Einblick - Europa

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EUROPA-FACHBUCHREIHE
für Metallberufe
Werkstofftechnik
für Metallbauberufe
von
Dr. 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
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Seite 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 305)
Den Damen und Herren der Arbeitskreise METALLBAUTECHNIK FACHBILDUNG und TABELLENBUCH
FÜR METALLBAUTECHNIK des Verlags Europa-Lehrmittel dankt der Autor für wertvolle Anregungen
bei der Erstellung des Manuskriptes:
Dipl-Ing. OStR Manfred Kluge
Dipl.-Ing.-Päd. Dagmar Köhler
Dipl.-Ing.-Päd. Frank Köhler
Dipl.-Ing., StD Gerhard Lämmlin
Umschlaggestaltung unter Verwendung von Fotos der Firmen:
OStR Hans Joachim Pahl
Dipl.-Ing. Armin Steinmüller
Dipl.-Ing., OStR Hans-Martin Weinstock
StD Alfred Weingarter
Thyssen AG, Düsseldorf,
Bemo Fensterbau, Weißenthurm
Sven Körting Geländerbau, Dessau
Ernst Leitz GmbH, Wetzlar
Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der neuen amtlichen Rechtschreibregeln und den
bei Redaktionsschluss aktuell gültigen Normen erstellt.
5. Auflage 2011
Druck 5 4 3 2 1
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 Normblätter 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-Normblätter
und 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-Gruiten
http:\\www.europa-lehrmittel.de
Satz: rkt, 42799 Leichlingen, www.rktypo.com
Druck: Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn
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Seite 3
Vorwort
Das Buch WERKSTOFFTECHNIK FÜR METALLBAUBERUFE ist ein Lehr- und Lernbuch für die Ausbildung in Schule und Betrieb sowie ein Nachschlagewerk für die berufliche Praxis in der Werkstatt, im
Betrieb und auf der Baustelle.
Das Buch ist geeignet als unterrichtsbegleitendes Lehrbuch für die Auszubildenden zum
●
Handwerksberuf METALLBAUER
(frühere Berufsbezeichnungen: Bauschlosser, Metallbauschlosser, Stahlbauschlosser, Betriebsschlosser, 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 Werkstofftechnikwissen sowie zum Nachschlagen von Werkstoffdaten und Fertigungs-Richtwerten.
Auch für Studenten an Technikerschulen und Fachhochschulen der Fachrichtung Bauingenieurwesen
ist es zur Einführung in die Werkstofftechnik geeignet.
Ziel des Buches ist eine solide Vermittlung von Werkstofftechnik-Fachwissen und das Bereitstellen von
Werkstoffdaten 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 Verarbeitung und Verwendung gewidmet. Besonderer Wert wird dabei auf die metallbau-spezifischen Themen
der Schweißtechnik sowie des Korrosionsschutzes gelegt.
Tabellenteil
Der Tabellenteil enthält Eigenschaften und Maßtabellen der Werkstoffe, der Zusatz- und Hilfsstoffe, der
Metallerzeugnisse (Halbzeuge) und wichtiger Normteile.
Darüber hinaus enthält er Richtwerte für die Fertigungs- und Bearbeitungsverfahren sowie Hinweise
für die Verwendung.
Die Sachthemen sind im Tabellenteil in derselben Reihenfolge wie im Werkstofftechnikteil angeordnet
und sind durch Seitenhinweise leicht aufzufinden.
Durch die gemeinsame Darstellung von Werkstofftechnik sowie Eigenschafts- und Maßtabellen, Fertigungs-Richtwerten und Anwendungshinweisen in einem Buch wird eine Verbindung und Verzahnung
von Werkstofftechnik-Fachwissen mit der Anwendung und Verarbeitung der Werkstoffe erzielt.
Das Buch WERKSTOFFTECHNIK schließt die Lücke zwischen theoretisierenden Werkstofftechnikbüchern 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 Bereich
der 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 Verglasungen bringen das Buch auf einen aktuellen technologischen Stand.
Das Sachwortverzeichnis enthält die englische Übersetzung der Sachwörter. Es kann als FachwörterLexikon genutzt werden.
Der Autor
Winter 2010/2011
3
004 – 008 Inhalt_Inhalt 004 – 008
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Seite 4
Inhaltsverzeichnis Werkstofftechnik
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
6.2.6
6.2.7
6.2.8
6.2.9
Stähle und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . .
Unlegierte Baustähle . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schweißgeeignete Feinkornbaustähle . . .
Wetterfeste Baustähle . . . . . . . . . . . . . . . .
Stähle für Bleche und Band . . . . . . . . . . . .
Nichtrostende Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maschinenbaustähle . . . . . . . . . . . . . . . . .
Werkzeugstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stahlguss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Stahlerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.1
7.1.1
7.1.2
20
21
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
Langerzeugnisse aus Stahl . . . . . . . . . . . .
Warmgewalzte Stäbe (Stabstähle) . . . . . .
Warmgewalzte Profile (Formstähle,
Profilstähle, Träger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geschweißte Profile (Wabenträger) . . . . .
Stahlhohlprofile und Stahlrohre . . . . . . . .
Kaltprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rahmen-Hohlprofile (RP-Profile) aus Stahl
für Fenster, Türen, Geländer . . . . . . . . . . .
Flacherzeugnisse aus Stahl . . . . . . . . . . . .
