Metallurgie

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Metallurgie (ursprünglich gleichbedeutend auch Hüttenwesen) bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren und Methoden zur Gewinnung von Metallen.

Der erstmalige Gebrauch des Wortes Metallurgie ist nicht eindeutig nachweisbar, es ist aber griechisch-lateinischen Ursprungs. Der Versuch einer Übersetzung lässt auf eine anerkannte „technische Kunstfertigkeit“ schließen (métallon „das Gefundene“) und noch nicht auf eine wissenschaftliche Lehre, zu der die Metallurgie erst bedeutend später wird. Sinngemäß übersetzt bedeutet Metallurgie nämlich „mit Gefundenem (Metall) werken“, der Metallurge ist demnach ein „Metallwerker“, arbeitet in einem „Metallwerk“.

Auch heute noch befasst sich die Metallurgie mit dem Auffinden und Ausbeuten von mineralischen Lagerstätten und der Entwicklung und Instrumentalisierung von Prozessen zur Weiterverarbeitung des „Gefundenen“, die zu metallischen Vor-, Zwischen- und Endprodukten führen. Aus alten Erfahrungen und neuen Erkenntnissen entsteht eine metallurgische Technologie (Lehre von den angewendeten Techniken) als breit gefächerte Wissenschaft, die sich in Teilbereiche aufgliedern lässt (z. B. Eisenmetallurgie, Nichteisenmetallurgie). Den jeweils letzten Stand der Technik sichern ihr eigene Forschung und die der unterstützenden und begleitenden Wissenschaften und Techniken.

Inhaltsverzeichnis 1 Fachbegriffe 2 Historische Entwicklung 2.1 Von den Anfängen bis zum Ende der Bronzezeit 2.2 Eintritt in die Eisenzeit 2.3 Vom ersten Hochofen bis zum Elektrostahl 2.4 Die Wiederkehr des Kupfers 2.5 Die „Erdmetalle“ kommen 3 Neuzeitliche Metallurgie 3.1 Gewinnung der Ausgangsstoffe 3.2 Einteilung der Metalle nach metallurgischer Bedeutung 3.2.1 Hauptmetalle 3.2.2 Begleitmetalle 3.3 Metallurgische Grundprozesse 3.3.1 Pyrometallurgie 3.3.2 Hydrometallurgie 3.3.3 Elektrometallurgie 3.3.4 Pulvermetallurgie 3.3.5 Sekundärmetallurgie 4 Verhüttungs- und Weiterverarbeitungstechnik 4.1 Eisen 4.2 Aluminium, Magnesium 4.3 Kupfer 4.4 Edelmetalle 4.5 Weitere Industriemetalle 4.6 Recyclingmetallurgie 5 Ofentechnik 6 Unterstützende Wissenschaften und Techniken 7 Namhafte Metallurgen 8 Literatur 8.1 herangezogene Literatur (Quellen) 8.2 Weiterführende Literatur 9 Weblinks

[Bearbeiten] Fachbegriffe

Primärhütte/Primärerzeuger – gewinnt Metall aus Erzen und Mineralien

Sekundärhütte/Sekundärerzeuger – regeneriert/recycelt Altmetalle/Schrotte/Metallabfälle

Eisenhüttenwerk – erzeugt Roheisen aus Eisenerz im Hochofen/Hochschachtofen

Eisenwerk – Gusseisen oder Stahl verarbeitender Betrieb

Stahlwerk – Stahlherstellung aus gefrischtem Roheisen und Zuschlägen

Eisengießerei – erzeugt Formguss aus Gießereiroheisen und Zuschlägen

Stahlgießerei – erzeugt Formguss aus geeigneten Stahlsorten

Hüttenwerk – s. Eisenhüttenwerk

Verhüttung – Metallerzeugung oder Verarbeitung in einer „Hütte“, terminologisch nicht eindeutig, kann Primär- oder Sekundärmetall erzeugende Hütte bedeuten

Metallhütte – s. Schmelzhütte/Verhüttung, meist im Buntmetallbereich angewendet

Aluminiumwerk - s. Primärerzeuger

Metallwerk − metallverarbeitender Betrieb/Metallgießerei

Kupferhütte – auch Aluminiumhütte, Zinkhütte – Gewinnung von Metall aus Erzen/Mineralien

Schmelzhütte – s. Umschmelzhütte,

Umschmelzhütte – schmilzt Schrotte und Recyclingfähiges zu Sekundäraluminium bzw.-legierungen um

Frischen – Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Roheisen durch Luft- oder Sauerstoffzufuhr (s. a. Windfrischen, Blasstahlverfahren) oder mittels oxidreicher Zuschlagstoffe

Reduzieren auch Reduktion – Entziehen von Sauerstoff oder Schwefel aus metallischer Bindung (Oxide) oder aus Erzen

Direktreduktion – Herstellen von Eisenschwamm aus Erz und Kohle in fester Phase, z. B. im Drehrohrofen

Gattieren – Zusammenstellen einer Charge aus verschiedenen Einsatzstoffen für den Formguss

Möller – Mischung aus Erz, Koks und Kalk zum Beschicken des Hochofens

Chargieren – Beschicken eines diskontinuierlich arbeitenden metallurgischen Ofens, s. auch Charge

Charge – Beschickungsmenge im diskontinuierlichen Betrieb (mit Chargeneigenschaften)

Schachtofen – Vertikaler metallurgischer Reaktor, der im Gegenstromprinzip arbeitet: Reaktionsgase von unten nach oben und Materialfluss von oben nach unten

Flammofen – wannen-/trommelförmig mit indirekter Erhitzung des Schmelzgutes durch Strahlwärme

[Bearbeiten] Historische Entwicklung

[Bearbeiten] Von den Anfängen bis zum Ende der Bronzezeit

Die Geschichte der Metallurgie wird in ihrem Beginn mit dem Ende der Jungsteinzeit, vor etwa 10.000 Jahren gleichgesetzt. Jüngere Forschungen in Anatolien haben in 12.000 Jahre alten Siedlungen aber bereits erste metallurgische Ansätze entdeckt. Vielleicht stand am Beginn der Zufall, entweder weil gediegenes, also reines Erz gefunden wurde, oder sich beim Erhitzen durch Gewicht oder Farbton aufgefallenen Gesteins (Begrenzung einer Feuerstelle) flüssiges Metall, vielleicht sogar schon eine Legierung absonderte. Erste Schmelzöfen werden für die Zeit um 4000 v. Chr. nachgewiesen.

Recht genaues Wissen und die zugehörige Kunstfertigkeit wird aus Ägypten und dem Balkan nach Griechenland (Koloss von Rhodos) überliefert. Auch im asiatischen Raum (China, Japan) sind nicht allein Kupfer, sondern auch gut bearbeitbare Legierungen (mit erniedrigten Schmelzpunkten) bekannt gewesen (s. Messing). Für den Mittelmeerraum und die Römerzeit deutet „Aes Cyprium“ auf Zypern als besonders reichen Fundort von Kupfer hin.

Gold als Schmuck war schon den Kelten bekannt, als Mittel zur Wertaufbewahrung wird es im Mittelmeerraum ca. 600 v. Chr. (Krösus von Lydien) zu Münzen (Goldstater) geschlagen und damit auch zum Zahlungsmittel. Die ägyptischen Ptolemäer gewinnen Gold in vorchristlicher Zeit in „Minen“ und die Römer Silber in spanischen Silbererzgruben. Auch Schmelzen und Läuterung, sogar Treibarbeit (Entbleiung)- bereits in der Bibel beschrieben (Tubalkain als erster Metallurg), werden von einer zwar überwiegend mit Edelmetallen befassten antiken Metallurgie, die aber auch bereits Eisen kennt und verwendet, mit pyrometallurgischen Techniken bearbeitet, die von heutigen kaum abweichen.

Da das griechische Wort „Chalkos“ sowohl Kupfer, als auch Bronze bedeuten kann, wird die früheste Bronzezeit gelegentlich auch Kupferzeit genannt, doch setzt sich die Kenntnis der gezielten Verbesserung von Kupfergegenständen durch Zulegieren von Zinn und auch Zink relativ rasch durch. (Messing als Kupfer-Zinklegierung soll persisch-indischer Herkunft sein). Aus dieser Zeit stammende figürliche Funde beweisen auch die fast gleichzeitige Entwicklung bei Blei.

Bleiglanz, chemisch Bleisulfid (PbS), wird zuerst nur als Silberträger gesucht, bei der Reduktion anfallendes Blei gilt als "Abfall". Der niedrige Schmelzpunkt von 334°C führt indessen doch zu vielfältiger Nutzung, sowohl sehr früher figürlicher (Hallstattfunde), als auch täglichen Zwecken dienender (römische Zeit mit Gefäßen, Röhren, Platten). Bleiguss erlebt eine späte Blüte in Denkmälern der Barockzeit.

Zu den „historischen" Metallen zählt auch Nickel - und wieder beginnt die Entwicklung in China, wo um 200 v. Chr. „Packfong“ als eine weißglänzende Nickel-Kupfer-Legierung auftaucht und bis heute als Vorläufer aller Bestecklegierungen (s. Neusilber) gilt.

Mit der Hallstattkultur ging ab 1200 v. Chr. die Bronze- in die frühe Eisenzeit über, ca. ab 450 v. Chr. gefolgt von der La-Tène-Zeit, einer späteren eisenzeitlichen Epoche, die bis zur Zeitenwende reicht. Überlagert wird diese Einteilung vom Beginn der Antike um 1100 v. Chr., die zuerst hellenisch, dann ab ca. 500 v. Chr. für ein Jahrtausend römisch bestimmt ist. Die Römerzeit ist eine Epoche, in der auch Bronze nochmals über figürliche Darstellungen (Standbilder) hinausgehend Bedeutung gewinnt, wie der Einsatz im Bauwesen beweist (u. A. Verbindung von Marmorteilen mit gegossenen oder geschmiedeten Bronzeklammern). Eisen ist immer noch vergleichsweise mühsam herzustellen und seine Verwendung beschränkt sich bis in die Zeit der Merowinger (Merowech) auf Kultgegenstände, Werkzeuge und Waffen. Bei der Verarbeitung von Gold und Silber aus Funden von gediegenem Erz ("Flussgold"), oder auf Handelswegen, wie auch Kriegszügen erlangt, verfeinerte man eine bereits von den Kelten überlieferte Kunstfertigkeit der Bearbeitung.

Europa lag zu dieser Zeit hinsichtlich der Gewinnung und Verarbeitung nicht allein von Eisen weit hinter China, auch Ägypten zurück. Bei Ausgrabungen wurden dort 5000 Jahre alte, noch gut konservierte Eisengegenstände gefunden. Selbst bei Zweifeln hinsichtlich der Art der Gewinnung ist lexikalisch zur Kenntnis zu nehmen, dass bereits um 1200 v. Chr. den Philistern (Talbewohner im Unterschied zu den bergbewohnenden Israeliten) Kenntnisse in der Eisengewinnung nachgesagt werden.

