 Kennwerte wichtiger Kunststoffe . . . . . . 186

Inhaltsverzeichnis Tabellenteil 189

Werkstoffkundliche Grundlagen . . . . . . . . . . . 192

Periodensystem der Elemente,physikalische und chemische Eigenschaften der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Technisch wichtige Chemikalien und Substanzen, Eigenschaften, Verwendung . . . . . . 193

Physikalische Eigenschaften: Metalle, Legierungen, Nichtmetalle, Flüssigkeiten, Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Physikalische Größen und ihre gesetzlichenEinheiten (SI-Einheiten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Kurzbezeichnung für

Stähle und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . 197

Kurznamen für Stähle nach europäischer Norm DIN EN 10 027-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

Werkstoffnummern für Stählenach europäischer Norm DIN EN 10 027-2 . . . . . . 199

Kurznamen für Gusseisenwerkstoffe nach europäischer Norm DIN EN 1560 . . . . . . . . 200

Die alten Kurznamen für Stähle und Gusseisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

Stähle und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . 201

Unlegierte Baustähle, schweißgeeigneteFeinkornbaustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Wetterfeste Baustähle, Nichtrostende Stähle,Vergütungsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Werkzeugstähle, Betonstahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Gusseisenwerkstoffe, Stahlguss . . . . . . . . . . . . . . 204

Stahlerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Flacherzeugnisse aus Stahl (nicht korrosions-geschützt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Korrosionsgeschützte Flacherzeugnisse aus Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

Flacherzeugnisse und Fertigerzeugnisse aus Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

Flacherzeugnisse, Blechprofile und Rahmen-profile aus Stahl (für Fenster) . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Streckgitter, Gitterroste, Ankerschienen,Betonstabstahl, Stahldraht, Drahtseile . . . . . . . . . 210

Rundstahlketten, Drahtgeflechte, Drahtgewebe,Drahtgitter, Wandkassetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

Schmiedeeiserne Zier-Bauelemente . . . . . . . . . . . 211

Flächen- und längenbezogene Massen von Fertigerzeugnissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

Warmgewalzte Stäbe (Stabstähle), Blankstahl -erzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Warmgewalzte Profile (Formstähle, Profilstähle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 … 215

Warmgewalzte Profile: Träger . . . . . . . . . . 216 … 217

Mantelflächen von Stahl-Langerzeugnissen . . . . 218

Stahlhohlprofile (quadratisch, rechteckig, rund) . 219

Stahlhohlprofile, Stahlrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

Festigkeitsberechnungen an Langerzeugnissen . 221

Der innere Aufbau der Metalle . . . . . . . . . . . . 222

Das Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild . . . . . . 222

Gefügebilder von Stählen und Gusseisen . . 222, 223

Wärmebehandlung der Stähle und

Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

Begriffsdefinitionen, Glüh-, Härte- undAnlasstemperaturen unlegierter Stähle . . . . . . . . 224

Wärmebehandlung der Baustähle undVergütungsstähle, Vergütungsschaubilder . . . . . . 225

Wärmebehandlung der Werkzeugstähle . . . . . . . 226

Bearbeitung und Verarbeitung von

Stählen und Gusseisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

Biegeumformen, Schmieden (Richtwerte) . . . . . . 227

Bohren, Sägen mit der Bandsäge undder Metallkreissäge (Richtwerte) . . . . . . . . . . . . . . 228

Drehen: Klemmhalter mit Wendeschneid-platte, Richtwerte für das Drehen . . . . . . . . . 229, 230

Fräsen: Fräsarbeiten, Richtwerte . . . . . . . . . . . . . . 230

Schleifen, Schleifscheiben, Bezeichnung . . . . . . . 231

Oberflächenbearbeitung von nichtrostenden Stählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Schweißverfahren, Schweißnahtarten und Schweiß naht vorbereitung, Schweißpositionen, zeichnerische Darstellung, Brenn schneiden . . . . 233

Gasschmelzschweißen, Gasentnahmemengen,Schweißstäbe, Richtwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

Lichtbogenhandschweißen (E-Schweißen),Umhüllte Stabelektroden zum E-Schweißen für die verschiedenen Stahlsorten . . . . . . . . 235, 236

Lichtbogenhandschweißen: Zuordnung der Stabelektroden für Werkstoffe . . . . . . . . . . . . 237

Berechnung des Elektrodenbedarfs beim Lichtbogen-Schmelzschweißen . . . . . . . . . . . 238, 239

Schutzgasschweißen (SG-Schweißen),SG-Schweißverfahren, Schutzgase . . . . . . . . . . . . 240

Drahtelektroden, Schweißstäbe und Schweißgut zum Schutzgasschweißen (MAG, MIG, WIG, WP) verschiedener Stahlsorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241, 242

Zuordnung von Drahtelektroden bzw. Schweiß -stäben für das Schutzgasschweißen . . . . . . . . . . . 243

Einstellwerte und Elektrodenbedarfbeim Schutzgasschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

Hauptnutzungszeit beim Lichtbogen-Schmelzschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

Metall-Schutzgasschweißen mit Fülldraht-elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

Unterpulverschweißen, Bolzenschweißen . . . . . . 247

Bewertung der Unregelmäßigkeiten von Lichtbogen-Schweißverbindungen bei Stahl . . . . 248

Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

Lötzusätze zum Hartlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

Flussmittel zum Hartlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

Weichlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

Flussmittel zum Weichlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Lote und Flussmittel für das Löten von Kupfer-rohren in der Rohrinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

Übersicht:Schrauben, Muttern, Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . 252

7

8

Aluminium und Aluminiumlegierungen . . . 253

Kurznamen der Aluminiumwerkstoffe,Bezeichnung des Werkstoffzustands . . . . . . . . . . . 253

Alumiumwerkstoffe und ihre Eigenschaften . . . . 254

Mechanische Eigenschaften von Stangen,Rohren und Profilen aus Aluminium . . . . . . . . . . 254

Aluminium-Halbzeuge: Stangen, Bleche, Rohre, Hohlprofile, Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

Verarbeitung von Al-Werkstoffen: Richtwerte fürdas Biegen, Sägen, Bohren, Drehen, Fräsen . . . . 256

Schweißen und Löten von Al-Werkstoffen . . 257, 258

Kupfer und Kupferlegierungen . . . . . . . . . . . . 259

Kurznamen, Werkstoffnummern . . . . . . . . . . . . . . 259

Unlegierte Kupfersorten und Kupfer-legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259, 260