Stahl-Ausbauerzeugnisse . . . . . . . . . . . . .
Betonstabstahl und Betonstahlmatten . .
Stahldraht und Drahterzeugnisse . . . . . . .
Schmiedeeiserne Zier-Bauteile . . . . . . . .
22
8
Der innere Aufbau der Metalle . . . . . . 54
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
Gefüge und kristalline Struktur . . . . . . . . .
Die Kristallgittertypen der Metalle . . . . . .
Der reale kristalline Aufbau . . . . . . . . . . . .
Kristalline Struktur und Eigenschaften . .
Gefüge und Eigenschaften . . . . . . . . . . . .
Gefügearten der Eisen-Werkstoffe . . . . . .
Schmelz- und Erstarrungsverhalten
der Metalle, Zustandsschaubilder . . . . . .
Das Eisen-KohlenstoffZustandsschaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Übersicht und Einteilung . . . . . . . . . . .
9
1.1
1.2
Rohstoffe, Werkstoffe, Hilfsstoffe . . . . . . .
Einteilung der Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . .
9
11
2
Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . 12
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . .
Mechanisch-technische Eigenschaften . . .
Fertigungstechnische Eigenschaften . . . .
Chemisch-technische Eigenschaften . . . .
Umwelt-Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . .
3
Roheisengewinnung
und Stahlherstellung . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Chemische Grundlagen der
Metallgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eisenerze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Roheisengewinnung im Hochofen . . . . . .
Roheisenerzeugung durch Direktreduktions-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stahlherstellung mit dem
Sauerstoff-Aufblasverfahren . . . . . . . . . . .
Stahlherstellung mit dem
Elektrostahlverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nachbehandlung des
flüssigen Stahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vergießen des flüssigen Stahls . . . . . . . .
Übersicht: Roheisengewinnung
und Stahlherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vorgänge im Werkstoff
bei der Metallherstellung . . . . . . . . . . . . . .
12
13
14
15
15
16
17
17
18
7.1.3
7.1.4
7.1.5
7.2
19
19
23
4
Verarbeitung zu Stahlerzeugnissen . 24
4.1
4.2
4.3
4.4
Warmwalzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strangpressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rohrherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kaltumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
26
26
26
8.8
5
Kurzbezeichnung der Stähle und
Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1
5.2
5.3
Kurznamen für Stähle . . . . . . . . . . . . . . . .
Kurznamen für Gusseisenwerkstoffe . . . .
Die alten Kurznamen für Stähle
und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . .
Werkstoffnummern für Stähle, Stahlguss
und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . .
5.4
28
31
32
33
47
48
48
49
49
51
52
52
53
53
54
55
55
56
57
58
60
62
Wärmebehandlung der Stähle
und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . 64
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
Glühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arbeitsschritte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gittervorgänge und Gefügeveränderungen beim Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zeit-Temperatur-Umwandlungschaubild
(ZTU-Schaubild)
Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verfahren zum Härten der Randzone . . . .
Die wichtigsten Stähle und
Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 34
9.2.3
6.1
Einteilung der Stähle und
Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3
9.4
4
47
47
9
6
34
36
36
37
37
38
39
40
42
44
44
65
66
66
69
71
72
004 – 008 Inhalt_Inhalt 004 – 008
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
28.01.11
Wärmebehandlung der Baustähle für
den Stahlbau und das Bauwesen . . . . . .
Wärmebehandlung der Vergütungsstähle
Wärmebehandlung der Werkzeugstähle
Wärmebehandlung der
nichtrostenden Stähle . . . . . . . . . . . . . . . .
Wärmebehandlung der Stähle
für Randzonenhärtung . . . . . . . . . . . . . . .
Werkstoffkundliches Wissen beim
Verarbeiten der Werkstoffe . . . . . . . . . . . .
10.1
Vorgänge beim Umformen . . . . . . . . . . .
10.2
Biegeumformen (Kaltverformung) . . . . .
10.3
Schmieden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5
Spanen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5
Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.1 Wichtige Schweißverfahren . . . . . . . . . . .
10.5.2 Werkstoffkundliche Gesichtspunkte
beim Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6
Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.7
Kleben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.8
Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . .
08:20
73
73
74
76
77
77
78
78
79
81
81
84
86
86
87
11
Aluminium und
Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . 88
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
11.9
Aluminium-Herstellung . . . . . . . . . . . . . .
Eigenschaften und Verwendung . . . . . . .
Aluminium-Werkstoffarten . . . . . . . . . . . .
Kurzbezeichnung von Al-Werkstoffen . . .
Härten von Aluminiumlegierungen . . . .
Genormte Aluminiumwerkstoffe . . . . . . .
Aluminium-Halbzeuge . . . . . . . . . . . . . . .
Verarbeitung von Al-Werkstoffen . . . . . .
Fügen von Aluminiumbauteilen . . . . . . .
12
Kupfer und Kupferlegierungen . . . . . 98
12.1
12.2
Kupfer-Gewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Allgemeine Eigenschaften
und Verwendung von Kupfer . . . . . . . . . .
Unlegierte Kupfersorten . . . . . . . . . . . . . .
Niedrig legierte Kupferwerkstoffe . . . . . .
Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) . . . .
Kupfer-Zinn-Legierungen und
Kupfer-Zinn-Mehrstofflegierungen . . . . .