[Bearbeiten] Eintritt in die Eisenzeit

Bronze kann noch in einem aus Lehm gefertigtem Niederschachtofen mit natürlichem Zug hergestellt werden, aber die Gewinnung und Verarbeitung von Eisen ist ohne Einsatz eines starken Blasebalgs nicht denkbar, da nur die reichliche Zufuhr von Luftsauerstoff eine Temperatursteigerung von für Bronzen ausreichenden 1100°C auf die für Eisengewinnung nötigen >1600°C ermöglicht. Die Entwicklung gerät deshalb zeitweise ins Stocken, obwohl man in der Bronzezeit in üblichen, niedrigen Schachtöfen (Rennfeuer), aus einer Mischung von eisenhaltigem Erz und Holzkohle, bei Luftzufuhr mittels einfacher Blasebälge (Rennfrischen) schon so genannte „Luppen“, eigentlich nur ungeformte Klumpen aus schmiedbarem, weil kohlenstoffarmen Eisen aus reicherem Erz (Hämatit/Roteisenerz) gewinnt und auch bereits gelernt hat, aus diesem Eisen Waffen und Rüstungen zu schmieden. Der nächste Schritt führt zu den Wolfs- oder Stücköfen, Vorläufern des Hochofens. Sie liefern auf der Sohle (Boden des Ofens) flüssiges Roheisen, der darüber befindliche „Wolf“ gibt bei Glühen und Frischen Kohlenstoff ab und wird zu Stahl oder schmiedbarem Eisen.

[Bearbeiten] Vom ersten Hochofen bis zum Elektrostahl

Von einer im technischen Sinne wirklichen „Eisenzeit“ kann man erst sprechen, als es im 14. Jahrhundert erstmals gelingt, mit durch Wasserkraft angetriebenen Blasebälgen, dauerhaft Temperaturen >1400°C zu erreichen. Damit lässt sich der erste auf Holzkohle angewiesene Hochofen in Gang setzen, der auch Roheisen in nennenswerten Mengen erzeugt, die man als „Formguss“ zu Geschützen (mittelalterliche Büchsenmeister) und Kanonenkugeln, später auch zu verschiedenerlei „Gusswaren“ verarbeitet (u. A. Siegerländer Ofenplattenguss). Georgius Agricola, Mineraloge, Geologe und Verfasser des für den modernen Bergbau maßgebenden Werks „de re metallica“ mit genauen Beschreibungen und Stichen der damaligen Technik („Fahrkunst“, „Wasserkunst“) öffnet seinen Nachfolgern den Schritt in eine neue Stufe der „Eisenzeit“.

Der erste mit Koks (engl. Coakes) betriebene Hochofen nahm 1781 in England den Betrieb auf, 1796 folgte Gleiwitz. 1837 wurden erstmals die heißen Gichtgase nutzbar gemacht (Faber du Faur – Verfahren). Da das frühe Roheisen mit bis zu 10% Kohlenstoffgehalt weder schmiedbar noch schweißbar war, wurden verschiedene Methoden des „Frischens“, also des Kohlenstoffentzugs entwickelt. Vom historischen Ansatz „Herdfrischen“ ausgehend, über den arbeitsintensiven „Puddelofen“, findet sich eine erste Lösung in dem 1855 von H. Bessemer erfundenen „Windfrischen“, bei dem Pressluft von unten durch ein mit saurer (silikatischer) Masse ausgekleidetes, großes birnenförmiges Gefäß (Bessemerbirne) geleitet wird und dabei vor allem den Kohlenstoff, aber auch andere unerwünschte, oxidierbare Beimengungen des Roheisens, wie Prozesswärme lieferndes Silizium soweit verbrennt, dass es schmiedbar wird. 1878 wird das Verfahren von Sidney Thomas und Gilchrist durch eine basische Auskleidung der „Birne“ entscheidend verbessert, weil damit die im Eisengehalt niedrigeren Brauneisenerze (30-55% Fe), zu denen auch die sehr feinkörnig geförderte, lothringische Minette gehört (sogar nur 20-40% Fe) und deutsches Raseneisenerz (Salzgitter), die beide phosphorreiche Roheisensorten ergeben, zu Guss- und Schmiedestahl verarbeitbar werden. Die im Hochofenprozess im Verhältnis 2:1 überwiegende Schlacke wird – gemahlen - als phosphorhaltiges „Thomasmehl“ zum ersten „Kunstdünger“ für die Landwirtschaft. (Ein nächster Schritt ist hier im 20. Jahrhundert die Ammoniaksynthese nach Haber-Bosch). Die Blasstahlverfahren finden ihre letzte Verbesserung mit dem LD-Verfahren, das zum Frischen sehr reinen Sauerstoff einführt. Der Hochofen verliert aber seine Alleinstellung als Roheisenlieferant für die Stahlerzeugung bereits mit der Einführung des Siemens-Martin-Ofens mit Regenerativfeuerung, weil bei einer Temperatur von 1700°C im „Herdfrischverfahren“ Roheisen zusammen mit Schrott zu Stahl wird, (Schrottverwertung als erstes Recyclingverfahren). DasElektrostahl-Verfahren geht noch einen Schritt über das Siemens-Martin-Verfahren hinaus. Schrotte und durch Direktreduktion aus reichen Erzen erzeugter Eisenschwamm (Pellets) werden in einem Lichtbogenofen zu hochwertigem Stahl oder zu Gusseisensorten. An die Stelle des Hochofenwerks (s. Duisburg-Meiderich), welches in der Regel auf maximalen Durchsatz ausgelegt und daher auch durch einen großen Rohstoffbedarf an gute Infrastrukturbedingungen gebunden war, tritt besonders in unseren rohstoffarmen Regionen das Elektrostahlwerk (Mini-Stahlwerk), welches zum einen kleiner und zum anderen an den hiesigen Rohstoff Schrott angepasst ist. Die Primärstahlerzeugung wandert daher immer mehr zu den Rohstoffen, wie man am geplanten Hochofenwerk von ThyssenKrupp in Brasilien sehen kann.

[Bearbeiten] Die Wiederkehr des Kupfers

Seit 150 Jahren gibt es in Europa auch eine „Neue Zeit“ für Kupfer und Kupferlegierungen: Sie wird u. a. bestimmt von der neuen Legierung „Gun Metal“, „Kanonenbronze“ (Geschütze). Auch als Maschinenbronze oder Rotguss bezeichnet, ist sie eine besonders damaligen, militärischen Anforderungen gerecht werdende CuSnZn- Legierung. In gleicher Weise von Bedeutung für den Verbrauch von Kupfer ist auch die Wiederentdeckung des historischen Messings als vielseitige Guss-, wie Knetlegierung (Patronenhülsen, Kartuschen, Drähte, Bleche), Drahtgeflechte aller Art, aus Messing sind es Leonische Waren). Der zivile Bereich verlangt vor allem nach Kupferdrähten für Strom- und Telefonleitungen, für die Ankerwicklung der Elektromotoren. Auch für öffentliche und individuelle Heizung und Wasserversorgung (Armaturen) entsteht ein wachsender Bedarf, der auch noch die Frühzeit des Automobils (Kühler, Vergaser) einschließt. Auch im Schiffbau findet das korrosionsfeste und Muschelbewuchs abwehrende Kupfer unter der Wasserlinie Anwendung, oberhalb dominiert dagegen Messing bei Ausrüstungsgegenständen, Beschlägen und Instrumenten.

[Bearbeiten] Die „Erdmetalle“ kommen

Zu der sich in der Moderne behauptenden „Eisenzeit“, gehört seit dem Ende des 19. Jahrhunderts, etwas metallurgisch völlig Neues, die „Erdmetallzeit“. Bescheiden ist ihr Anfang. Friedrich Wöhler stellt 1828 erstmals „Silber aus Lehm“ dar, das 1825 von Hans Christian Ørsted entdeckte Aluminium. 1854 wird von Robert Wilhelm Bunsen zur Gewinnung nutzbarer Mengen die Schmelzflusselektrolyse vorgeschlagen, Henri Etienne Sainte-Claire Deville stellt es erstmals in einem Prozess dar. 1886 wird er von Charles Martin Hall und Paul Héroult gleichzeitig zu einem Patent angemeldet, das bis heute Grundlage der Aluminiumerzeugung ist und ihm den Weg zu einem Gebrauchsmetall geöffnet hat. Es dauert nochmals 10 Jahre, bis mit Hilfe starker, die Wasserkraft des Rheinfalls nutzender Turbinen die erste Aluminiumhütte der Welt im schweizerischen Schaffhausen den Betrieb aufnimmt. Heute werden weltweit jährlich mehr als 10 mio t Rohaluminium erzeugt (das energiereiche Russland strebt die Marktführerschaft an).

Die „Erdmetallzeit“, die Magnesium einschließt und unter Hinzunahme von Titan auch „Leichtmetallzeit“ genannt wird, ist eine Ergänzung der „Eisenzeit“, wird diese aber nicht so verdrängen, wie einst Eisen die Bronze.

[Bearbeiten] Neuzeitliche Metallurgie

[Bearbeiten] Gewinnung der Ausgangsstoffe

In ihrer Grundlage unterscheidet sich die neuzeitliche Metallurgie nicht von der historischen, vermutlich mehr als 6.000 Jahre alten, nämlich möglichst metallreiche Erze und Mineralien gezielt aus ihren Lagerstätten zu gewinnen, diese „auszubeuten“. „Gediegenes“, also reines Metall, ist die Ausnahme, weit seltener als „höffige“ Lagerstätten. Die zu den Geowissenschaften gehörige „Lagerstättenkunde“ (Prospektion) beschäftigt sich hier mit der Entstehung, die Wissenschaften rund um den Bergbau mit Erkundung und Abbau der Vorkommen, wobei die Technik und Weiterverarbeitung stark vom Metallgehalt des Gesteins oder Erzes abhängig ist. Unterirdisch gelegen wird im Stollen abgebaut (historische Beispiele: Silberbergbau am Cerro Rico im bolivischen Potosi bis 1825, heute dort nur noch Kupfer, Zinn und Blei). Bekannt auch der historische Goldabbau in Österreich („Tauerngold“). Für Tagebau typische Beispiele finden sich im schwedischen Falun (Blei, Zink, Kupfer), oder in Österreich (Erzberg). Zu den wichtigen offenen Lagerstätten, gehören auch Erz, oder sogar noch „Gediegenes“ enthaltende geologisch so bezeichnete „Sande“ und „Seifen“. Man unterscheidet sie zumeist nach der Art ihrer Entstehung. Metallurgisch am bedeutsamsten sind die residualen, nach Verwitterung von Umgebungsgestein übrig gebliebenen (z. B. Magnetit oder Magneteisenerz), die alluvialen, von zu Tal gehendem Wasser angeschwemmten (z. B. kalifornische Goldseifen) und die „marinen, küstennahen Seifen“ (z. B. zinnhaltige Malaysias und Indonesiens mit 30% Anteil an der Weltproduktion, sowie der titanhaltige Monazitsand Westaustraliens). Als „Rückstandsgesteine“, den „Sanden“ nahe stehend, gelten auch die Nickel-Laterit-Erze, die sich geologisch bedingt in niedrigen Breiten finden.