Halbzeuge aus Kupferwerkstoffen: Bleche, Stangen, Hohlstangen, Rohre, Draht . . . . . . 261, 262

Schweißen und Löten von Kupferwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

Weitere technisch wichtige Metalle . . . . . . 264

Zink-, Zinn-, Blei-, Nickel-und Titanwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

Korrosion und Korrosionsschutz . . . . . . . . . . 265

Korrosionsarten, Korrosionsverhalten der Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

Kontaktkorrosion, Spannungsreihe der Metalle . 266

Ermitteln des geeigneten Korrosionsschutzes,Korrosivitätskategorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

Vorauswahl und Vorbereitung für denKorrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

Korrosionsschutz durch Feuerverzinken . . . 269, 270

Vorbereitung der Stahloberflächen zum Beschichten, Rostgrade, Oberflächen vor -bereitungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271, 272

Korrosionsschutz-Beschichtungssystemefür Stahlbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273…275

Korrosionsschutz für Aluminium-Bauteile . . . . . . 276

Sinterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

Sinterwerkstoffe: Einteilung, Eigenschaften,Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

Schneidstoffe: Hartmetalle, Schneidkeramik . . . . 278

Anwendungsbereiche und Klassifizierung harter Schneidstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Kurzzeichen für Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Kurzzeichen für Füll- und Verstärkungsstoffe in Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Kunststoffsorten, allgemeine, physikalische und chemische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 280, 281

Bestimmen der Kunststoffartnach Erkennungsmerkmalen . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Kunststoff-Halbzeuge: Stäbe, Tafeln, Bahnen, Formmassen, Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . 283

Verstärkte Kunststoffe: Kurzzeichen, Eigenschaften, Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

Verstärkte Kunststoff-Formmassen, Laminate, Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

Richtwerte für die spanende Bearbeitung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

Schweißen der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

Kleben: Gestaltung von Klebeverbindungen,Klebstoffe, Vorbehandlung der Klebeflächen . . . .288

Klebstoff-Auswahltabellen für Verklebungen von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

Klebstoff-Auswahltabellen für Verklebungen verschiedenartiger Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 290

Fensterglas, Verglasungen . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Physikalisch-technische Eigenschaftenvon Fensterglas, Arten von Verglasungen . . . . . . 291

Wärmedurchgangskoeffizienten, bewertetesSchalldämmmaß von Verglasungen . . . . . . . . . . . 291

Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Schmieröle, Schmierfette, feste Schmier-stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Funkenbilder von Stählen(zur Werkstofferkennung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

Druckversuch, Scherversuch, Kerbschlag -biegeversuch, Dauerschwingversuch . . . . . . . . . . 295

Härteprüfungen: Brinell, Vickers, Martens, Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296, 297

Umwertungstabelle für Härtewerteund Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

Zerstörungsfreie Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 298

Gefügeschliffbilder von Stählen und Guss -eisenwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

Elektronenmikroskopische Bilder von Bruchflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301(mit englischer Übersetzung der Sachwörter)

Bildnachweis und

Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

1 Übersicht und Einteilung

1.1 Rohstoffe, Werkstoffe, Hilfsstoffe

Die Werkstoffe werden aus unterschiedlichenRohstoffen gewonnen.Die Rohstoffe liefert entweder die belebte Naturoder sie werden aus der oberen Schicht der Erd-kruste, z.B. als Erze, entnommen (Bild 1).

Natürliche Werkstoffe

Die natürlichen Werkstoffe, wie z.B. Holz, Lederoder Graphit, haben dieselbe oder eine ähnlicheZusammensetzung wie die Rohstoffe, aus denensie hergestellt werden. Zu ihrer Herstellung müs-sen die Rohstoffe lediglich aufbereitet bzw. bear-beitet werden.So werden z.B. Tierhäute zu Leder gegerbt, dasGraphit mineral zerkleinert und zu Schmierstoff-pulver verarbeitet oder Baumstämme getrocknetund dann zu Bauholz zersägt (Bild 2).

Künstlich hergestellte Werkstoffe

Die Mehrzahl der in der Technik verwendetenWerkstoffe sind keine natürlichen Werkstoffe. Essind vielmehr künstlich hergestellte Werkstoffe,wie z.B. die Metalle, die Kunststoffe oder die Glä-ser. Sie werden aus den Rohstoffen durch chemi-sche Umwandlung hergestellt (Bild 3).

So entsteht Eisen z.B. durch Reduktion, d.h. Sauer -stoffentzug, von Eisenerz. Die Kunststoffe werdendurch Synthese aus Erdölprodukten gewonnenund Glas wird durch Zusammenschmelzen ausQuarz sand, Kalk und Soda hergestellt.Die Werkstoffe dienen zur Herstellung von Bautei-len, Werkstücken, Werkzeugen, Gebrauchsgegen-ständen, Maschinen- und Apparateteilen. Da zuwerden die Werkstoffe bearbeitet oder es wird ih-nen eine andere Form gegeben.

Hilfsstoffe, Hilfsmittel

Zur chemischen Umwandlung der Rohstoffe zuWerkstoffen sowie zur Bearbeitung und Formge-bung der Werkstoffe benötigt man Hilfsstoffe undHilfsmittel. Für die Eisenherstellung z.B. sind dieHilfsstoffe Koks, Zuschläge und Wasser sowie alsHilfsmittel Wärme erforderlich. Zum Drehen einerWelle z.B. benötigt man als Hilfsstoff ein Kühl-schmiermittel sowie als Hilfsmittel elektrischenStrom (Bild 4).

Weitere Hilfsstoffe sind Schmierstoffe, Kühlmit-tel, Schleif- und Poliermittel, Härtemittel, Lötmit-tel, Reinigungsmittel, Treib- und Brennstoffe usw.Hilfsmittel sind die Energieträger elektrischerStrom, Dampf und Wärme.