Kupfer-Nickel-Legierungen und
Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen . . . . . . .
Kupfer-Aluminium-Legierungen . . . . . . .
12.7
12.8
13
13.1
13.2
13.3
13.4
88
89
86
90
91
91
92
94
96
98
98
99
100
100
102
103
103
Weitere technisch
wichtige Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Zink und Zinklegierungen . . . . . . . . . . . .
Zinn und Zinnlegierungen . . . . . . . . . . . .
Blei und Bleilegierungen . . . . . . . . . . . . .
Nickel und Nickellegierungen . . . . . . . . .
13.5
13.6
13.7
13.8
13.9
Titan und Titanlegierungen . . . . . . . . . . .
Magnesium und Mg-Legierungen . . . . .
Legierungsmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hochschmelzende Metalle . . . . . . . . . . . .
Edelmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106
106
107
107
107
75
10
12.3
12.4
12.5
12.6
Seite 5
104
105
105
106
14
Lote und Flussmittel . . . . . . . . . . . . . . 108
14.1
14.2
14.3
14.4
14.5
14.6
Werkstoffkundliche Vorgänge
beim Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lötverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Weichlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hartlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flussmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Durchführung der Lötarbeiten . . . . . . . . .
15
Korrosion und Korrosionsschutz . . . 114
15.1
15.1.1
15.1.2
Elektrochemische Korrosion . . . . . . . . . .
Elektrochemische Sauerstoffkorrosion . .
Elektrochemische Korrosion an Korrosionselementen (Kontaktkorrosion) . .
15.2
Korrosion bei hohen Temperaturen . . . .
15.3
Erscheinungsformen der Korrosion . . . .
15.4
Einflussfaktoren auf die Korrosion
eines Bauteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5
Auswahl der Werkstoffe nach dem
Korrosionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.6
Korrosionsschutzgerechte Konstruktion .
15.7
Korrosionsschutz von Stahlbauteilen . . .
15.7.1 Vorbereiten der Stahloberfläche . . . . . . .
15.7.2 Rostgrade und Oberflächenvorbereitungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.7.3 Korrosionsschutzbeschichtungen auf
Stahlbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.7.4 Korrosionsschutz durch Feuerverzinken .
15.7.5 Feuerverzinkung und Beschichtung
(Duplex-Systeme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.7.6 Katodischer Korrosionsschutz
von Stahl-Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.8
Korrosion und Korrosionsschutz
von nichtrostenden Stählen . . . . . . . . . . .
15.9
Korrosionsschutz von
Aluminium-Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . .
15.9.1 Anodische Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.9.2 Farbbeschichtungen und Überzüge
auf Aluminium-Bauteilen . . . . . . . . . . . . .
15.10 Korrosion und Korrosionsschutz
von Kupferwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . .
108
110
110
111
112
113
114
114
115
117
117
118
119
120
121
121
122
122
124
125
125
126
127
127
128
129
16
Sinterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
16.1
16.2
16.3
16.4
16.5
Herstellung von Sinterteilen . . . . . . . . . .
Besonderheiten der Sintertechnik . . . . . .
Sintermetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schneidkeramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
130
131
132
133
134
5
004 – 008 Inhalt_Inhalt 004 – 008
28.01.11
08:20
Seite 6
17
Kunststoffe (Plaste) . . . . . . . . . . . . . . . . 135
19.9
Sicherheitsverglasungen . . . . . . . . . . . . . 161
17.1
Eigenschaften und Anwendung . . . . . . . 135
19.10
Weitere Glasprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . 162
17.2
Herstellung und innerer Aufbau . . . . . . . 136
17.3
Technische Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . 138
20
17.4
Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Schmierstoffe und
Reinigungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
17.5
Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
20.1
Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
20.2
Kühlschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
20.3
Reinigungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
17.6
Elastomere (Elaste, Gummi, Kautschuk) 142
17.7
Bestimmen der Kunststoffart . . . . . . . . . . 143
17.8
Halbzeug- und
Fertigteile-Herstellung (Urformen) . . . . . 143
21
Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
17.9
Weiterverarbeitung der Halbzeuge . . . . . 145
21.1
Mauerwerksbaustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 166
17.10
Schweißen von Kunststoffen . . . . . . . . . . 146
21.2
Bauwerksteile aus Beton . . . . . . . . . . . . . 167
Kleben von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . 147
21.3
Bauholz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
21.4
Verbundplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
21.5
Verbindungsmittel (Mörtel) . . . . . . . . . . . 168
21.6
Einwirkungen von Mörtel
auf Metall-Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
21.7
Befestigen von Metall-Bauteilen
an Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
22
Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
22.1
Einfache Prüfungen in der Werkstatt . . . . 170
22.2
Mechanisch-technische Prüfverfahren
für Erzeugnisformen . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
17.11
17.12
17.13
18
Klebstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Spezielle Anwendungen von
Kunststoffen im Metallbau . . . . . . . . . . . . 148
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
22.3
Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
19
Glas und Glasbauteile . . . . . . . . . . . . . 157
22.4
Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
19.1
Herstellung von Flachglas . . . . . . . . . . . . 157
22.5
Scherversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
19.2