Nachklassisch, da an erst in der Moderne entwickelte Verfahren gebunden, werden der Metallurgie noch zugeordnet: Die elektrolytische Gewinnung der Alkalimetalle aus dem bergwerksmäßigen Abbau ihrer Chloride, der ebenso betriebene Abbau von Uranpecherz als uranhaltigem Mineral, die Gewinnung von Magnesium aus dem Abbau von Magnesit (Australien) über die Zwischenstufe Magnesiumchlorid, das aber auch aus seinem Anteil am Meerwasser zu gewinnen ist und der offene Abbau von Bauxit, einem rötlichen Sedimentgestein, das - zu Tonerde umgewandelt Grundstoff der Aluminiumerzeugung ist. Erwähnt sei noch der in seinen Anfängen stehende Tiefseebergbau (Manganknollen mit bis zu 27% Mangan und weiteren Metallen, wie etwa bis zu 1% Nickel).

[Bearbeiten] Einteilung der Metalle nach metallurgischer Bedeutung

Eine erste, grobe Einteilung geht vom prozentualen Anteil an der Erdkruste, (nicht dem NiFe-Erdkern) aus und unterscheidet so Haupt– von Nebenmetallen. Aluminium ist heute ein Hauptmetall, spät als solches erkannt, weil es gleich dem Silizium in der Natur nicht metallisch vorkommt. Das Tonmineral Bauxit (auch als „Aluminiumerz“ bezeichnet), wird zu Tonerde verarbeitet und aus dieser seit dem Ende des 19. Jahrhunderts elektrolytisch Aluminium gewonnen. Zu den Hauptmetallen gehören auch die metallurgisch, wie chemisch wichtigen Alkali- und Erdalkalimetalle, wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, besonders auch Silizium, ein Halbmetall, das in der Natur nur als Gestein oder Quarzsand (SiO₂) vorkommt, aus dem man es in einem elektrochemischen Reduktionsverfahren im Lichtbogenofen mit Kohleelektroden „carbothermisch“ gewinnt. Bei gleichzeitigem Zusatz von Eisenschrott entsteht „in situ“ das u. a. für die Stahlberuhigung nach dem Frischen verwendete Ferrosilizium (FeSi). Gleich wie Aluminium und Mangan wirkt es desoxidierend (sauerstoffentziehend). Bei Aluminium-Silizium-Legierungen bestimmt Silizium die Legierungseigenschaften von Knetlegierungen, wie Gusslegierungen. Eine zusätzliche Schmelzebehandlung (Feinung/Veredelung) verhindert bei letzteren die nachteilige primäre Grobausscheidung des Siliziums bei langsamer Erstarrung der Schmelzen (Sandguss, Kokillenguss).

Spezielle Bedeutung erlangte Silizium als Halbleiter, in aufwändigen Verfahren in Reinstform hergestellt, in der Computertechnik (Chipfertigung: z. B. Dresden/Elbe-Valley).

Eine andere Art der Einteilung trennt die Schwer- von den Leichtmetallen. Schwermetalle weisen eine Dichte >5 kg/m³ auf. Platin steht mit der Dichte 21,45 kg/m³ an der Spitze (Eisen 7,86 kg/m³, Kupfer 8,93 kg/m³, Zink 7,14 kg/m³). Bei den Leichtmetallen führt als Leichtestes Lithium mit 0,54 kg/m³, gefolgt von Magnesium mit 1,74 kg/m³ und Aluminium mit 2,70 kg/m³. Titan wird mit 4,5 kg/m³ als noch zuordenbar gesehen.

Gebräuchlich ist auch eine Einteilung in Basismetalle und Legierungsbegleiter. Hier gelten Kupfer, Eisen, Blei, Zinn, Zink, Nickel - entwicklungsgeschichtlich bedingt - als Basismetalle, Aluminium, Magnesium und Titan sind inzwischen, von der wirtschaftlichen und metallurgischen Bedeutung her, zuzuordnen.

Als relativ grobe Einteilung unterscheidet man in der Metallurgie auch zwischen Eisen- und Nichteisenmetallen, was daher rührt, dass die Erstellung und Verarbeitung von Eisen die der anderen Metalle und ihrer Legierungen mengenmäßig bei weitem übersteigt, wobei aber zu bedenken ist, dass ein Gewichtsverhältnis von 1:3 zu Lasten der Eisenmenge besteht.

[Bearbeiten] Hauptmetalle

Kupfer, als Hauptmetall mit langer Geschichte, wird heute selten als Schwarzkupfer aus dem Erz gewonnen, üblich ist die primäre Gewinnung als in einem elektrolytischem Prozess anfallendes, wasserstoffhaltiges Kathodenkupfer (Blistercopper). Hochrein und sauerstofffrei ist es „Leitkupfer“ für die Elektroindustrie. Gegenüber Witterungseinfluss sehr stabil, wurden Reinkupferbleche auch für Dachbedeckung und Regenrinnen wiederentdeckt. Die mit der Zeit entstehende Patina (Grünfärbung) wurde schon früher geschätzt. Fälschlich als (giftiger) Grünspan bezeichnet, besteht sie aus Kupfersulfat und -carbonat. Die Masse des verfügbaren Kupfers wird indessen zum Bestandteil von Legierungen (die Glockengusslegierung mit 20-24% Zinn ist seit Jahrhunderten unverändert), die zusammenfassend zwar als Kupferlegierungen bezeichnet werden, aber bei Bronzen und Sonderbronzen (vgl. a.a.O. Berylliumbronze), sowie bei Messingen (Alpha- bzw. Beta-Messing mit 63/58% Zink) doch starke Unterschiede aufweisen (s. auch das farblich abweichende „Neusilber", früher auch Weißkupfer genannt.

Kupfer ist zudem Träger zahlreicher als „Vorlegierung“ in nichteisenmetallurgischen Prozessen zugesetzter Elemente.

Zinn ist seit der Bronzezeit wichtigstes Begleitmetall des Kupfers, als Reinzinn wird es zunehmend seltener verarbeitet (Geschirrzinn, Zinnfiguren). Lötzinn ist eine Zinnlegierung mit einem Schmelzpunkt >450°C. Ebenso wie Blei ist Zinn aber unverändert auch wichtiger Bestandteil von Lagerwerkstoffen (Gleitlager).

Blei ist geschichtlich (Römerzeit) ein Hauptmetall, heute wird es wegen seiner Giftigkeit (es wird mit als Ursache für den Untergang des Römerreichs angesehen) für trinkwasserführende Systeme (Bleirohre) nicht mehr verwendet, Blei-Antimon-Legierungen als Schriftmetalle sind als Folge moderner Drucktechnik weitgehend bedeutungslos geworden. Unverzichtbar ist Blei für Akkumulatoren und als „Bleilagermetall“. Bedeutend ist es weiterhin als Begleiter von Kupfergusslegierungen (Rotguss, Bleibronze, einer CuPbSn-Legierung, die mit bis zu 26% Bleianteil ein wichtiges Lagermetall) für die Automobilindustrie ist, sowie als die Zerspanung begünstigender Zusatz (max. 3%) bei Messing-Knetlegierungen.

Eisen wird zu Gusseisen oder Stahl allein durch seine Begleitelemente (Eisenbegleiter), die unverzichtbar sind, besonders bei der Stahlherstellung, mengenmäßig aber Nebenmetalle bleiben. Die bekanntesten sind Mangan (Spiegeleisen/Ferromangan/FeMn50 als Manganträger), Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Cobalt, Titan, das Halbmetall Silizium (FeSi) und die Nichtmetalle Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel.

Zink wird als Reinzink mit 0.5% Kupfer legiert beim Verzinken von Stahl als Korrosionsschutz in großen Mengen verbraucht. Zinkbleche und Bänder aus mit 0.1% Cu oder Ti sehr „niedrig legiertem Rein- oder Titanzink“ werden im Bauwesen verwendet. Ferner ist Zink Basismetall für Feinzinklegierungen mit Kupfer- und Aluminiumanteilen. Als wichtiger Begleiter findet sich Zink bei Kupferlegierungen (s.o.), insbesondere bei Messing.

Aluminium wird zwar auch als Rein-, bzw. Reinstmetall verwendet, seine eigentliche Bedeutung als Gusswerkstoff wird aber von zahlreichen legierungsbildenden Begleitelementen bestimmt, zu denen auch das Basismetall Kupfer gehört. Alfred Wilm entwickelt 1909 DURALUMIN (AlCuMg), die erste aushärtbare Legierung (Einsatz im Flugzeugbau (Junkers/Dessau). Aladár Pácz gelingt 1920 die gefügebeeinflussende „Veredelung“ der eutektische AlSi -Zweistofflegierung (ALPAX, SILUMIN) mittels Zugabe von <150 ppm Natrium. Daraus wird im Bereich von 7-13% Si-Anteil die heute als Formguss meistverarbeitete Legierungsgruppe. Wenig später folgen AlMg-Legierungen (HYDRONALIUM,seewasserfest), die universale Knetlegierung AlMg0.5Si0.5 und zahlreiche weitere Legierungen mit Kupfer, Titan, Zink, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom u. a., wobei die von den Legierungen verlangten, zunehmend spezifizierteren Eigenschaften das/die Begleitelement/e nach Art und Menge bestimmen. Soweit nicht als Fertiglegierung vorliegend, können sie auch einer Basisschmelze als „Legierungsmittel“ oder „Vorlegierung auf Aluminiumbasis“ zugefügt werden.

[Bearbeiten] Begleitmetalle

Der Begriff Begleitmetalle trifft nur bei der Herstellung von Legierungen zu (synonym Legierungsbegleiter). Ihr Anteil beträgt oft nur Zehntelprozente, kann aber auch im zweistelligen Bereich liegen. Beispiele: AlCuTi mit 0,15–0,30% Titan; AlSi 12 mit 10,5−13,5% Silizium. Die Werkstoffentwicklung kennt inzwischen nur noch wenige Elemente, z. B. radioaktive, die sich nicht dazu eignen, Eigenschaften neuentwickelter Legierungen zu verbessern.

Beispiel: Phosphor in übereutektischen AlSi-Kolbenlegierungen. Ferner: Beryllium, ein Leichtmetall mit einer Dichte von 1,84. In Form seiner Dämpfe sehr giftig, ist es dennoch als aushärtbare Berylliumbronze für funkenfreie Werkzeuge, als Desoxidationszusatz für Leitkupfer (hier über eine 5%ige Vorlegierung) und im ppm-Bereich (ebenfalls über Vorlegierung dosiert) bei Aluminium- (zur Güteverbesserung) und Magnesiumlegierungen (zur Verringerung der Brandneigung) bislang unverzichtbar.