9

Bild 1: Die Erde – unser Rohstofflieferant

Bild 2: Natürliche Werkstoffe

Bild 3: Künstlich hergestellte Werkstoffe

Bild 4: Vom Halbzeug zum Bauteil

10

Ziertor aus Schmiedestahl

Fensterrahmen aus Aluminium-Legierung

MIG-Schweißzusatz aus Kupfer-Legierung

Drehwerkzeug aus Hartmetall

I - Träger aus Baustahl

Chemikalientank aus nichtrostendem Stahl

Dacheindeckung aus Titanzink-Blech

Schleifkörper aus Edelkorund/Kunstharz

Erzeugnisse, Bauteile und Werkzeuge aus verschiedenen Werkstoffen

1.2 Einteilung der Werkstoffe

Der Metallbauer sowie der Konstruktions- und Anlagenmechaniker haben es in ihrem Berufsleben miteiner Vielzahl von Werkstoffen zu tun: Baustähle, Schmiedestähle, Nichtrostende Stähle, Gusseisen-werkstoffe, Aluminium, Kupfer, Hartmetalle, Kunststoffe, Glas usw. (Seite 10).

Er stellt aus ihnen Bauteile her, er bearbeitet vorgefertigte Bauteile und fügt sie zu größeren Bauteilen,zu Tragwerken, zu Baukonstruktionen, Apparaten, Behältern, Karosserien und Schiffskörpern zusam-men. Bei dieser Arbeit verwendet er Werkzeuge, die ebenfalls aus Werkstoffen bestehen.

Um einen ersten Überblick über die Vielfalt der Werkstoffe zu gewinnen, teilt man sie in Gruppen ein.

Die Grobeinteilung der Werkstoffe erfolgt in drei Hauptgruppen: die Metalle, die Nichtmetalle und dieVerbundwerkstoffe (Bild 1). Die Metalle und die Nichtmetalle gliedert man zusätzlich in mehrere Un-tergruppen.

Die Metalle

Nach der Zusammensetzung unterteilt man die Metalle in die Eisenwerkstoffe und die Nichteisenme-talle (kurz NE-Metalle).

Die Eisenwerkstoffe ihrerseits untergliedert man nochmals in die besonders umfangreiche und wich-tige Gruppe der Stähle sowie die Eisenguss-Werkstoffe. Stähle und Eisenguss-Werkstoffe bestehenbeide überwiegend aus dem Element Eisen. Sie unterscheiden sich wesentlich in ihren Eigenschaften,jedoch auch in ihrer Zusammensetzung, d.h. in den Beimengungen zum Eisen.

Wichtige Stähle sind z.B. die unlegierten Baustähle, die Feinkornbaustähle, die nichtrostenden Stähleoder die Werkzeugstähle.Bedeutende Eisenguss-Werkstoffe sind Grauguss, Sphäroguss und Temperguss.

Die Nichteisenmetalle (NE-Metalle) unterteilt man in Leichtmetalle und Schwermetalle. Als Grenze isteine Dichte von ® = 5 kg/dm3 festgelegt. Wichtigstes Leichtmetall ist Aluminium, weitere Leichtmetallesind Magnesium und Titan. Schwermetalle sind z.B. Kupfer, Zink und Blei.

Die Nichtmetalle

Die Gruppe der Nichtmetalle umfasst die aus der belebten Natur stammenden Naturstoffe, die syn-thetisch hergestellten Kunststoffe, die aus der unbelebten Natur abgebauten Mineralien und die ausMineralien hergestellten künstlichen Mineralien. Aus dieser Stoffgruppe haben eine Reihe von Werk-stoffen große Bedeutung erlangt: die Kunststoffe, Glas und Beton.

Die Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehreren Einzelstoffen, die zu einem neuen Werkstoff zu-sammengefügt sind. Wichtige Verbundwerkstoffe sind z.B. die aus zwei aufeinander gewalzten Blechenbestehenden plattierten Bleche, oder z.B. die aus Hartstoffkörnern und einer Kunststoffbindung beste-henden Schleifkörper oder die glasfaserverstärkten Kunststoffe.

Bild 1: Einteilung der Werkstoffe

11

Metalle

Eisenwerkstoffe

Stähle

Eisen-

Guss-

werk-

stoffe

Leicht-

metalle

(Dichte <

5 kg/dm3)

Schwer-

metalle

(Dichte >

5 kg/dm3)

Natur-

stoffe

Kunst-

stoffe

Natur-

mine-

ralien

Künst-

liche

Mine-

ralien

NE-Metalle

Nichtmetalle Verbund-werkstoffe

Faser- und

Teilchen-

Verbund-

werk-

stoffe

z.B.BaustähleWerkzeug-

stähle

z.B.GraugussSpäroguss

Temperguss

z.B.Aluminium

Magne-sium

z.B.Kupfer

ZinkBlei

z.B.Holz

LederBitumen

z.B.PVC

PlexiglasPoly-

ethylen

z.B.GraphitAsbest

Marmor

z.B.Glas

BetonKunst-steine

z.B.Glasfaserver-

stärkteKunststoffe,Hartmetalle

Schicht -

verbunde

und

Struktur-

verbunde

z.B.Wand-

paneele, Pkw-

Stoßfänger

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2 Werkstoffeigenschaften

Die Eignung eines Werkstoffs für einen Verwendungszweck wird durch seine Eigenschaften bestimmt.In der Metallbautechnik interessieren vor allem Eigenschaften, die eine Aussage über seine Verwend-barkeit und Verarbeitbarkeit erlauben. Dies sind Eigenschaften, die das Verhalten des Werkstoffs untermechanischen Belastungen und unter Umwelteinflüssen oder bei einem Fertigungsverfahren be-schreiben. Aber auch Eigenschaften, die den Zustand des Werkstoffs oder seine Reaktion bei der Ein-wirkung anderer Stoffe beschreiben, wie z.B. das Korrosionsverhalten, sind von Bedeutung.Die Summe aller Eigenschaften ergibt das Eigenschaftsbild des Werkstoffs. Es entscheidet, ob einWerkstoff für eine gestellte Aufgabe geeignet ist.Man unterscheidet physikalische, mechanisch-technische, fertigungstechnische, chemisch- tech nischeund Umwelt-Eigenschaften.

2.1 Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften beschreiben den Zustand der Werkstoffe bzw. Zustandsänderungen bei Änderung der Temperatur(Bild 1).

Die Dichte gibt an, welche Masse ein Werkstoff pro Volumeneinheit be-sitzt. Die Einheit der Dichte ist g/cm3 oder kg/dm3.