Eigenschaften von Glas . . . . . . . . . . . . . . 158
22.6
Härteprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
19.3
Gussglassorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
22.7
Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy . . 180
19.4
Fenster- und Spiegelglas . . . . . . . . . . . . . 158
22.8
Dauerschwingfestigkeits-Prüfung . . . . . . 180
19.5
Verglasungen für Wärmeschutzfenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
22.9
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen . . . 181
22.10
Metallografische Untersuchungen . . . . . 183
19.6
Verglasungen mit Wärmeund Sonnenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
22.11
Prüfung der Werkstoffzusammensetzung (Werkstoffanalyse) . . . . . . . . . . . 184
19.7
Schallschutzverglasungen . . . . . . . . . . . . 160
22.12
Prüfung der Kunststofe . . . . . . . . . . . . . . . 185
19.8
Brandschutzverglasungen . . . . . . . . . . . . 161
22.13
Kennwerte wichtiger Kunststoffe . . . . . . 186
Inhaltsverzeichnis Tabellenteil
Werkstoffkundliche Grundlagen . . . . . . . . . . . 192
Periodensystem der Elemente,
physikalische und chemische Eigenschaften
der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Technisch wichtige Chemikalien und
Substanzen, Eigenschaften, Verwendung . . . . . . 193
189
Kurzbezeichnung für
Stähle und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . 197
Kurznamen für Stähle nach europäischer Norm
DIN EN 10 027-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Werkstoffnummern für Stähle
nach europäischer Norm DIN EN 10 027-2 . . . . . . 199
Physikalische Eigenschaften: Metalle,
Legierungen, Nichtmetalle, Flüssigkeiten,
Gase
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Kurznamen für Gusseisenwerkstoffe
nach europäischer Norm DIN EN 1560 . . . . . . . . 200
Physikalische Größen und ihre gesetzlichen
Einheiten (SI-Einheiten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Die alten Kurznamen für Stähle und
Gusseisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6
004 – 008 Inhalt_Inhalt 004 – 008
28.01.11
08:20
Stähle und Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . 201
Unlegierte Baustähle, schweißgeeignete
Feinkornbaustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Wetterfeste Baustähle, Nichtrostende Stähle,
Vergütungsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Werkzeugstähle, Betonstahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Seite 7
Drehen: Klemmhalter mit Wendeschneidplatte, Richtwerte für das Drehen . . . . . . . . . 229, 230
Fräsen: Fräsarbeiten, Richtwerte . . . . . . . . . . . . . . 230
Schleifen, Schleifscheiben, Bezeichnung . . . . . . . 231
Oberflächenbearbeitung von nichtrostenden
Stählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Gusseisenwerkstoffe, Stahlguss . . . . . . . . . . . . . . 204
Stahlerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Flacherzeugnisse aus Stahl (nicht korrosionsgeschützt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Korrosionsgeschützte Flacherzeugnisse
aus Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Flacherzeugnisse und Fertigerzeugnisse
aus Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Flacherzeugnisse, Blechprofile und Rahmenprofile aus Stahl (für Fenster) . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Schweißverfahren, Schweißnahtarten und
Schweißnahtvorbereitung, Schweißpositionen,
zeichnerische Darstellung, Brennschneiden . . . . 233
Gasschmelzschweißen, Gasentnahmemengen,
Schweißstäbe, Richtwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Lichtbogenhandschweißen (E-Schweißen),
Umhüllte Stabelektroden zum E-Schweißen
für die verschiedenen Stahlsorten . . . . . . . . 235, 236
Streckgitter, Gitterroste, Ankerschienen,
Betonstabstahl, Stahldraht, Drahtseile . . . . . . . . . 210
Lichtbogenhandschweißen: Zuordnung
der Stabelektroden für Werkstoffe . . . . . . . . . . . . 237
Rundstahlketten, Drahtgeflechte, Drahtgewebe,
Drahtgitter, Wandkassetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Berechnung des Elektrodenbedarfs beim
Lichtbogen-Schmelzschweißen . . . . . . . . . . . 238, 239
Schmiedeeiserne Zier-Bauelemente . . . . . . . . . . . 211
Schutzgasschweißen (SG-Schweißen),
SG-Schweißverfahren, Schutzgase . . . . . . . . . . . . 240
Flächen- und längenbezogene Massen
von Fertigerzeugnissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Warmgewalzte Stäbe (Stabstähle), Blankstahlerzeugnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
Drahtelektroden, Schweißstäbe und
Schweißgut zum Schutzgasschweißen
(MAG, MIG, WIG, WP) verschiedener
Stahlsorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241, 242
Zuordnung von Drahtelektroden bzw. Schweißstäben für das Schutzgasschweißen . . . . . . . . . . . 243
Einstellwerte und Elektrodenbedarf
beim Schutzgasschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Hauptnutzungszeit beim LichtbogenSchmelzschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Metall-Schutzgasschweißen mit Fülldrahtelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Unterpulverschweißen, Bolzenschweißen . . . . . . 247
Gefügebilder von Stählen und Gusseisen . . 222, 223
Bewertung der Unregelmäßigkeiten von
Lichtbogen-Schweißverbindungen bei Stahl . . . . 248
Wärmebehandlung der Stähle und
Gusseisenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Begriffsdefinitionen, Glüh-, Härte- und
Anlasstemperaturen unlegierter Stähle . . . . . . . . 224
Wärmebehandlung der Baustähle und
Vergütungsstähle, Vergütungsschaubilder . . . . . . 225
Wärmebehandlung der Werkzeugstähle . . . . . . . 226
Bearbeitung und Verarbeitung von