[Bearbeiten] Metallurgische Grundprozesse

Die im Abschnitt „Gewinnung der Ausgangsstoffe“ hinsichtlich Vorkommen und Gewinnung beschriebenen Elemente verlangen nach dieser, ihrer ersten Prozessstufe eine weitere, die der Aufbereitung, bevor sie durch Verhüttung zu nutzbaren Metallen und Legierungen werden.

Eine primäre Scheidung oder Sichtung wird noch dem Bergbaubereich zugerechnet. Das weitere gilt bereits als „hüttenmännische“ Arbeit. Die erforderlichen Prozessschritte sind dabei so vielfältig wie die Ausgangsstoffe selbst. Grundsätzlich unterscheidet man trockene und nasse Verfahren mit dem Ziel einer „Anreicherung“ des aus der Grube geförderten „Haufwerks“, d. h. einer möglichst weitgehenden Trennung des werthaltigen, erzreichen vom wertlosen, „tauben“ Material (Gangart). Dazu gehört gegebenenfalls eine weitere Zerkleinerung durch Mahlen, Sieben, Sichten, auch durch Magnetscheidung. Die weitere Verarbeitung kennt drei Grundtechniken:

[Bearbeiten] Pyrometallurgie

Die Pyrometallurgie umfasst die thermische Weiterbearbeitung, sei es unter Sauerstoffzufuhr oxidierend erhitzen (rösten abrösten), oder in sauerstofffreier Ofenatmosphäre reduzierend. Beigeordnet ist die Feuerraffination (Oxidieren und Verschlacken unerwünschter Elemente), ferner die Seigerung (Ausnutzung von Dichteunterschieden innerhalb einer Schmelze) und die Destillation, bei der man unterschiedliche Dampfdrücke zur Trennung in Fraktionen nutzt (s. Zinkgewinnung aus abgeröstetem Zinkerz in Muffelöfen).

[Bearbeiten] Hydrometallurgie

Hydrometallurgie bedeutet ursprünglich Vorbereitung von Erzen zur Verhüttung durch kalte oder warme Trennverfahren (Kalt- bzw. Heißextraktion) mittels Wasser. Die historische Flotation, weiterentwickelt zur Sink- Schwimmtrennung, ermöglicht im Abbau gewonnenes Erz weiter anzureichern. Gleichen Zwecken dient das Auslaugen und Auskochen. Auch die Extraktion durch Säuren, Laugen, organische Lösungen, Bakterien gehört noch zur Hydrometallurgie. Durch chemische Fällungsverfahren, oder mittels Elektrolyse gewinnt man auch aus armen Erzen die mit <1% enthaltene Elemente (z. B. Edelmetalle). Bezeichnung: „Elektrometallurgie auf nassem Wege“.

[Bearbeiten] Elektrometallurgie

Die Elektrometallurgie umfasst sowohl elektrothermische als auch carbothermische (s. Siliziumherstellung), ebenso elektrolytische Verfahrenstechnik. Beispiel: Die Schmelzflusselektrolyse des Aluminiums aus einem Tonerde-Kryolith-Gemisch (s. Hall-Héroult–Verfahren), mit einer Kohlewanne für das Gemisch als Kathode und von oben zugeführten Anoden, erweitert zum kontinuierlichen Bayer-Verfahren mit fortlaufendem Ersatz verbrauchter Anoden. Diese Söderberg-Anodentechnik, wird durch das, hinsichtlich Energieverbrauch, Anodenerhalt und Ausbeute deutlich verbesserte Pechiney-Verfahren abgelöst; bestehende Altanlagen werden stillgelegt oder umgerüstet.

Mittels Schmelzflusselektrolyse eines Chloridgemischs, weil man damit die erforderliche Reaktionstemperatur erniedrigt, werden auch die Alkalimetalle aus ihren Salzlösungen gewonnen. Für das zunehmend bedeutender werdende Erdalkalimetall Magnesium schlägt Bunsen bereits 1852 die Elektrolyse im Gemisch mit Flussspat vor. Heute gewinnt man es, im Prinzip noch gleich, entweder direkt aus natürlichen magnesiumchloridhaltigen Salzen (Carnallit, Bischofit), oder aus dem 0,4%-Anteil im Meerwasser. Technisch bedeutender ist die bereits genannte Umwandlung von Magnesit (MgCO₃/Bitterspat, große Vorkommen u. a. in Australien) in einem chemischen Prozess zu Magnesiumchlorid und sich daran anschließender Elektrolyse, die praktisch (seit Bunsens Erkenntnissen) dem Verfahren der Aluminiumgewinnung gleicht (Pionier: G. Pistor, 1920). Erste Mengenerzeugung im Werk Elektron-Griesheim der IG Farbenindustrie (geschützte Marke „Elektronmetall“), Verwendung für die Gefügebeeinflussung von Gusseisen, Profile für Luftfahrzeug-/Luftschiffbau), in der Photographie (Magnesiumpulverblitzlicht) und in der Pyrotechnik, später auch Magnesiumdruckguss aus Legierungen.

[Bearbeiten] Pulvermetallurgie

Der Begriff Pulvermetallurgie wird gelegentlich in der Literatur verwendet, es handelt sich dennoch um keine eigenständige Metallurgie, sondern eine latent explosionsgefährdete Technik geschmolzene Metalle und Legierungen entweder im Flüssigzustand zu Pulver zu verdüsen, oder sie aus dem Festzustand heraus in Feingranulat umzuwandeln. In Pulvermühlen auf die verlangte Feinheit gebracht, werden daraus u. a. Metallic-Lacke hergestellt. Gesinterte Metallpulver werden zunehmend auch im Formenbau genutzt. Magnesiumpulver (besonders pyrophor) wird durch „Abreiben“ vom Blockmetall gewonnen.

[Bearbeiten] Sekundärmetallurgie

Vornehmlich Stahlwerker wenden diesen Begriff an, der aber weniger eine eigenständige Metallurgie darstellt, vielmehr eine ganze Reihe alternativ oder in Abfolge anwendbarer, die Schmelzen verbessernder, metallurgischer Maßnahmen umfasst. Von besonderer Bedeutung im Rahmen der so genannten „Pfannenmetallurgie“ ist die Hebung der Stahlqualität, z. B. durch Anlegen eines Vakuums (mit sich daraus ergebender Entgasungswirkung). Es handelt sich hier demnach nur um Sonderformen der Schmelzebehandlung, wie sie auch bei anderen Metallen (z. B. in der Primäraluminiumerzeugung) und Legierungen üblich sind .

[Bearbeiten] Verhüttungs- und Weiterverarbeitungstechnik

Metallurgie und Hüttenkunde wurden ursprünglich als synonyme Begriffe gebraucht und die Gewinnung und Aufbereitung der Erze als ein der „Verhüttung“ vorausgehender Prozess gesehen. Der Fortschritt in Technik und Wissenschaft legt eine neue Gliederung nahe, in der die Metallurgie als übergeordnete Wissenschaft sich der Gewinnungs- und Aufbereitungstechnik und diese wiederum der Chemie bedient, um im nun enger verstandenen Hüttenwesen, einem Begriff, der stets thermische Verfahren einschließt, aus den vorbehandelten Einsatzstoffen zu nutzbaren Metallen und insbesondere deren Legierungen zu gelangen. Der Arbeitsablauf in einer Hütte besteht in der Regel aus folgenden Schritten:

a) Gattieren des Einsatzes, auch unter dem Gesichtspunkt der gewünschten Eigenschaften der Ausbringung.

b) Einmaliges (diskontinuierliches, an die Ofenfassung gebundenes) oder fortlaufendes (kontinuierliches) Chargieren eines Ofens mit dann ebenso kontinuierlicher Metallentnahme (Beispiel: Hochofen mit bis zu 5.000 t Roheisen Tagesausstoß. Vergleichbar die kontinuierlich Rohaluminium liefernde Schmelzflusselektrolyse.

c) Erschmelzen des Einsatzes, wiederum entweder chargenweise und mit Chargeneigenschaften oder mittels kontinuierlichem Nachchargieren und Sammeln des erschmolzenen Metalls in einem den Chargen- nicht aber den Partiecharakter ausgleichenden Mischer.

d) Schmelzebehandlung durch oxidierend/reduzierendes Raffinieren (siehe Sekundärmetallurgie), Legieren bzw. Legierungskorrekturen einschliessend

e) Vergießen: Einfacher Masselguss oder Weiterverarbeitung (Beispiel: Stahlwerk, das Roheisen entweder zu einfachem Gussstahl oder stranggegossenen (s. Stahlstrangguss) Formaten für ein nachgeschaltetes Walz-, Zieh- und Presswerk verarbeitet.

[Bearbeiten] Eisen

Am Beispiel Eisen ist die Spannweite der „Verhüttung“ besonders sichtbar und dies auf der Grundlage des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, auf dem die Eisentechnologie als Wissenschaft aufbaut und sich danach ihre Techniken entwickelt hat.

Die klassische Eisenhütte erzeugt im Hochofen ausschließlich „Roheisen aus einem Gemenge (Gattierung) aufbereiteter, d. h. in einem Röstprozess (Oxydat“ion von Sulfiden, Erhitzung und damit Entfernung flüchtiger Bestandteile, z. B. hoher Wassergehalt der Minette) für den Hochofengang vorbereiteter, oxidischer, oxidhydratischer oder carbonatischer Erze ((Magnetit, Hämatit, Limonit (Salzgitter), Siderit (Österreich), auch aus Pyrit-(Schwefelkies) -Abbränden der Schwefelsäureherstellung)) mit Hilfe von Zuschlägen (Möller) von Kalkstein und Koks (in den Anfängen wurde ausschließlich Holzkohle eingesetzt, heute ist dies nur noch für „Sonderroheisen“-Sorten der Fall). Der Abstich (Ausbringung des Roheisens) weist bei diskontinuierlicher Beschickung Chargeneigenschaften auf, im kontinuierlichen Betrieb sind es die von der verarbeiteten Erzsorte bestimmten Partieeigenschaften, die seine Zuordnung zu einer bestimmten Roheisenqualität bedingen, so z. B. Hämatitroheisen mit >0.1% Phosphor, oder Gießereiroheisen mit bis zu 0.9% P. Außer von Charge und Partie wird der Abstich qualitativ auch von der Erstarrungsart bestimmt. Bei langsamer Abkühlung (Masselguss) erhält man graues Gusseisen (das nach Art der Graphitausscheidung differenziert wird (lamellar, vermikular, sphäroidal)). Bei rascher Erstarrung erhält man manganhaltiges, weißes Roheisen, eine Übergangsform ist meliertes Gusseisen. Nicht zur Verwendung als Gusseisen bestimmtes Roheisen wird vom Hochofen zuerst in einen Mischer entlassen und dann an das Stahlwerk weitergeleitet (erstmaliger Flüssigmetalltransport vor 60 Jahren mit der normalspurigen „Torpedopfanne“ mit 100 t Fassung).