Die Dichte ® eines Werkstoffs errechnet sich mit der Formel:

Unlegierter Stahl hat z.B. eine Dichte von ® = 7,85 kg/dm3, bei Alumi-nium beträgt die Dichte ® = 2,70 kg/dm3. Das heißt, ein Stahlbauteil istrund drei Mal so schwer wie ein Alu miniumbauteil gleicher Größe.Der Schmelzpunkt ist die niedrigste Temperatur, bei der ein Werkstoffschmilzt. Reines Eisen hat z.B. einen Schmelzpunkt von 1536 °C, Alu -minium von 659 °C, einige Kunststoffe schmelzen bei rund 150 °C.

Von technischem Interesse ist der Schmelzpunkt beim Löten undSchweißen. Reine Stoffe haben einen exakten Schmelzpunkt. Stoff -gemische, wie z.B. Legierungen, schmelzen in einem Schmelz bereich,d.h. sie bilden zuerst einen Schmelzbrei und erst bei weiterer Tempe-ratursteigerung eine vollständig flüssige Schmelze.

Die thermische Längenausdehnung beschreibt die Längenänderungeines Werkstoffes durch eine Temperaturänderung. Der Werkstoffkenn-wert der Längenausdehnung ist der thermische Längenausdehnungs-

koeffizient å. Er gibt die Längenänderung eines 1 m langen Stabes bei1 °C Temperaturänderung an.

Die Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität beschreibt die Fähigkeit ei-nes Stoffes, Wärme bzw. Elektrizität in sich weiterzuleiten. Gute Leitersind alle Metalle, insbesondere Aluminium, Kupfer und Stahl.Schlechte Leiter sind die meisten Nichtmetalle, wie z.B. die Kunststoffeund Glas.

Hohe Leitfähigkeit für Wärme muss z.B. der Lötkolben besitzen, er istdeshalb aus Kupfer. Niedrige Wärmeleitfähigkeit wird von Wärme-dämmstoffen gefordert, sie sind z.B. aus Schaumstoff.

Der Werkstoffkennwert zur Charakterisierung der Stromleitung in einem Werkstoff ist der spezifische elektrische Widerstand ®el.

Werte der physikalischen Eigenschaften wichtiger Werkstoffe und Hilfs-stoffe befinden sich im Tabellenteil Seiten 192, 196.

® = �Vm Es sind:

m ist die Masse des BauteilsV das Volumen des Bauteils

Bild 1: PhysikalischeEigenschaften

2.2 Mechanisch-technische Eigenschaften

Die mechanisch-technischen Eigenschaften beschreiben das Verhaltender Werkstoffe unter der Wirkung mechanischer Kräfte (Bild 1).

Wichtige mechanisch-technische Eigenschaften sind die Festigkeit, dieHärte sowie das Verformungsverhalten.

Als Festigkeit bezeichnet man allgemein die größtmögliche mechani-sche Spannung, die ein Werkstoff aushalten kann, ohne zu Bruch zu ge-hen. Je nachdem, ob es sich dabei um eine Zug-, Druck- oder Scher -belastung handelt, ergibt sich eine Zugfestigkeit, eine Druckfestigkeitoder eine Scherfestigkeit.

Die Zugfestigkeit Rm z.B. errechnet sich bei einemTragseil aus der Zugkraft F und der Querschnitts-fläche S des Seils (Bild 1a) nach nebenstehender Formel.

Die Einheit der Zugfestigkeit Rm ist N/mm2. Stahl hat z.B. eine Zug festigkeit von rund 500 N/mm2, Aluminium vonrund 200 N/mm2.Hohe Festigkeit müssen Werkstoffe haben, aus denen tragende Bau-teile, wie Seile, Profile, Tragwerke usw. gefertigt werden.

Die Härte gibt den Widerstand an, den ein Werkstoff dem Eindringeneines Eindrückkörpers, z.B. einer Hartmetallkugel, entgegensetzt (Bild 1b). Sehr harte Werkstoffe sind z.B. Diamant, Hartmetalle sowiegehärteter Stahl. Ungehärteter Stahl und gehärtetes Aluminium sindmittelhart. Weiche Werkstoffe sind Reinaluminium, Blei und Kupfer.Große Härte ist bei Bauteilen erforderlich, die auf ihrer Oberflächegroßen Kräften und Verschleiß ausgesetzt sind, wie z.B. Zahnräder,Rollen, Werkzeuge.

Mit Elastizität bezeichnet man die Fähigkeit eines Werkstoffs nach einer Verformung seine Ausgangsform wieder einzunehmen (Bild 1c).Elastische Stoffe federn zurück. Messerschneidenstahl oder der Stahlfür Sägeblätter ist z.B. elastisch.

Plastisch verformbar ist ein Werkstoff, wenn er unter Krafteinwirkungseine Form bleibend verändert, d.h. nicht oder nur geringfügig zurück-federt (Bild 1d). Plastisch verformbar sind z.B. glühender Schmiede-stahl, Zinkblech oder Kupferblech.

Als Sprödigkeit bezeichnet man die Eigenschaft eines Werkstoffs, unterBelastung zu brechen, ohne sich vorher merklich zu verformen. SprödeWerkstoffe zerspringen besonders bei schlagartiger Beanspruchung inviele Bruchstücke (Bild 1e). Bei der Verarbeitung spröder Werkstoffe,wie z.B. der Montage eines Waschbeckens aus Keramik, müssenschlagartige Belastungen, wie z.B. Hammerschläge, vermieden wer-den. Auch unsachgemäß gehärteter Stahl kann so spröde sein, dass erbei Schlagbeanspruchung zerbricht.

Unter Zähigkeit versteht man die Eigenschaft eines Werkstoffs, derbleibenden (plastischen) Verformung großen Widerstand entgegenzu-setzen. Schmiedestahl ist z.B. zäh, Blei hingegen ist leicht biegbar.

Die Warmfestigkeit beschreibt die Festigkeit eines Werkstoffs bei er-höhten Temperaturen (Bild 1f). Werkstoffe mit geringer Warmfestigkeitsind z.B. die Kunststoffe, die bereits bei 100 °C einen Großteil ihrerFestigkeit verlieren. Hohe Warmfestigkeit haben spezielle Werkzeug-stähle, bei denen ein Abfall der Festigkeit erst bei Temperaturen über600 °C beginnt.

Rm = �SF

13

Bild 1: Mechanisch-tech nischeEigenschaften

14

2.3 Fertigungstechnische Eigenschaften

Die fertigungstechnischen Eigenschaften geben Auskunft über die Eig-nung eines Werkstoffs für ein Fertigungsverfahren und über die Bedin-gungen bei der Verarbeitung der Werkstoffe.