Stählen und Gusseisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Lötzusätze zum Hartlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Flussmittel zum Hartlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Weichlote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Flussmittel zum Weichlöten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Lote und Flussmittel für das Löten von Kupferrohren in der Rohrinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Biegeumformen, Schmieden (Richtwerte) . . . . . . 227
Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Bohren, Sägen mit der Bandsäge und
der Metallkreissäge (Richtwerte) . . . . . . . . . . . . . . 228
Übersicht:
Schrauben, Muttern, Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . 252
7
004 – 008 Inhalt_Inhalt 004 – 008
28.01.11
08:20
Aluminium und Aluminiumlegierungen . . . 253
Kurznamen der Aluminiumwerkstoffe,
Bezeichnung des Werkstoffzustands . . . . . . . . . . . 253
Seite 8
Kunststoffsorten, allgemeine, physikalische
und chemische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . 280, 281
Alumiumwerkstoffe und ihre Eigenschaften . . . . 254
Bestimmen der Kunststoffart
nach Erkennungsmerkmalen . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Mechanische Eigenschaften von Stangen,
Rohren und Profilen aus Aluminium . . . . . . . . . . 254
Kunststoff-Halbzeuge: Stäbe, Tafeln,
Bahnen, Formmassen, Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Aluminium-Halbzeuge: Stangen, Bleche,
Rohre, Hohlprofile, Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Verstärkte Kunststoffe: Kurzzeichen,
Eigenschaften, Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Verarbeitung von Al-Werkstoffen: Richtwerte für
das Biegen, Sägen, Bohren, Drehen, Fräsen . . . . 256
Verstärkte Kunststoff-Formmassen,
Laminate, Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Schweißen und Löten von Al-Werkstoffen . . 257, 258
Richtwerte für die spanende Bearbeitung
der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Kupfer und Kupferlegierungen . . . . . . . . . . . . 259
Schweißen der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Kurznamen, Werkstoffnummern . . . . . . . . . . . . . . 259
Kleben: Gestaltung von Klebeverbindungen,
Klebstoffe, Vorbehandlung der Klebeflächen . . . .288
Unlegierte Kupfersorten und Kupferlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259, 260
Halbzeuge aus Kupferwerkstoffen: Bleche,
Stangen, Hohlstangen, Rohre, Draht . . . . . . 261, 262
Schweißen und Löten
von Kupferwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Klebstoff-Auswahltabellen für Verklebungen
von Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Klebstoff-Auswahltabellen für Verklebungen
verschiedenartiger Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Fensterglas, Verglasungen . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Weitere technisch wichtige Metalle . . . . . . 264
Zink-, Zinn-, Blei-, Nickelund Titanwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Physikalisch-technische Eigenschaften
von Fensterglas, Arten von Verglasungen . . . . . . 291
Wärmedurchgangskoeffizienten, bewertetes
Schalldämmmaß von Verglasungen . . . . . . . . . . . 291
Korrosion und Korrosionsschutz . . . . . . . . . . 265
Korrosionsarten, Korrosionsverhalten
der Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Kontaktkorrosion, Spannungsreihe der Metalle . 266
Ermitteln des geeigneten Korrosionsschutzes,
Korrosivitätskategorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Vorauswahl und Vorbereitung für den
Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Korrosionsschutz durch Feuerverzinken . . . 269, 270
Vorbereitung der Stahloberflächen zum
Beschichten, Rostgrade, Oberflächenvorbereitungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271, 272
Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Schmieröle, Schmierfette, feste Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Funkenbilder von Stählen
(zur Werkstofferkennung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Druckversuch, Scherversuch, Kerbschlagbiegeversuch, Dauerschwingversuch . . . . . . . . . . 295
Korrosionsschutz-Beschichtungssysteme
für Stahlbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273…275
Härteprüfungen: Brinell, Vickers,
Martens, Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296, 297
Korrosionsschutz für Aluminium-Bauteile . . . . . . 276
Umwertungstabelle für Härtewerte
und Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Sinterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Zerstörungsfreie Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 298
Sinterwerkstoffe: Einteilung, Eigenschaften,
Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Gefügeschliffbilder von Stählen und Gusseisenwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Schneidstoffe: Hartmetalle, Schneidkeramik . . . . 278
Elektronenmikroskopische Bilder von
Bruchflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Anwendungsbereiche und Klassifizierung
harter Schneidstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
(mit englischer Übersetzung der Sachwörter)
Kurzzeichen für Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Kurzzeichen für Füll- und Verstärkungsstoffe
in Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8
Bildnachweis und
Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
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1 Übersicht und Einteilung
1.1 Rohstoffe, Werkstoffe, Hilfsstoffe
Die Werkstoffe werden aus unterschiedlichen
Rohstoffen gewonnen.
Die Rohstoffe liefert entweder die belebte Natur
oder sie werden aus der oberen Schicht der Erdkruste, z.B. als Erze, entnommen (Bild 1).
Natürliche Werkstoffe
Die natürlichen Werkstoffe, wie z.B. Holz, Leder
oder Graphit, haben dieselbe oder eine ähnliche
Zusammensetzung wie die Rohstoffe, aus denen
sie hergestellt werden. Zu ihrer Herstellung müssen die Rohstoffe lediglich aufbereitet bzw. bearbeitet werden.