Auch im 21. Jahrhundert, ist die Erzeugung von Roheisen immer noch Betriebszweck eines „Eisenhüttenwerks“, die Primärerzeugung im Hochofen hat ihre Alleinstellung bei der Eisengewinnung seit der Erfindung des Siemens-Martin-Ofens mit Regenerativfeuerung, erst recht seit der Einführung des Elektroofens jedoch verloren. Dennoch bleibt die „verbundene Eisenhütte“ (in Osteuropa als "Kombinat" bezeichnet) ein metallurgischer Betrieb zur Erzeugung von Roheisen, Gusseisensorten und Stählen.
Gusseisenwerkstoffe werden aus kohlenstoffreicherem Roheisen gewonnen. Es wird in ein „Masselbett“ geleitet und diese Masseln werden im Kupol- oder Elektroofen mit definiertem Schrott, eigenem Rücklauf und Legierungszusätzen dann zu Gusseisensorten (s.a. oben). Für „Leichtbau aus Eisen“ gilt ADI (austenitisches, duktiles Gusseisen) als Antwort auf die starke Zunahme von Aluminiumguss bei Automobilmotoren.

Temperguss ist eine Sonderform des Eisengusses. Seine im Vergleich zu Grauguss besseren mechanischen Eigenschaften erwirbt er, als „weißer“, kohlenstoffarmer, oder schwarzer, kohlenstoffreicherer Temperguss, durch Glühen der in Temperkohle eingepackten Gussteile in regulierbaren, gasbeheizten Temperöfen. Die Verweilzeit bei dort gegebenen, oxidierenden Bedingungen ist teileabhängig. Sie beginnt aber kontrolliert bei 900°C und wird bis zum Temperende auf 750°C abgesenkt (Beispiele für Temperguss: Fittings, Schlüssel, Zahnräder u. a.).

Eine dem Temperguss verwandte Sonderform ist der Hartguss (weißes Gusseisen, niedrig graphitiert) der als Walzenguss (u. a. für Kalt- und Warmwalzwerke) wirtschaftlich bedeutend ist.

Für die Stahlerzeugung ist „ersterschmolzenes“ Roheisen noch nicht nutzbar. Stahl muss schweiß- bzw. schmiedbar und daher kohlenstoffärmer sein, er wird deshalb „gefrischt“, d. h. mittels Pressluft- oder Sauerstoffzufuhr solange oxidierend behandelt, bis der unerwünschte Kohlenstoff verbrannt ist, sein Anteil kleiner 2% wird. Das „Frischen“ erfolgt „klassisch“ als Blasstahlverfahren im Konverter, als Siemens-Martin-Verfahren, die Entwicklungsreihe fortsetzend als LD-Verfahren (Sauerstofffrischen), Elektroverfahren (Lichtbogen- oder Induktionsofen). An das den Kohlenstoff oxidierende/verbrennende Frischen schließt sich die Entfernung überschüssigen, bereits an Eisen gebundenen Sauerstoffs (Desoxidation, „Beruhigung“) durch Zusatz leicht oxidierbarer Elemente an. Üblich sind Aluminium oder Silizium, dieses als FeSi (Ferrosilizium), das bei der carbothermischen Siliziumherstellung gewonnen wird (s. o.). Oxidation und Desoxidation sind von Thermodynamik und Reaktionskinetik bestimmte Maßnahmen, bei denen Chemie und Metallurgie - nicht nur die des Eisens - zusammenwirken.

Die beruhigte Stahlschmelze lässt sich durch Zusatz von Legierungselementen auf die künftige Verwendung als Stahl einstellen. Die Sortenvielfalt ist beträchtlich, weil nach Herkunft (Thomasstahl, Siemens-Martin-Stahl, Elektrostahl), wie Verwendung bzw. Eigenschaften unterschieden wird z. B. hoch und niedrig legierter Stahl, legierter Kalt- bzw. Warmarbeitstahl, nichtrostender Stahl (NIROSTA mit mehr als 12% Cr), magnetischer, weichmagnetischer und „nichtmagnetischer“ Stahl u. a. Vollständige Auflistung s. „Stahl“ ("Giessereilexikon" a.a.O.)

Die Masse der Stähle („Massenstahl“, wie z. B. niedrig oder unlegierter Baustahl) wird zu Walzmaterial (Träger, Bleche, Bänder, Röhren, Stäbe, Drähte). Frühere Grundlage dieser Fertigungen waren in Großkokillen hergestellte Walzbrammen, wobei Lunkerfreiheit (durch Erstarrungsschrumpfung bedingte Hohlräume) durch exotherme (wärmeabgebende) Auskleidung der Kokillen bewirkt wurde. Heute hat das Stranggießverfahren diese Technik weitgehend ersetzt.

Die Stranggießerei ist eine dem Stahlwerk angegliederte Weiterverarbeitungseinheit in der die Umwandlung von flüssig zu fest im kontinuierlichen (Strangtrennung mit „fliegender Säge“) oder diskontinuierlichen, vertikalen, horizontalen oder Bogenstrangguss, einsträngig oder mehrsträngig erfolgt. Ein Stranggussprodukt sind auch Stranggussmasseln für Stahlgießereien. Unterschiedliche Hauptprodukte sind indessen anspruchsvoller, sei es als Vollguss, auch profiliert, oder Hohlguss (Röhren). Vor der Weitergabe an ein Walzwerk werden sie als kalt oder warm zu verarbeitend differenziert und demnach vorwärmender, kühlender (abschreckender) Behandlung, natürlicher oder künstlicher Alterung (Umwandlung des Mischkristallgefüges) unterzogen, wobei als Vergütung eine Erwärmung bezeichnet wird, gefolgt von abschreckender Härtung und nachfolgendem „Anlassen“ (Wiedererwärmen für Warmverarbeitung) (ausführlicher siehe u. a. „Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens“, Verband deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf).

Wirtschaftlich bedeutend sind besonders die Baustähle (T- und I-Träger, Monierstahl), ferner Schienen, Drähte, Bleche (einseitig verzinnt werden sie zu Weißblech für Dosenfertigung), ferner viele Spezialstähle, wie die Edelstähle (s.o. NIROSTA), oder Hartstähle (Panzerplatten) für militärische und zivile Zwecke.

Spezialstähle (u. a. Ventilstahl, Formstahl) die - von Stranggussmasseln ausgehend - in einer Stahlgießerei zu Gussteilen werden, unterzieht man nach dem Guss – hierin gleich anderem Formguss - einer Wärmebehandlung, um den Guss zu entspannen und das Gefüge zu verbessern (Lösungsglühen). Zusätzliche Legierungselemente (Chrom, Nickel, Molybdän, Cobalt) können der Schmelze vor dem Vergießen als Vorlegierungen zugesetzt werden. Friedrich Krupp erkannte bereits 1811 den Einfluss festigkeitssteigernder Zusätze (Krupp-Stahl) und führte auf dieser Grundlage die Gussstahlfertigung in Deutschland ein (Geschützrohre seit 1859 Stahlguss).

[Bearbeiten] Aluminium, Magnesium

Metallurgisch gesehen unterscheiden sich die Produktionspaletten von Eisen und Aluminium nicht allzu sehr, sie werden überwiegend von den Möglichkeiten bestimmt, „schweres Eisen“ durch „leichtes Aluminium“ zu ersetzen.

Eine Aluminiumhütte - und dies als wesentlicher Unterschied zu einer Eisenhütte - bezieht ihren Rohstoff Tonerde aus einer eigenständigen auf die Umarbeitung von Bauxit zu Aluminiumhydrat spezialisierten Vorfertigung. Deren Produkt calcinierte Tonerde, wird im Gemisch mit Kryolith in der Schmelzflusselektrolyse eingesetzt und liefert dort kontinuierlich schmelzflüssiges Rohaluminium, das - nur insoweit dem Roheisen vergleichbar - bei Entstehung entnommen und in Großöfen (Mischer) durch chemisch-physikalische Prozessschritte von Verunreinigungen befreit und vereinheitlicht wird. Weit überwiegend wird es zu Legierungen verarbeitet, die ihre spezifischen Eigenschaften durch den Zusatz unterschiedlicher Legierungsbegleiter (s. Vorlegierungen) erlangen, insbesondere durch Silizium, Magnesium und Kupfer, es werden aber, je nach Verwendungszweck, auch weitere Legierungselemente zugesetzt. Alle Legierungen werden zur Weiterverarbeitung entweder flüssig in eine Formgießerei verbracht, oder man vergießt sie zu Masseln, was Wärmeverlust bedeutet, aber lange Transportwege und Vorratshaltung ermöglicht. Der größere Teil der Legierungen geht flüssig in ein der Primärhütte angeschlossenes Cast-House/Hüttengießerei (vgl. hier mit dem einer Eisenhütte angeschlossenem Stahlwerk mit Stranggießerei, Walz-, Zieh- und Presswerk) und wird dort zu Barrenguss. Diese Barren werden heute fast ausschließlich im Vertikal-Stranggießverfahren hergestellt, nach Durchlauf des Flüssigmetalls durch eine Verunreinigungen ausspülende Zwischenstufe (SNIF-Box). In der zu den Stranggusskokillen führenden Gießrinne und dem Verteilersystem wird noch (gesteuert) Kornfeinungsdraht aus einer AlTi- (AlTiB-)Legierung zugeführt. Die Walzbarren erreichen Gewichte bis 40 t, es werden aber auch Rundbarren in Vielfachkokille mit dem Durchmesser entsprechender Stückzahl (achtfach und mehr) abgegossen. Das Gussprodukt ist „Halbzeug“, nach Kaltauslagerung oder Wärmebehandlung in entsprechenden Spezialöfen (s. Ofentechnik) werden daraus durch Walzen, Strang- und Rohrpressen, Schmieden und Ziehen Produkte, wie Bleche, Folien, Profile oder Draht. Eine für Bleche und Folien entwickelte, die Zahl der Walzdurchläufe (Stiche) verringernde Gießtechnik ist das Bandgießen, bei der das flüssige Metall in einen regulierbaren Spalt zwischen zwei gegenläufig rotierende, gekühlte Walzen gegossen wird.