Wichtige fertigungstechnische Eigenschaften sind die Schmiedbarkeit,die Härtbarkeit, die Schweißeignung, die Kaltumformbarkeit, die spa-nende Formbarkeit und die Gießbarkeit (Bild 1).

Die Schmiedbarkeit ist eine der hervorstechendsten Eigenschaften derMetalle (Bild 1a). Man versteht darunter die Fähigkeit eines Werkstoffs,sich im erwärmten Zustand durch Krafteinwirkung umformen zu las-sen. Das Schmieden findet sowohl im handwerklichen Bereich, aberauch im industriellen Maßstab Verwendung, da es ein kostengünstigesund werkstoffsparendes Fertigungsverfahren ist.

Schmiedbar sind die meisten Stähle sowie Aluminium-Knetlegierun-gen und Kupfer-Knetlegierungen. Im allgemeinen nicht schmiedbarsind die Gusswerkstoffe.

Die Schweißeignung eines Werkstoffs ermöglicht ein stoffschlüssigesFügen von Einzel-Bauteilen zu einem Gesamtbauteil durch Schweißen(Bild 1b). Die Schweißnaht hat bei richtiger Auswahl des Zusatzwerk-stoffes annähernd dieselbe Festigkeit wie die Fügeteile.Gut schweißbar sind unlegierte und legierte Stähle mit geringem Koh-lenstoffgehalt. Aber auch Gusseisen sowie Aluminium- und Kupferle-gierungen können mit Spezialverfahren geschweißt werden.

Unter Härtbarkeit versteht man die Eigenschaft eines Werkstoffs durchAbschrecken des glühenden Bauteils in Wasser eine wesentliche Ver-besserung der Härte zu erfahren (Bild 1c). Auch die Festigkeit kanndurch ein besonderes Härteverfahren, das Vergüten, stark erhöht wer-den. Härtbar sind viele Stähle, einige Eisen-Gusswerkstoffe sowie dieaushärtbaren Aluminium-Legierungen.

Die Kaltumformbarkeit beschreibt die Eigenschaft eines Werkstoffssich bei Umgebungstemperatur, z.B. durch Biegen, Abkanten, Tiefzie-hen, Falzen usw. umformen zu lassen (Bild 1d). Kaltumgeformt wer-den vor allem Bleche, Bänder und Rohre.

Die spanende Formbarkeit ist eine wichtige Eigenschaft, da fast alleWerkstücke und auch viele Bauteile im Laufe ihrer Fertigung durch einspanendes Verfahren, wie z.B. Bohren, Sägen, Drehen oder Fräsen be-arbeitet werden (Bild 1e).

Alle Eisenwerkstoffe sowie die meisten Nichteisenmetalle sind spa-nend formbar. Nicht oder nur schlecht spanbar sind sehr weiche Werk-stoffe wie z.B. Gummi oder sehr harte und spröde Werkstoffe, wie z.B.Glas oder gehärteter Stahl.

Die Gießbarkeit der Schmelze eines Werkstoffs ist die Voraussetzungzur Verarbeitung zu Gussstücken (Bild 1f). Die Schmelze von Guss -werkstoffen muss dünnflüssig sein, so dass sie die Gussform vollstän-dig ausfüllt. Außerdem dürfen sich im Gussstück während des Erstar-rens keine Hohlräume (Lunker) bilden.

Um der Forderung nach guter Vergießbarkeit zu genügen, sind von jeder Werkstoffgruppe spezielle Gusswerkstoffe entwickelt worden: Eisen-Gusswerkstoffe (Gusseisen), Aluminium-Gusslegierungen, Kup-fer-Zink-Gusslegierungen (Gussmessing) usw.

Bild 1: Fertigungstech nische Eigenschaften

2.4 Chemisch-technische Eigenschaften

Die chemisch-technischen Eigenschaften beschreiben die Stoffumwandlung der Werkstoffe durch dieWirkung der sie umgebenden Stoffe sowie durch Umweltbedingungen.

Bei normalen Umweltbedingungen laufen die werkstoffzerstörendenVorgänge langsam ab. Unter der Wirkung aggressiver Chemikalien,wie Säuren, Laugen oder Lösungsmitteln sowie bei erhöhterTemperatur werden die Werkstoffe rasch zerstört. Wichtige chemisch-technische Eigenschaften sind die Korrosionsbeständigkeit, dieWärmebeständigkeit sowie die Brennbarkeit (Bild 1).

Korrosionsbeständigkeit. Als Korrosion bezeichnet man die von derOberfläche des Werkstoffs ausgehende Zerstörung durch chemischeoder elektrochemische Reaktionen.Verstärkt wird die Korrosion durch ungünstige Umwelteinflüsse.Korrosionsunbeständig sind unlegierte Stähle, d.h. sie rosten imFreien. Korrosionsbeständig sind die nichtrostenden Stähle, in derUmgangssprache rostfreie Edelstähle genannt, sowie Aluminium- undKupfer-Werkstoffe. Bauteile aus korrosionsunbeständigen Werkstoffenmüssen gegen Korrosion geschützt werden, z.B. durch Verzinken.

Die Wärmebeständigkeit ist wichtig bei Werkstücken und Bauteilen, dieerhöhter Temperatur ausgesetzt sind. Unlegierte Stähle sind z.B. wär-mebeständig bis ca. 600 °C. Werden sie höher erwärmt, so reagierensie mit dem Luftsauerstoff, sie verzundern (Bild 1). VerzunderungsfesteStähle dagegen können bis ca. 1100 °C erhitzt werden.Die meisten Kunststoffe können kaum höher als bis zu 150 °C erwärmtwerden, da sie sich dann zersetzen.

Die Brennbarkeit spielt bei metallischen Werkstoffen praktisch keineRolle, da sie unter normalen Bedingungen nicht brennbar sind. EineAusnahme hiervon ist Magnesium (Seite 106).

Bei Verwendung von Kunststoffen ist die Brennbarkeit zu beachten, dadie Mehrzahl der Kunststoffe brennbar ist.

2.5 Umwelt-Eigenschaften

Neben den Eigenschaften, die die technische Eignung eines Werkstoffs beschreiben, müssen bei derWerkstoffauswahl auch der Schutz der Gesundheit und der Umweltschutz berücksichtigt werden. Zuvermeiden sind giftige, gesundheitsgefährliche oder umweltbelastende Werkstoffe.