So werden z.B. Tierhäute zu Leder gegerbt, das
Graphitmineral zerkleinert und zu Schmierstoffpulver verarbeitet oder Baumstämme getrocknet
und dann zu Bauholz zersägt (Bild 2).
Künstlich hergestellte Werkstoffe
Die Mehrzahl der in der Technik verwendeten
Werkstoffe sind keine natürlichen Werkstoffe. Es
sind vielmehr künstlich hergestellte Werkstoffe,
wie z.B. die Metalle, die Kunststoffe oder die Gläser. Sie werden aus den Rohstoffen durch chemische Umwandlung hergestellt (Bild 3).
So entsteht Eisen z.B. durch Reduktion, d.h. Sauerstoffentzug, von Eisenerz. Die Kunststoffe werden
durch Synthese aus Erdölprodukten gewonnen
und Glas wird durch Zusammenschmelzen aus
Quarzsand, Kalk und Soda hergestellt.
Die Werkstoffe dienen zur Herstellung von Bauteilen, Werkstücken, Werkzeugen, Gebrauchsgegenständen, Maschinen- und Apparateteilen. Dazu
werden die Werkstoffe bearbeitet oder es wird ihnen eine andere Form gegeben.
Hilfsstoffe, Hilfsmittel
Zur chemischen Umwandlung der Rohstoffe zu
Werkstoffen sowie zur Bearbeitung und Formgebung der Werkstoffe benötigt man Hilfsstoffe und
Hilfsmittel. Für die Eisenherstellung z.B. sind die
Hilfsstoffe Koks, Zuschläge und Wasser sowie als
Hilfsmittel Wärme erforderlich. Zum Drehen einer
Welle z.B. benötigt man als Hilfsstoff ein Kühlschmiermittel sowie als Hilfsmittel elektrischen
Strom (Bild 4).
Weitere Hilfsstoffe sind Schmierstoffe, Kühlmittel, Schleif- und Poliermittel, Härtemittel, Lötmittel, Reinigungsmittel, Treib- und Brennstoffe usw.
Hilfsmittel sind die Energieträger elektrischer
Strom, Dampf und Wärme.
Bild 1: Die Erde – unser Rohstofflieferant
Bild 2: Natürliche Werkstoffe
Bild 3: Künstlich hergestellte Werkstoffe
Bild 4: Vom Halbzeug zum Bauteil
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Seite 10
Erzeugnisse, Bauteile und Werkzeuge aus verschiedenen Werkstoffen
I - Träger aus Baustahl
Ziertor aus Schmiedestahl
Fensterrahmen aus Aluminium-Legierung
Chemikalientank aus nichtrostendem Stahl
MIG-Schweißzusatz aus Kupfer-Legierung
Dacheindeckung aus Titanzink-Blech
Drehwerkzeug aus Hartmetall
Schleifkörper aus Edelkorund/Kunstharz
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Seite 11
1.2 Einteilung der Werkstoffe
Der Metallbauer sowie der Konstruktions- und Anlagenmechaniker haben es in ihrem Berufsleben mit
einer Vielzahl von Werkstoffen zu tun: Stähle, Gusseisenwerkstoffe, 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 zusammen. 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 die
Verbundwerkstoffe (Bild 1). Die Metalle und die Nichtmetalle gliedert man zusätzlich in mehrere Untergruppen.
Metalle
Eisenwerkstoffe
Stähle
z.B.
Baustähle
Werkzeugstähle
Nichtmetalle
Verbundwerkstoffe
NE-Metalle
EisenGusswerkstoffe
Leichtmetalle
(Dichte <
5 kg/dm3)
Schwermetalle
(Dichte >
5 kg/dm3)
Naturstoffe
Kunststoffe
Naturmineralien
Künstliche
Mineralien
Faser- und
TeilchenVerbundwerkstoffe
Schichtverbunde
und
Strukturverbunde
z.B.
Grauguss
Späroguss
Temperguss
z.B.
Aluminium
Magnesium
z.B.
Kupfer
Zink
Blei
z.B.
Holz
Leder
Bitumen
z.B.
PVC
Plexiglas
Polyethylen
z.B.
Graphit
Asbest
Marmor
z.B.
Glas
Beton
Kunststeine
z.B.
Glasfaserverstärkte
Kunststoffe,
Hartmetalle
z.B.
Wandpaneele,
PkwStoßfänger
Bild 1: Einteilung der Werkstoffe
Die Metalle
Nach der Zusammensetzung unterteilt man die Metalle in die Eisenwerkstoffe und die Nichteisenmetalle (kurz NE-Metalle).
Die Eisenwerkstoffe ihrerseits untergliedert man nochmals in die besonders umfangreiche und wichtige Gruppe der Stähle sowie die Eisenguss-Werkstoffe. Stähle und Eisenguss-Werkstoffe bestehen
beide 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 Stähle
oder die Werkzeugstähle.
Bedeutende Eisenguss-Werkstoffe sind Grauguss, Sphäroguss und Temperguss.
Die Nichteisenmetalle (NE-Metalle) unterteilt man in Leichtmetalle und Schwermetalle. Als Grenze ist
eine Dichte von ® = 5 kg/dm3 festgelegt. Wichtigstes Leichtmetall ist Aluminium, weitere Leichtmetalle
sind 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 synthetisch hergestellten Kunststoffe, die aus der unbelebten Natur abgebauten Mineralien und die aus
Mineralien hergestellten künstlichen Mineralien. Aus dieser Stoffgruppe haben eine Reihe von Werkstoffen große Bedeutung erlangt: die Kunststoffe, Glas und Beton.