Alles metallurgisch zu Aluminium gesagte, kann weitestgehend auf das noch leichtere und deshalb für Luft- und Raumfahrt interessante Magnesium übertragen werden. Das aus der Schmelzflusselektrolyse gewonnene Reinmagnesium, lässt sich legieren und kann gleich Aluminium spanlos weiterverarbeitet werden. Da geschmolzenes Magnesium an Luft sehr schnell oxidiert (Magnesiumbrand) wird mit Schutzgasatmosphäre und Berylliumzusatz <10 ppm (s.a.a.O.) geschmolzen. Hauptverwendungsgebiete für Magnesium (s.a.a.O.) In der Eisengießerei als Entschwefelungsmittel bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit, als Legierungszusatz für Aluminiumlegierungen (s. Duraluminium) besonders aber, bedingt durch Anforderungen im Weltkrieg II für seewasserresistente Legierungen, auch bereits mit Titan (erste Bezeichnung Hydronalium), später für eloxierbaren Gebrauchsguss, meist in Sand oder Kokille vergossen, dann auch als im Warmkammerverfahren (s. Druckguss) verarbeitete Magnesium-Druckgusslegierungen mit Aluminium und Zink als Begleitelementen. Unverändert ist Magnesium in der Pyrotechnik unverzichtbar.

[Bearbeiten] Kupfer

Die metallurgische Geschichte der Kupfergewinnung, Verhüttung und Weiterverarbeitung ist älter als die des Eisens. Aluminium entzieht sich daher dem direkten Vergleich (s. dazu „Historisches“).

Primäraufgabe einer Kupferhütte ist es, aus Kupfererz reines Kupfer zu gewinnen. Dessen technisch-metallurgische Bedeutung beruht nicht allein auf seiner elektrischen Leitfähigkeit. Kupfer ist die Basis einer Vielzahl wichtiger, schon seit der Antike bekannter Legierungen, wie z. B. der Bronzen. Die Glockenbronze in der Zusammensetzung 80 Teile Kupfer, 20 Teile Zinn ist seit dem Guss erster Kirchenglocken im 6. bis 8. Jahrhundert vielleicht die bekannteste aller Bronzen, die zudem in überlieferter Technik vergossen wird. Metallurgisch sehr bedeutsam, als Wiederentdeckung einer Kupferlegierung ist Messing. Bei seinem unter 1000°C liegenden Schmelzpunkt ist es vielfältig einsetzbar, mit 63% Kupferanteil, Rest Zink überwiegend für Formguss, mit 58% Kupfer, Rest Zink und bis zu 3% Blei vorzugsweise für Walzmaterial.

Hinzugekommen sind als wichtig gewordene Kupferlegierungen u. a.: Gun Metal (Rotguss), eine CuSnZnPb-Legierung. Ferner: Aluminiumbronze, (die man noch früher als Reinaluminium herzustellen verstand). Mit ca. 10% Aluminium ist sie ein wertvolles, aber wegen der Oxidationsneigung des Aluminiumanteils schwierig zu verarbeitendes Material für den Guss von Propellern (Schiffsschrauben bis 30t Stückgewicht). Kupfer-Nickel Gusslegierungen mit bis zu 30% Nickel sind sehr seewasserbeständig (Schiffbau). Mit einem Zinkzusatz heißen sie auch Neusilber (CuNiZn) (bekannt vor allem als Bestecklegierungen: Alpaka, Argentan, Constantan. Packfong, Weisskupfer).

Kupfer wird auch heute noch in Flammöfen als Schwarzkupfer aus seinen Erzen auf trockenem Wege gewonnen und dabei alle Fremdelemente durch Oxidation entfernt, gleich dem „Verblasen“ von unedleren Bestandteilen durch Sauerstoffzufuhr in einem Bessemer-ähnlichen Prozess. Die weitere Raffination des Schwarzkupfers erfolgte lange auf deutschem bzw. englischem Weg, heute wird Kupfer fast überall nur noch elektrolytisch gewonnen, mit dem Ergebnis eines sehr reinen, aber wasserstoffhaltigen Kathodenkupfers (Elektrolyseprinzip: Wasserstoff und die Metalle schwimmen mit dem Strom. Ein gleiches Ergebnis bringt die Elektrolyse zuvor abgerösteter und schwefelsauer gelöster Erze.

Die Weiterverarbeitung des Raffinadekupfers passt sich analog zu Eisen, aber auch Aluminium den Marktforderungen an. Der Markt verlangt Gussmessing, Sondermessing, Aluminiummessing, besonders aber Walz- und Knetmaterial. Dessen Basis sind häufig Messingsammelschrotte (Altmetall) und neue Fertigungsabfälle aus spanloser, wie spanender Bearbeitung. Geschmolzen wird im Induktionsofen und die Schmelze in einer Messinghütte als Blockmetall vergossen, wo immer möglich aber unter Wärmeerhalt vertikal, wie horizontal im Strang vergossen.

[Bearbeiten] Edelmetalle

Obwohl heute, nach dem Ende der Edelmetallwährungen mit Goldstücken und Silbertalern, weniger bedeutend, als vor 100 Jahren, gibt es doch noch vielfältige industrielle Verwendung für Edelmetalle und einen bergmännischen Abbau ihrer Erze und hüttenmäßige Weiterverarbeitung. Zu den zunehmend intensiver gesuchten Edelmetallen gehören auch noch Platin und Palladium, wie die gesamte Gruppe der Platinmetalle, mit anscheinend ergiebigen Vorkommen im sibirischen Jenissei-Gebiet, wo aus tektonischen Gründen - Wirtschaftsmeldungen zufolge - fast alle zukunftsträchtigen Rohstoffe (auch Erdgas und Erdöl) sozusagen "gebündelt" zu finden sind.

Silbererze, sofern mit Silbergehalten >50%, werden nach Aufbereitung einem nasstechnischen amalgamierenden Verfahren unterzogen, bei ärmeren Erzen, bei denen Silber nur Beiprodukt ist, arbeitet man mit den üblichen Methoden des Röstens, Laugens, Chlorierens und Abtrennens (Treibarbeit). Scheideanstalten stellen sowohl Edelmetalllegierungen her, für Schmuck wie für technische Zwecke, besonders in der Elektronik, sie trennen aber auch Legierungen oder Gemenge in ihre Einzelbestandteile (u. a. Trennung des Goldes von begleitendem Silber).

Gold wird heute selbst bei Gehalten von nur wenigen Gramm je Tonne abgebauten Materials als ausbeutungswürdig angesehen. Südafrika erzielt, im Grubenabbau (Sohlentiefe 900 bis 3000 m) fallweise bis zu 20 g Gold/Tonne. Ein übliches, nicht sehr umweltfreundliches Aufbereitungsverfahren für das gewonnene goldhaltige Erz ist immer noch die Cyanidlaugung.

[Bearbeiten] Weitere Industriemetalle

Hier muss zuerst Zink, als im Destillationsverfahren aus abgerösteten Erzen gewonnenes Metall und wichtigster Legierungsbegleiter des Messings hervorgehoben werden, entscheidet doch der zwischen 42% und 37% liegende Anteil an der Kupferbasis über wichtige Eigenschaften der jeweiligen Knet- bzw. Gusslegierung. Aus Sammelschrotten (Altmessing) erschmolzene Knetlegierungen mit 42% Zink, 1% Aluminium und bis zu 3% Blei sind nach Menge und Anwendbarkeit bedeutend, bei den Gussmessingen gilt dies für eine Legierung mit 37% Zink (Armaturenmessing). Es gibt außerdem zahlreiche Sondermessinge, deren spezifische Eigenschaften durch ein Begleitelement bestimmt werden, außer Aluminium kann das Mangan, Silizium, Nickel, Eisen, Zinn sein. [s. dazu ausführlicher in der Schriftenreihe des DKI, Berlin].

Wichtige, oft mehr legierungsbegleitend, als eigenständig auftretende Metalle sind außer dem schon a.a.O. behandelten, inzwischen eigenständigen Magnesium, das heute zwischen Aluminium und dem Superleichtmetall Lithium eingeordnet wird, bei den Kupferlegierungen Nickel und Zinn, wobei sich Zinn, aus reduzierend verhütteten oxidischen Erzen gewonnen, nicht nur als Bronzebegleiter, sondern, mit Antimon gehärtet, bei inzwischen bereits historisch gewordenen Schriftmetallen bewährte. Das gilt auch für die vor Erfindung des Porzellans verbreitete Nutzung als Geschirrzinn, ferner als Hauptbestandteil der „Weißmetalle“. u.a. „Britanniametall“ (eine Sn90Sb8Cu2-Legierung).

Nickel erlangte ungeachtet seiner ebenfalls historischen, für China schon vor der Zeitenwende nachgewiesenen Verwendung erst anfangs des 19. Jahrhunderts wieder Bedeutung. Angereicherte Nickelerze wurden in einer auf Erschmelzen des Metalls ausgerichteten Vorstufe der Verhüttung in „Nickelspeise“ (aus arsenhaltigen Nickelerzen) überführt. Heute wird auch Nickel fast ausschließlich elektrolytisch gewonnen und dann als eigenschaftsbestimmendes Legierungselement eingesetzt. (z. B. Chrom-Nickelstähle). Nickel ist auch Begleiter von Bronzen, Messing und von hochfesten Aluminiumlegierungen, es gewährleistet Korrosionsschutz (Vernickelung) und bestimmt mit ca. 25% Anteil die „Silberfarbe“ von Münzen, Besteck und Haushaltsgeräten.

Blei, mit einem Schmelzpunkt von nur 327°C verarbeitungsgünstig, mittels Oxidation und Reduktion metallisch aus Bleiglanz (PbS) leicht darstellbar, wird als Reinblei vorwiegend in Form weichen, flexiblen, zu Blechen gewalzten Materials verarbeite (Bleiummantelung von Kabeln, Dachabdichtungen). Auch mit härtendem Antimon ist es als Bleirohr nur für Abwasserleitungen erlaubt, als Letternmetall (Bleisatz) kaum mehr gebraucht, wird es dennoch viel verwendet, als Akkublei für Starterbatterien, als Schrotblei, als Bleidruckgusslegierung, in Bleibronzen (Lagermetall im Automobilmotorenbau). Außerordentliche Bedeutung hat Blei seit Jahrzehnten als Schutz gegen Gammastrahlung. Im Umgang mit radioaktivem Material ist Bleiabdeckung (Bleischürze des Röntgenologen) unersetzbar.

In Messing-Knetlegierungen gewährt Blei (bis zu 3%) gute Zerspanungseigenschaften. Als Legierungsbegleiter in Kupferlegierungen ist Blei erwünscht, obwohl es wegen seiner Dichte zum Ausseigern neigt. Die Verarbeitung von Altblei (Akkumulatoren) wird in spezialisierten Hütten vorgenommen, u. a. weil außer problematischen schwefelsauren Rückständen in den Batterien die oberhalb des Schmelzpunkts (Dampfdruck) einsetzenden Bleidämpfe sehr giftig sind.

Titan wird nicht nur als Begleiter von Legierungen, z. B. hochfesten Aluminiumlegierungen, oder Spezialstählen, sondern mit seiner die Grenze zu den Leichtmetallen streifenden Dichte von 4.5 auch als Basiselement von Leichtlegierungen eingesetzt. AlTi-, AlTiC und AlTiB-Vorlegierungen finden bei Aluminiumknet-, wie Gusslegierungen zur Gefügebeeinflussung (Kornfeinung) Verwendung.