Giftig sind z.B. die Werkstoffe Blei, Cadmium und Quecksilber. Gesundheitsgefährlich, d.h. krebserre-gend sind Asbest, Kaltreiniger zum Metallentfetten (Tri oder Tetra) und die Ausdünstungen aus älterenSpanplatten (Formaldehyd). Giftige und gesundheitsgefährliche Stoffe sind zu vermeiden. Bei der Arbeit mit giftigen und gesundheitsgefährlichen Stoffen müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen derBerufsgenossenschaft beachtet werden.

Umweltschonend sind Werkstoffe, die sich nach dem Gebrauch wieder aufarbeiten lassen. Man nenntdas Recycling. Recycelbar sind die metallischen Werkstoffe, begrenzt recycelfähig sind die Kunststoffe.

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Bild 1: Chemisch-tech nische Eigenschaften

Wiederholungsfragen

1 In welche drei Hauptgruppen teilt man die Werk-

stoffe ein?

2 Nennen Sie drei Leichtmetalle und drei Schwer-

metalle.

3 Mit welcher phsikalischen Eigenschaft beschreibt

man, ob ein Werkstoff schwer oder leicht ist?

4 Was gibt die Zugfestigkeit an?

5 Warum muss die Oberfläche von Zahnrädern

gehärtet sein?

6 Beschreiben Sie ein Sägeblatt bezüglich Härte,

Elastizität, Plastizität, Sprödigkeit.

7 Welche Werkstoffe sind schweißbar?

8 Was versteht man unter Korrosion?

9 Welche Werkstoffe sind recycelbar, welche nicht?

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3 Roheisengewinnung und Stahlherstellung

3.1 Chemische Grundlagen der Metallgewinnung

Die reinen Metalle sind chemisch betrachtet Grundstoffe, auch chemische Elemente genannt. Es gibtrund 90 natürliche Grundstoffe auf der Erde: 67 sind Metalle, 16 Nichtmetalle und 7 Halbmetalle.Die Grundstoffe werden der Übersicht wegen in einem Ordnungsschema aufgetragen. Es heißt Peri-

odensystem der Elemente, kurz PSE (Bild 1). Bedeutend für die Werkstofftechnik sind etwa 20 Metalle.Sie stehen im mittleren Bereich des Periodensystems der Elemente.

Das technisch wichtigste Metall ist Eisen (Fe). Es steht in der Mitte des Periodensys tems. Links undrechts der Mitte die Leichtmetalle Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Titan (Ti).

Schwermetalle sind Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink(Zn), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Wolfram (W), Zinn (Sn) und Blei (Pb).Zu den Edelmetallen zählen Silber (Ag), Gold (Au) und Platin (Pt).

Die Eigenschaften der einzelnen Grundstoffe (Elemente) sind im Tabellenteil, Seite 192, beschrieben.Außer dem Edelmetall Gold kommen die Metalle auf der Erde nicht in reiner Form als Grundstoffe vor,sondern als chemische Verbindung. Meist handelt es sich um Verbindungen der Metalle mit Sauerstoff,also Oxide, oder Verbindungen mit Schwefel, also Sulfide. Diese Rohstoffe für die Metallgewinnungnennt man Erze.

Zur Gewinnung der Metalle aus den Erzen wird den Metalloxiden der Sauerstoff bzw. den Metallsulfi-den der Schwefel entzogen. Diesen chemischen Vorgang nennt man Reduktion. Er ist die Umkehrungder Oxidation. Die Reduktion wird mittels eines Reduktionsmittels durchgeführt, das den Sauerstoffbzw. Schwefel vom Metall abtrennt und an sich bindet und damit das reine Metall entstehen lässt.

+ +

Bei der Reduktion des Eisenerzes z.B. wird Kohlenstoff in Form von Koks als Reduktionsmittel verwendet:

+ +

(Metalloxid oderErz Metallsulfid) ReduktionsmittelWärme→ Metall Begleitstoffe

KohlenstoffdioxidEisen→KoksEisenerz (Eisenoxid)

Bild 1: Periodensystem der Elemente (gekürzt)

3.2 Eisenerze

Ausgangsstoff der Roheisengewinnung ist das gesteins-artig aussehende Eisenerz (Bild 1). Es wird aus Lagerstät-ten im Tagebau abgebaut und besteht aus dem eigent -lichen Wertanteil, einem Eisenoxid und erdigen Beimen-gungen, der sogenannten Gangart. Die Gangart wird amFörderort (Australien, Afrika, Brasilien) weitgehend ab-getrennt und das angereicherte Erz zum Stahlstandorttransportiert.

Die wichtigsten Eisenerze sind Magnet eisenstein (che-misch Fe3O4) und Roteisenstein (chemisch Fe2O3) mitrund 50 % bis 65 % Eisenerzanteil.

Die Eisen- und Stahlwerkstoffe sind die wichtigsten Werkstoffe der metalltechnischen Berufe. Ihre Her-stellung erfolgt in großtechnischen Anlagen, die ein eigener großer Industriezweig sind.

3.3 Roheisengewinnung im Hochofen

Weltweit und auch in der Bundesrepublik Deutschland wird das Roheisen zum überwiegenden Teil inHochofenanlagen hergestellt (Bild 2, linker Teil). Diese großtechnischen Anlagen bestehen aus demrund 60 m hohen Hochofen mit seinen Einzelbauteilen sowie Winderhitzern zur Erzeugung heißer Ver-brennungsluft und der Erzaufbereitung mit Koks- und Zuschlagsdosierung.

Der Hochofen wird von oben durch den Gichtverschluss lagenweise mit Möller und Koks gefüllt (be-schickt). Unter Möller versteht man in der Metallurgiefachsprache eine Mischung aus Eisenerz und Zuschlägen. Die Zuschläge sind Kalk- und Dolomit-Gesteinsmehl, die die spätere Schlacke bilden.Jeder Bestandteil der Hochofenbeschickung erfüllt eine bestimmte Aufgabe:Das Eisenerz enthält chemisch gebunden das spätere Produkt, das Eisen. Die Zuschläge (Kalk, Dolomit) bilden in der Hitze des Hochofens eine gut schmelzende Schlacke undführen durch Absenken des Schmelzpunkts der erdigen Erzbestandteile zu deren Auflösung in der flüs-sigen Schlacke. Der Koks dient als Reduktionsmittel für das Eisenerz. Außerdem erzeugt er durch teilweise Verbren-nung die zur Reduktion erforderlichen hohen Temperaturen im Hochofen.