Die Verbundwerkstoffe
Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehreren Einzelstoffen, die zu einem neuen Werkstoff zusammengefügt sind. Wichtige Verbundwerkstoffe sind z.B. die aus zwei aufeinander gewalzten Blechen
bestehenden plattierten Bleche, oder z.B. die aus Hartstoffkörnern und einer Kunststoffbindung bestehenden Schleifkörper oder die glasfaserverstärkten Kunststoffe.
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Seite 12
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 Verwendbarkeit und Verarbeitbarkeit erlauben. Dies sind Eigenschaften, die das Verhalten des Werkstoffs unter
mechanischen Belastungen und unter Umwelteinflüssen oder bei einem Fertigungsverfahren beschreiben. Aber auch Eigenschaften, die den Zustand des Werkstoffs oder seine Reaktion bei der Einwirkung anderer Stoffe beschreiben, wie z.B. das Korrosionsverhalten, sind von Bedeutung.
Die Summe aller Eigenschaften ergibt das Eigenschaftsbild des Werkstoffs. Es entscheidet, ob ein
Werkstoff für eine gestellte Aufgabe geeignet ist.
Man unterscheidet physikalische, mechanisch-technische, fertigungstechnische, chemisch-technische
und 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 besitzt. Die Einheit der Dichte ist g/cm3 oder kg/dm3.
Die Dichte ® eines Werkstoffs errechnet sich mit der Formel:
m
® = ᎏ
V
Es sind:
m ist die Masse des Bauteils
V das Volumen des Bauteils
Unlegierter Stahl hat z.B. eine Dichte von ® = 7,85 kg/dm3, bei Aluminium beträgt die Dichte ® = 2,70 kg/dm3. Das heißt, ein Stahlbauteil ist
rund drei Mal so schwer wie ein Aluminiumbauteil gleicher Größe.
Der Schmelzpunkt ist die niedrigste Temperatur, bei der ein Werkstoff
schmilzt. Reines Eisen hat z.B. einen Schmelzpunkt von 1536 °C, Aluminium von 659 °C, einige Kunststoffe schmelzen bei rund 150 °C.
Von technischem Interesse ist der Schmelzpunkt beim Löten und
Schweißen. Reine Stoffe haben einen exakten Schmelzpunkt. Stoffgemische, wie z.B. Legierungen, schmelzen in einem Schmelzbereich,
d.h. sie bilden zuerst einen Schmelzbrei und erst bei weiterer Temperatursteigerung eine vollständig flüssige Schmelze.
Die thermische Längenausdehnung beschreibt die Längenänderung
eines Werkstoffes durch eine Temperaturänderung. Der Werkstoffkennwert der Längenausdehnung ist der thermische Längenausdehnungskoeffizient å. Er gibt die Längenänderung eines 1 m langen Stabes bei
1 °C Temperaturänderung an.
Die Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes, Wärme bzw. Elektrizität in sich weiterzuleiten. Gute Leiter
sind alle Metalle, insbesondere Aluminium, Kupfer und Stahl.
Schlechte Leiter sind die meisten Nichtmetalle, wie z.B. die Kunststoffe
und Glas.
Hohe Leitfähigkeit für Wärme muss z.B. der Lötkolben besitzen, er ist
deshalb aus Kupfer. Niedrige Wärmeleitfähigkeit wird von Wärmedämmstoffen 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 Hilfsstoffe befinden sich im Tabellenteil Seiten 192, 196.
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Bild 1: Physikalische
Eigenschaften
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2.2 Mechanisch-technische Eigenschaften
Die mechanisch-technischen Eigenschaften beschreiben das Verhalten
der Werkstoffe unter der Wirkung mechanischer Kräfte (Bild 1).
Wichtige mechanisch-technische Eigenschaften sind die Festigkeit, die
Härte sowie das Verformungsverhalten.
Als Festigkeit bezeichnet man allgemein die größtmögliche mechanische Spannung, die ein Werkstoff aushalten kann, ohne zu Bruch zu gehen. Je nachdem, ob es sich dabei um eine Zug-, Druck- oder Scherbelastung handelt, ergibt sich eine Zugfestigkeit, eine Druckfestigkeit
oder eine Scherfestigkeit.
Die Zugfestigkeit Rm z.B. errechnet sich bei einem
Tragseil aus der Zugkraft F und der Querschnittsfläche S des Seils (Bild 1a) nach nebenstehender
Formel.
F
Rm = ᎏ
S
Die Einheit der Zugfestigkeit Rm ist N/mm2.
Stahl hat z.B. eine Zugfestigkeit von rund 500 N/mm2, Aluminium von
rund 200 N/mm2.
Hohe Festigkeit müssen Werkstoffe haben, aus denen tragende Bauteile, wie Seile, Profile, Tragwerke usw. gefertigt werden.
Die Härte gibt den Widerstand an, den ein Werkstoff dem Eindringen
eines Eindrückkörpers, z.B. einer Hartmetallkugel, entgegensetzt
(Bild 1b). Sehr harte Werkstoffe sind z.B. Diamant, Hartmetalle sowie
gehärteter Stahl. Ungehärteter Stahl und gehärtetes Aluminium sind
mittelhart. Weiche Werkstoffe sind Reinaluminium, Blei und Kupfer.