Uran, ist ein radioaktives (strahlendes) Schwermetall mit einer sehr hohen Dichte. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts wurde es von M. Klaproth als Pechblende entdeckt, ein Jahrhundert später als radioaktiv erkannt (A. H. Becquerel) und daraus die Elemente Polonium und Radium isoliert (Pierre und Marie Curie).

Uran mit drei natürlichen Isotopen wird als Uranpecherz bergmännisch gewonnen (als Produktionsmenge werden ca. 30.000 t jährlich angegeben). Die Weiterverarbeitung des Erzes orientiert sich an chemisch-metallurgischen Prinzipien der Laugung, Fällung und Filtration mit dem Zwischenprodukt Yellowcake. Metallisches Uran wird in seiner abgereicherten (d. h. nicht strahlenden) Form nur in einem schmalen Sektor angewandt: In der Rüstungsindustrie für Panzerplatten und für panzerbrechende Munition. Angereichert ist es Ausgangsstoff der nuklearen, CO₂-freien Energiegewinnung im Kernkraftwerk. Plutonium entsteht dort als Beiprodukt, es kann im „nuklearen Kreislauf“ wieder zu Brennelementen verarbeitet werden, oder zu nuklearen Sprengkörpern. Isoliertes Radium (auch Isotopen) findet Einsatz in der Medizin (Radiologie|Strahlenheilkunde). Alle radioaktiven Elemente sind instabil (Maßstab: Halbwertszeit). Endstufe des atomaren Zerfalls ist stets Blei.

[Bearbeiten] Recyclingmetallurgie

Ursprünglich unterscheidet man zwischen einem „Hüttenwerk“ und einer (Umschmelz-) „Hütte“. Im Hüttenwerk wird Metall erstmalig dargestellt, in der Umschmelzhütte vorhandenes Metall auf- oder umgearbeitet. Hieraus wird in Analogie zu bestehenden Beispielen in anderen Bereichen die „Primärhütte“, mit ihrer „Primärerzeugung“ von „Primärmetall“. Die „Sekundärhütte“ betreibt eine „Sekundärerzeugung“ von „Sekundärmetall“ und erfüllt dabei den Anspruch an Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit, sie betreibt Recycling, also Rückführung in den metallurgischen Kreislauf. Zwei Kriege haben mit ihrer zeitweisen Knappheit an Primärmetallen die Sekundärmetallurgie der Primären gleichwertig werden lassen. Historisch ist die Entwicklung besonders deutlich bei Kupfer, wo sich aus einer einstigen „Kupferhütte“ eine beide Sparten betreibende Werksgruppe gebildet hat. Für eine Kupferraffinerie ist es auch normal, dass zur Wiedergewinnung des wertvolleren Kupfers aus Schrotten, die weniger wertvollen Begleitelemente als ihre Oxide entfernt werden, was deren weitere Nutzung durch Reduktion aber nicht ausschließt.

Bei Aluminium ist es inzwischen sogar üblich, dass Primärerzeuger auch Sekundärlegierungen herstellen, die qualitativ den primären nicht nachstehen, aber zu nur 5% der primären Energiekosten. International tätige Konzerne überziehen Europa bereits mit einem Netz von Recycling-Hütten.

In der Stahlerzeugung findet das Recycling von Schrotten heute überwiegend im Elektrolichtbogenofen statt.

[Bearbeiten] Ofentechnik

Die Ofentechnik [Fußnote: s.a. Zeerleder, Düsseldorf 1953] dient der Erfüllung aller metallurgischen Aufgaben, die sich im Zuge der Verhüttung metallischer Ausgangsstoffe im Rahmen thermischer Prozesse ergeben. Sie ist daher von Bedeutung bei der Bearbeitung von Erzen, wie dem Oxidieren (Röstarbeit) und dem Reduzieren/Desoxidieren durch entsprechende Flammen- oder Ofenführung. Ferner beim Erschmelzen der Metalle, der Vereinheitlichung diskontinuierlich erbrachter Chargen (Mischer) dem Raffinieren und Legieren, dem Vergießen (Warmhalte- bzw. Gießofen) und der, je nach Legierung und Gießart vorzunehmenden, an den Guss sich anschließenden Wärmebehandlung (((Stoßöfen, Anlassöfen (Blockvorwärmung), Glühöfen (Entspannungsglühen, Austenitisierung von Stahlguss), Temperöfen (entkohlende Gussteilhärtung in Glühkohle)) u. a.

Geschichtlich steht am Anfang der offene Herd, in dem auch Erze abgeröstet werden können, es folgt der geschlossene Herd mit natürlichem Zug oder Luftzufuhr mittels Blasebalg, entweder als historischer Niederschachtofen, oder viel später als Hochofen. Davon abgeleitet der Kupolofen, als heute üblicher Gießereischachtofen (Grauguss) mit Heißwind. Bis hierhin ist Schachtofensystemen gemeinsam, dass Schmelzgut, Schlackenbildner(Kalkstein) und Brennstoff in direktem Kontakt stehen. Die Weiterentwicklung führt zu Öfen, bei denen nicht mehr der Brennstoff im Kontakt mit dem Schmelzgut steht, sondern nur noch seine heißen Verbrennungsgase (Flammofen) auf dieses einwirken, als von der Ofendecke abgestrahlte Wärme, (auch durch in dieser eingelassene Heizwiderstände erzeugter)Der Ofenraum ist nun eine geschlossenen Wanne (Wannenofen) oder ein drehbarer Zylinder (Drehtrommelofen, Kurztrommelofen). Nächster Schritt ist es, die heißen Verbrennungsgase statt ins Freie, durch einen Rekuperator zu leiten, der die Gebläseluft vorwärmt (beipielgebend: Winderhitzer/Cowper bei Hochöfen und Siemens-Martin Ofen mit Regenerativfeuerung).

Aus heutiger Sicht wird unterschieden zwischen brennstoffbeheizten Öfen (Holz, Kohle/Koks, Öl, Gas) und elektrisch beheizten Öfen ((Widerstand, Induktion mit Netz- (NF) oder Mittelfrequenz (MF), Lichtbogenofen direkt oder indirekt erhitzend, mit Graphitelektrode)). Die unterschiedlichen Systeme gibt es mit der Fertigungsaufgabe angepasstem Fassungsvermögen. Induktionsöfen gibt es als Rinnen- wie Tiegelöfen, sie sind als Schmelz-, Speicher- oder Warmhalteöfen einsetzbar.

Vorgaben des Umweltschutzes begünstigen zunehmend die elektrisch beheizten Öfen. [Fußnote: für eingehende Darstellung s. Fachliteratur, u. a.: „Industrieofenbau“, Vulkanverlag, Essen].

Bei Elektroöfen wird die Schmelze entweder in einem bestimmten Ofenbereich (Rinne) oder als Ganzes zur Sekundärspule, die rein induktiv von einem außen liegenden, verbreitet niederfrequentem (NF) Primärstromkreis erhitzt wird.

Bei der Stahlerzeugung gilt der mit Gleichstrom arbeitende Ofen inzwischen als letzter Stand der Technik.

Für geringere Metallmengen (bis 750 kg) sind brennstoff-, oder widerstandsbeheizte Tiegelöfen mit Deckel noch weit verbreitet, besonders für Formguss. Heizwiderstände im Ofeninneren, den Tiegel umgebend, liefern die zum Schmelzen erforderliche Wärme. In Tiegelöfen setzte man als Schmelzgefäß lange handgefertigte, „klassische“ Ton-Graphittiegel („hessische Tiegel“) ein, bis sich isostatisch gepresste Siliciumcarbidmassen als haltbarer erwiesen. Den Stand der Technik geben größere Gießereien vor. Die für Formguss benötigten Metallmengen in täglich zwei- bis dreistelliger Tonnenmenge werden aus einer den Gieß- oder Schöpföfen vorgelagerten, eigenen Schmelz- bzw. Umschmelzhütte als Flüssigmetall zu den von Hand oder automatisch bedienten Schöpf- und Warmhalteöfen angeliefert (s. auch Flüssigmetalltransport). So beschickt müssen es nicht immer Tiegelöfen sein, auch tiegellose Systeme werden eingesetzt (Bei Magnesiumschmelzen sind nur geschlichtete Eisentiegel zugelassen). Die zentrale Schmelzanlage einer Grossgießerei kann ein Drehtrommelofen, ein Niederschachtofen mit Abschmelzbrücke, oder ein Induktionsofen sein.

Auf der Seite der Metallgewinnung entwickelt sich die Ofentechnik bei Eisen vom offenen Herdfeuer zum Rennfeuer und dem Niederschachtofen weiter zum immer größeren Hoch(schacht)ofen und von dort ausgehend - wieder aufwandsvereinfachend- zum Siemens-Martin- und Elektroofen und der Möglichkeit Stahl nicht nur aus Eisenerz, sondern auch aus Schrott zu erzeugen bzw. zu regenerieren. Der Elektroniederschachtofen, als Lichtbogenofen ausgelegt, liefert aus Erz-Pellets und Kohlenstoff als Reduktionsmaterial „Elektro –Roheisen“ (Direktreduktionsverfahren).

Eine Seitenlinie stellt der brennstoffbeheizte Heißwind-Kupolofen dar, weil er als „kleiner Hochschachtofen“ die Bedürfnisse der Eisengießereien nach schnellem Wechsel der zu verarbeitenden Gusseisensorten ermöglicht.

Bei der Herstellung von Aluminiumlegierungen wird was die Öfen betrifft, zwischen den Primärerzeugern, die selbst Rohaluminium elektrolytisch gewinnen und den Sekundärerzeugern, auch Umschmelzhütten/-werke genannt, unterschieden. Zwar bedienen sich beide des Chargenunterschiede ausgleichenden Mischers, der auch Raffinieren und Legieren zulässt und übergeben von dort entweder Flüssigmetall an eine angeschlossene Gießhütte, oder leiten es an Formgießereien weiter. Der eigentliche Unterschied liegt in der Schmelzanlage, die bei den Sekundärerzeugern einer vorgeschalteten Sortierung und Aufbereitung bedarf, bevor das aus vielen Quellen kommende Altaluminium werterhaltend geschmolzen werden kann. Die Schmelzen selbst unterliegen dann mit der Primärerzeugung zu vergleichender Behandlung, wobei sich das Legieren ansehens der bereits vorhandenen Legierungselemente oft auf Korrekturen beschränken kann.