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Bild 2: Hochofenanlage zur Roheisengewinnung, Stoffströme und chemische Vorgänge

Bild 1: Eisenerz (Roteisenstein)

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Vorgänge im Hochofen

Im unteren Teil des Hochofens wird Heißluft eingeblasen (Bild 2, Seite 17) und verbrennt einen Teil desKokses zu Kohlenstoffmonoxidgas CO. Die heißen Gase steigen in die Erzschüttung hoch, erhitzen sieund wirken dort als Reduktionsmittel.

Von oben rutscht das Füllgut langsam in immer heißere Zonen des Hochofens nach unten. In der600 °C bis 1100 °C heißen Reduktionszone wird das Eisenerz Fe2O3 von den aufsteigenden, reduzie-renden Gasen (CO) und heißem Koks (C) zum metallischen Eisen Fe reduziert (Bild 2, chemische Vor-gänge). Das Eisen liegt hier zunächst als fester, poröser Eisenschwamm vor. Beim weiteren Abrutschenin die rund 1600 °C heiße Schmelzzone schmilzt der Eisenschwamm, tropft in den geschlossenen Bo-den des Hochofens und bildet die Roheisenschmelze.Die mit absinkenden Zuschläge (Kalk, Dolomit) schmelzen ebenfalls und nehmen die erdigen Erzbe-standteile durch Lösen auf. Sie bilden die Schlacke, tropfen nach unten und sammeln sich wegen dergeringeren Dichte über dem flüssigen Roheisen. Die flüssige Schlacke und das flüssige Roheisen wer-den getrennt abgelassen.

Das abgelassene Roheisen enthält gelöst etwa 8% Fremdstoffe, die sogenannten Eisenbegleiter: rund4% Kohlenstoff sowie Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel, die je nach Eisenerz und Zuschlägenin unterschiedlichen Gehalten auftreten können.

Roheisen mit hohem Siliciumgehalt ist der Ausgangsstoff für Eisen-Gusswerkstoffe. Es wird Gießerei-

Roheisen oder, wegen der grauen Bruchfläche, Graues Roheisen genannt.Roheisen mit hohem Mangangehalt wird zu Stahl weiterverarbeitet. Es heißt Stahl-Roheisen oder, we-gen seiner hellen Bruchfläche, Weißes Roheisen.

Das Gießerei-Roheisen wird nach dem Abstich zu Masseln vergossen (knüppelartige Eisenstäbe) undist der Ausgangsstoff für Eisen-Gusswerkstoffe. Das Stahl-Roheisen wird in fahrbaren Pfannenwagenund Roheisenmischern gesammelt und durch Einrühren von Entschwefelungsmitteln (Karbid CaC2)entschwefelt. Dann wird es zur Stahlherstellung in das nahe gelegene Stahlwerk gefahren.In großen Hochöfen werden pro 24-Stunden-Schicht rund 10000 t Roheisen erschmolzen.

3.4 Roheisenerzeugung durch Direktreduktions-Verfahren

Beim Direktreduktions-Verfahren wird das Eisenerz im Festzustand zu metallischem Eisen reduziert,ohne flüssig zu werden. Ausgangsmaterial sind Erzpellets, das sind walnussgroße, poröse Erzklum-pen, die in einem vorgeschalteten Produktionsprozess aus gemahlenem Eisenerzmehl und einem Bin-demittel zusammengebacken werden.Die Erzpellets (Wertbestandteil Fe2O3) werden von oben in den Direktreduktions-Schachtofen gefülltund rutschen langsam nach unten (Bild 1). Von unten strömt ein Reduktionsgas aus Kohlenstoffmon -oxid CO und Wasserstoff H2 durch die Erzpelletsschüttung nach oben und reduziert das Eisenerz bei700 bis 1050 °C zu Eisen. Die gebildeten Eisenpartikel backen zu porösen, schwammartigen Klumpenzusammen, was zu dem Namen Eisenschwamm für das Endprodukt geführt hat.Eisenschwamm besteht zu rund 85%aus Eisen, der Rest ist Gangart, Rest-Eisenoxid und Eisenbegleiter. ZurBeseitigung dieser Verunreinigun-gen wird der Eisenschwamm an -schließend in einem Elektro-Lichtbo-genofen zu flüssigem Roheisen auf-geschmolzen (Bild 1) und dann zuStahl umgewandelt (Seite 19).Direktreduktions-Anlagen werdenvorteilhaft dort betrieben, wo preis-günstig Erdgas (CH4), Erdöl oderauch minderwertige Kohle zur Her-stellung des Reduktionsgases (CO,H2) zur Verfügung stehen. Es könnenauch kleinere Anlagen wirtschaftlichbetrieben werden. Bild 1: Direktreduktions-Verfahren

3.5 Stahlherstellung mit dem Sauerstoff-Aufblasverfahren

Ausgangsstoff ist das im Hochofen erschmolzene Stahl-Roheisen (Seite 18), das in Pfannenwagen flüs-sig zum Stahlwerk gelangt. Außerdem werden noch Stahlschrott und Eisenschwamm zugegeben.Das Roheisen besteht zu 90 bis 95% aus Eisen, 3 bis 5% Kohlenstoff sowie wenigen Prozent Mangan,Silicium, Phosphor und Schwefel (Bild 1). Die Eisenbegleiter Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel machen das erstarrte Roheisen hart, spröde und nicht schmiedbar.Um Stahl zu erhalten, muss der Kohlenstoff teilweise und die Elemente Phosphor und Schwefel weit-gehend aus dem Roheisen entfernt werden. Dies geschieht durch Verbrennen, d.h. Oxidieren, der Ei-senbegleiter in der Stahlschmelze.Die technische Durchführung derVerbrennung der Eisenbegleitererfolgt heute in der Bundesrepu-blik Deutschland zum Großteil mitdem Sauerstoff-Aufblasverfahren(Bild 1). Hierbei wird das flüssigeRoheisen zusammen mit Stahl-schrott sowie Zuschlägen (zurSchlackebildung) in einen Konver-

ter gefüllt. Er fasst rund 300 t.Dann fährt ein wassergekühltesRohr von oben in den Konverterund bläst mit Sauerstoff angerei-cherte Luft in die Schmelze. DerSauerstoff reagiert heftig mit denEisenbegleitern in der Schmel ze.Sie verbrennen unter starker Wärmeentwicklung zu Oxiden.Die entstehenden gasförmigenOxide (CO2, SO2) sowie die freiwerdende Verbrennungswärmelassen die Schmelze kochen. Dieentstehenden festen Oxide (P2O5,MnO2, SiO2) werden in dieSchlacke aufgenommen.Dieser Blasvorgang dauert 10 bis 20 Minuten. Danach werden gegebenenfalls Legierungselemente zu-gegeben und dann wird der fertige Stahl in Gießpfannen gefüllt.Der entstehende Werkstoff Stahl hat einen herabgesetzten Rest-Kohlenstoffgehalt von rund 0,2% undnur noch niedrige Phosphor- und Schwefelgehalte (Bild 1). In festem Zustand ist Stahl hart, zäh undschmiedbar.

3.6 Stahlherstellung mit dem

ElektrostahlverfahrenBesonders zur Herstellung hochlegierter unddamit hochschmelzender Stahlsorten, aber auchzum Erschmelzen von Massenstahl aus Schrott,wird das Umschmelzen im Elektrostahlofen,meist ein Lichtbogenofen, eingesetzt (Bild 2). DerElektro-Lichtbogenofen hat eine flache Schmelz -wanne, die mit einem seitlich schwenkbarenDeckel zum Füllen abgedeckt ist. Durch ihn ragenKohleelektroden in den Ofenraum. Der gesamteOfen ist drehbar gelagert und kann zum Abgießenvon Schlacke sowie zum Entleeren der Stahl-schmelze gekippt werden.

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Bild 1: Stahlherstellung mit dem Sauerstoff-Aufblasverfahren

Bild 2: Stahlherstellung im Elektro-Lichtbogenofen

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Zu Beginn wird die Schmelzwanne gefüllt. Zum Einsatz kommen Stahlschrott bekannter Zusammenset-zung, Gießereiabfälle, Eisenschwamm und Roheisen. Zur Bildung einer Reinigungsschlacke werden Zu-schläge beigemischt. Dann werden die Elektroden auf die Füllung abgelassen und der Lichtbogen gezündet. Er entwickelt Temperaturen bis zu 3000 °C und schmilzt die Füllung unter intensiver Durchmi-schung auf. Es folgt eine rund einstündige Schmelzzeit, in der zuerst die Verunreinigungen, der Phosphorund der überschüssige Kohlenstoff ausbrennen (Frischperiode). Im Anschluss daran werden die Oxideund der Schwefel aus der Schmelze entfernt (Feinungsperiode). Dies geschieht durch schrittweise Zu-gabe von verschiedenen Schlackebildnern, die die unerwünschten Stoffe der kochenden Stahlschmelzein die Schlacke binden. Zum Schluss wird auf die gewünschte Zusammensetzung legiert.

3.7 Nachbehandlung des flüssigen StahlsZur Herstellung von Stählen mit besonderen Qualitätsanforderungen (Qualitäts- und Edelstähle) wirdder noch flüssige Stahl zusätzlichen Behandlungen unterworfen. Sie dienen der Entfernung letzter un-erwünschter Bestandteile sowie der Zuführung spezieller Legierungselemente.

Desoxidieren

Das Desoxidieren dient zum Entfernen von gelös -tem Sauerstoff- und Stickstoffgas aus der Stahl-schmelze. Diese Gase lösen sich beim Frischendes Stahls im Konverter (Seite 19) aus dem einge-blasenen Luft/Sauerstoff-Gemisch im flüssigenStahl. Während des Abkühlens der Stahlschmelzeperlen die Gase teilweise wieder aus, die Stahl-schmelze kocht. Man spricht deshalb von unberu-

higt vergossenem oder nicht-desoxidiert vergos-

senem Stahl.

Ein nicht-desoxidiert vergossener Stahlblock ent-hält in der Randzone Gasblasen und entmischtsich während des Erstarrens (Bild 1). Die Eisenbegleiter Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel werdenim Blockinneren angereichert, die Randzone ist nahezu frei davon. Diese Entmischung nennt man Seigerung. Sie führt zu Walzgut mit unterschiedlicher Zusammensetzung.Durch Zugabe von rund 1% Silicium und Aluminium (Desoxidationsmittel) zur Stahlschmelze, wird dergelöste Sauerstoff und Stickstoff chemisch gebunden. Die Schmelze ist dann beim Abkühlen ruhig, dakein Gas ausperlt. Man spricht von beruhigt vergossenem oder desoxidiert vergossenem Stahl.

Desoxidiert vergossene Stahlblöcke enthalten keine Gasblasen (Bild 1, rechts) und sind nicht ge seigert.Ihre Zusammensetzung ist über dem gesamten Blockquerschnitt gleich, das daraus hergestellte Walzguthat gleichmäßige Eigenschaften. Nachteilig ist der tiefe Kopflunker des Kokillenblocks.Die heute üblichen Qualitäts- und Edelstähle sind desoxidiert vergossen. Bei den unlegierten Stählenkann die Vergießart im Kurznamen des Werkstoffe angegeben sein (Seite 197).

Entschwefeln

Schwefel im Stahl verschlechtert die Eigenschaften des Stahls. Eine teilweise Verringerung des Schwe-felgehalts erfolgt deshalb im Roheisenmischer durch Einblasen von Entschwefelungsmitteln und auchbeim Frischen im Sauerstoffaufblas-Konverter. Niedrigste Schwefelgehalte erreicht man durch Nach-entschwefeln (Bild 2, links). Dazu wird durch ein Einblasrohr Kalkpulver tief in die Stahlschmelze ein-geblasen. Der Kalk bindet den Schwefel undschwimmt als Schlacke auf.

Spülgasbehandlung

Sie dient zum Entfernen letzter nichtmetallischerVerunreinigungen aus der Stahlschmelze (Bild 2,rechts). Durch den Boden einer speziellenGießpfanne oder durch ein Rohr wird chemisch in-aktives Argongas in die Schmelze gepresst undperlt in ihr hoch. Die Verunreinigungen werdenvon den aufsteigenden Gasblasen mitgerissenund in die Schlacke gespült.

Bild 1: Nicht desoxidiert und desoxidiert vergossenerKokillen-Stahlblock

Bild 2: Entschwefeln und Spülgasbehandlung