[Bearbeiten] Unterstützende Wissenschaften und Techniken

Die neuzeitliche Metallurgie ist, wenn man sie mit ihren historischen Anfängen nach der Methode „try and error“ vergleicht, ohne Chemie nicht denkbar. Nicht nur dem Einsatz von Chemikern wie Lavoisier, Wöhler oder Berzelius, ist es zu verdanken, dass sich die Metallurgie zur Wissenschaft entwickeln konnte. In erster Linie war es die analytische Chemie mit ihren seit Beginn des letzten Jahrhunderts fortschreitenden Entwicklungen zu immer genaueren Ergebnissen. Lange noch mit der zeitraubenden Nassanalyse (Lösen, Elektrolysieren, oder Ausfällen, Filtrieren, Trocknen, Wägen), abgelöst durch Spektrometrie und Flammenphotometrie, die der praktizierten Metallurgie schnelle Anpassung an Gegebenheiten und damit qualitativen Fortschritt ermöglichte. Ergebnisse der Analytik und physikalisch determinierte Eigenschaften der Metalle und ihrer Legierungen als Gusswerkstoffe werden zum Ausgangspunkt weiterer Hilfswissenschaften, zu denen u. a. Metallkunde, Metallforschung, Materialkunde und Lagerstättenkunde gehören.

Die Spektrometrie stützt besonders auch die Sekundärmetallurgie. Binnen weniger Sekunden wird die Zusammensetzung einer Flüssigmetallprobe angezeigt. Störelemente, wie etwa Wismut in Messing, Phosphor in Eisen, oder Antimon in Aluminium, werden selbst im niederen ppm-Bereich („parts per million“) nachgewiesen. Nichteisen-Metallschrott kann mit handgeführten Geräten (Funkenemissionsspektrometer) abgetastet und vorsortiert werden.

Noch aus einem weiteren Grunde kommt der Analytik im umweltbewussten 21. Jahrhundert Bedeutung zu. Sie erlaubt die qualitative und quantitative Bestimmung der an faktisch alle metallurgischen Prozesse gebundenen Emissionen bis in den Nano- und Pico-Bereich und gibt damit wieder die Möglichkeit, sei es primär durch verfahrenstechnische Verbesserungen, oder diesen nachgeschaltet, mit Hilfe eines sich nur der Emissionsverhinderung widmenden neuen Industriezweiges Lufttechnik den Forderungen nach Abgasverringerung und Luftreinhaltung zu entsprechen.

Zwei Bereiche werden erfasst: gasförmige Emissionen und staubförmige. Gasförmige durchlaufen eine abbindende, neutralisierende, zumeist alkalisierende Nasswäsche, sofern sie nicht durch bloße Abkühlung niedergeschlagen werden (s. Hüttenrauch). Die Fällprodukte werden verwertet bzw. entsorgt. Metallurgische Stäube können in Gewebefiltern nur kalt gesammelt werden, was in der Praxis die Vorschaltung eines Kühlers bedingt. Heiße Stäube (Kupolofenentstaubung, Lichtbogenentstaubung) erfasst man trocken durch Elektrofilter, oder durch Nassabscheidung in einem Venturiwäscher oder einem ihm verwandtem System (Ringspaltwaschanlage bei Aluminiumguss). Anlagen mit Luftmengendurchsatz von 100.000 m³/h sind im Einsatz. Das (getrocknete) Filtrat unterliegt einer Verwertungspflicht.

Der Umsetzung von Forschungsergebnissen widmet sich stark die Eisenmetallurgie, aber für Neuheiten besonders zugänglich ist das Gießereiwesen, als eine der Metallurgie zuzuordnende, wissenschaftlich unterstützte Technik (s. Giessereiforschung).

Die Bereitstellung von Schmelze „just in time“ und damit verbunden die Automatisierung von Schmelz-, besonders aber von Gießvorgängen ist ohne moderne Elektronik (u .a. Roboterisierung) nicht denkbar, weshalb auch ihr der Rang einer Hilfswissenschaft der Metallurgie zukommt.

Mit speziellem Bezug auf das gesamte Gießereiwesen, eisen- oder nichteisen-metallisch, verdient auch die Formherstellung und die Steuerung der Erstarrung in der Form den Begriff einer Hilfswissenschaft. Als Beispiel gilt u. a. die moderne Modellbautechnik durch erodierende, fräsende, als CNC-Technik bezeichnete Verfahren - von der Zeichnung direkt zur ausgefrästen, oder schichtenweise pulvermetallurgisch aufgespritzten Form für Prototypen und Kleinserien, um erst nach hieraus gewonnener Erfahrung die Dauerform für Großserien zu fertigen. Eine besondere Technik ist die Formherstellung für Feinguss. Die Gussmodelle werden aus Wachs oder Kunststoff hergestellt, mit keramischer Schale umhüllt, das Modell ausgeschmolzen oder ausgebrannt und dann abgegossen. Für Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt (Zinn) werden Dauerformen mit temperaturresistentem und formgebend aufgetragenem Chlorkautschuk hergestellt und können feinste Details der Vorlage wiedergeben.

Nicht minder bedeutend ist der Fortschritt bei der vollautomatischen Herstellung von Sandgussformen, z. B. im Großserien-Motorenbau (DISA-Technik). Bei Formstoffbindemitteln (wichtig für Sandguss) war das Croning- (Kunstharz)-Verfahren vor 50 Jahren Schrittmacher, heute setzen die Gießereien unterschiedlichste, betont umweltfreundliche Formstoffbindemittel ein, die zu recht dem gießereitechnischen Sektor der Metallurgie zuzuordnen sind. Die Herstellung druckgegossener Teile aus Messing, Aluminium- und Magnesiumlegierungen lässt den Bau von Dauerformen (s. o.) zu einer weiteren Hilfsindustrie werden, die nicht nur Optimierung der Werkzeugstähle verlangt (Angriff durch Flüssigmetall, sowie den taktbezogenen, krassen Temperaturwechsel), sondern auch ihrerseits die Formen schützende, wie auch erstarrungslenkende Erzeugnisse entwickelt hat (Grundprinzip: Schnelle Erstarrung, durch wärmeableitende, schwarze Formschlichtung begünstigt feinkörniges Gefüge. Weiße Schlichtung verzögert die Erstarrung, begünstigt Nachspeisung in der Form vergröbert das Gefüge).

Zu den meistgenutzten Helfern in der angewandten Metallurgie gehört, außer der chemischen Analyse, auch die mechanische Prüfung an genormten Probestäben. Die thermische Analyse ((TA ), zeigt Gefügezustand und die Auswirkung gefügebeeinflussender Elemente (Natrium, Strontium, Antimon, Phosphor) bei AlSi- Legierungen. Fertige Teile kontrolliert man durch Röntgen, Scannen, Sonographie, sogar mittels Magnetresonanz.

Alle genannten Gebiete umgreift die Tätigkeit der „Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e. V.“ (DGM), die mit universitären Fachbereichen und Fachverbänden (Verband der Eisenhüttenleute, Verband der Gießereifachleute) Forschung, Fortbildung und Praxis zusammenführt.

[Bearbeiten] Namhafte Metallurgen

Historisch:

• Gaius Plinius Secundus „Naturalis historia“
• Georgius Agricola „de re metallica“

Eisenbezogen:

• A. Ledebur „Handbuch der Eisenhüttenkunde“
• W. Borchers „Elektrometallurgie“
• E. Piwowarsky „Der Eisen- und Stahlguß“; „hochwertiges Gusseisen“
• H. Bessemer, Thomas, Gilchrist, Martin (Stahlerzeugung)

Nichteisenmetalle:

• Oersted, Wöhler, Bunsen, Saint-Claire Deville (Aluminiumdarstellung)
• Hall – Héroult (Schmelzflusselektrolyse des Aluminiums)
• Wilm, Pácz (Entwicklung von Aluminiumlegierungen)
• G. Pistor (Magnesium)
• W. Borchers (Kupfer)

Lehrer und Forscher:

• B. Osann (Eisenhüttenkunde)
• A. v. Zeerleder (Technologie der Leichtmetalle)
• E. Piwowarsky (legiertes Gusseisen)
• W. Borchers (Elektrometallurgie)

[Bearbeiten] Literatur

[Bearbeiten] herangezogene Literatur (Quellen)

Lexika:

• Lexikon der Metalltechnik. Wien: A.Hartlebens Verlag, o. J.
• Brockhaus Encyclopädie. 5. Aufl. ISBN 3-7653-0025-X
• Microsoft Encarta Professional 2003
• Gießereilexikon. Berlin: Schiele & Schön, 1997. ISBN 3-7949-0606-3
• Römpp: Chemie-Lexikon. Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1992. ISBN 3-13-102759-2
• Herder-Lexikon: Geologie und Mineralogie. Freiburg: Herder Verlag, 1972. ISBN 3-451-16452-3

Fachliteratur:

• H. Ost: Lehrbuch der chemischen Technologie (Kapitel „Metallurgie“). Hannover: Jänicke, 1900
• Das Gießereiwesen in gemeinfasslicher Darstellung. Düsseldorf: Gießerei-Verlag, 3. Auflage 1953
• A. von Zeerleder: Technologie der Leichtmetalle. Zürich: Rascher-Verlag (Verlagsnummer 2018), 1947
• DKI Schriftenreihe. Berlin: Deutsches Kupfer–Institut
• Guss aus Kupfer und Kupferlegierungen. DKI
• Guss aus Kupferlegierungen. (übersetzt aus dem amerik.). Berlin: Schiele & Schön, 1986. ISBN 3794904443
• E. Brunhuber: Schmelz-u. Legierungstechnik von Kupferwerkstoffen. Berlin: Schiele & Schön, 1959
• Partie- und Chargenfertigung aus betriebswirtschaftlicher Sicht. Frankfurt: ZfH (Zeitschrift für handelswissenschaftliche Forschung), 1957
• Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin: Walter de Gruyter & Co, Berlin, o. J.

Sonstige:

• GIESSEREI-Kalender - Jahrgänge. Düsseldorf: Gießereiverlag
• Fachzeitschriften- Jahrgänge. METALL, ALUMINIUM, GIESSEREI, WORLD of METALLURGY (ERZMETALL)
• Sol & Luna. DEGUSSA-Eigenverlag, 1973

[Bearbeiten] Weiterführende Literatur

• F. Oeters: Metallurgie der Stahlherstellung. Berlin 1989
• Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin: Walter de Gruyter & Co, Berlin, o. J.
• E. Piwowarsky: Hochwertiges Gusseisen. Berlin 1951/1961

[Bearbeiten] Weblinks

Institute

• Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf
• Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
• Fachgruppe Metallurgie und Werkstofftechnik an der RWTH Aachen
• Studium des Hüttenwesens (jetzt: Metallurgie) an der Montanuniversität Leoben
• Technische Universität Bergakademie Freiberg
• Universität Duisburg; Institut für angewandte Materialtechnik
• Hochschule Aalen; Forschung Metallguss

Weitere Links

• Gesellschaft für Bergbau, Metallurgie, Rohstoff- und Umwelttechnik e.V.
• Verein deutscher Gießereifachleute VDG
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute VDEh
• Informationen über Stahl für Metallografen

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