Große Härte ist bei Bauteilen erforderlich, die auf ihrer Oberfläche
großen 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 Stahl
für Sägeblätter ist z.B. elastisch.
Plastisch verformbar ist ein Werkstoff, wenn er unter Krafteinwirkung
seine Form bleibend verändert, d.h. nicht oder nur geringfügig zurückfedert (Bild 1d). Plastisch verformbar sind z.B. glühender Schmiedestahl, Zinkblech oder Kupferblech.
Als Sprödigkeit bezeichnet man die Eigenschaft eines Werkstoffs, unter
Belastung zu brechen, ohne sich vorher merklich zu verformen. Spröde
Werkstoffe zerspringen besonders bei schlagartiger Beanspruchung in
viele Bruchstücke (Bild 1e). Bei der Verarbeitung spröder Werkstoffe,
wie z.B. der Montage eines Waschbeckens aus Keramik, müssen
schlagartige Belastungen, wie z.B. Hammerschläge, vermieden werden. Auch unsachgemäß gehärteter Stahl kann so spröde sein, dass er
bei Schlagbeanspruchung zerbricht.
Unter Zähigkeit versteht man die Eigenschaft eines Werkstoffs, der
bleibenden (plastischen) Verformung großen Widerstand entgegenzusetzen. Schmiedestahl ist z.B. zäh, Blei hingegen ist leicht biegbar.
Die Warmfestigkeit beschreibt die Festigkeit eines Werkstoffs bei erhöhten Temperaturen (Bild 1f). Werkstoffe mit geringer Warmfestigkeit
sind z.B. die Kunststoffe, die bereits bei 100 °C einen Großteil ihrer
Festigkeit verlieren. Hohe Warmfestigkeit haben spezielle Werkzeugstähle, bei denen ein Abfall der Festigkeit erst bei Temperaturen über
600 °C beginnt.
Bild 1: Mechanisch-technische
Eigenschaften
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2.3 Fertigungstechnische Eigenschaften
Die fertigungstechnischen Eigenschaften geben Auskunft über die Eignung eines Werkstoffs für ein Fertigungsverfahren und über die Bedingungen bei der Verarbeitung der Werkstoffe.
Wichtige fertigungstechnische Eigenschaften sind die Schmiedbarkeit,
die Härtbarkeit, die Schweißeignung, die Kaltumformbarkeit, die spanende Formbarkeit und die Gießbarkeit (Bild 1).
Die Schmiedbarkeit ist eine der hervorstechendsten Eigenschaften der
Metalle (Bild 1a). Man versteht darunter die Fähigkeit eines Werkstoffs,
sich im erwärmten Zustand durch Krafteinwirkung umformen zu lassen. Das Schmieden findet sowohl im handwerklichen Bereich, aber
auch im industriellen Maßstab Verwendung, da es ein kostengünstiges
und werkstoffsparendes Fertigungsverfahren ist.
Schmiedbar sind die meisten Stähle sowie Aluminium-Knetlegierungen und Kupfer-Knetlegierungen. Im allgemeinen nicht schmiedbar
sind die Gusswerkstoffe.
Die Schweißeignung eines Werkstoffs ermöglicht ein stoffschlüssiges
Fügen von Einzel-Bauteilen zu einem Gesamtbauteil durch Schweißen
(Bild 1b). Die Schweißnaht hat bei richtiger Auswahl des Zusatzwerkstoffes annähernd dieselbe Festigkeit wie die Fügeteile.
Gut schweißbar sind unlegierte und legierte Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt. Aber auch Gusseisen sowie Aluminium- und Kupferlegierungen können mit Spezialverfahren geschweißt werden.
Unter Härtbarkeit versteht man die Eigenschaft eines Werkstoffs durch
Abschrecken des glühenden Bauteils in Wasser eine wesentliche Verbesserung der Härte zu erfahren (Bild 1c). Auch die Festigkeit kann
durch ein besonderes Härteverfahren, das Vergüten, stark erhöht werden. Härtbar sind viele Stähle, einige Eisen-Gusswerkstoffe sowie die
aushärtbaren Aluminium-Legierungen.
Die Kaltumformbarkeit beschreibt die Eigenschaft eines Werkstoffs
sich bei Umgebungstemperatur, z.B. durch Biegen, Abkanten, Tiefziehen, Falzen usw. umformen zu lassen (Bild 1d). Kaltumgeformt werden vor allem Bleche, Bänder und Rohre.
Die spanende Formbarkeit ist eine wichtige Eigenschaft, da fast alle
Werkstücke und auch viele Bauteile im Laufe ihrer Fertigung durch ein
spanendes Verfahren, wie z.B. Bohren, Sägen, Drehen oder Fräsen bearbeitet werden (Bild 1e).
Alle Eisenwerkstoffe sowie die meisten Nichteisenmetalle sind spanend formbar. Nicht oder nur schlecht spanbar sind sehr weiche Werkstoffe 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 Voraussetzung
zur Verarbeitung zu Gussstücken (Bild 1f). Die Schmelze von Gusswerkstoffen muss dünnflüssig sein, so dass sie die Gussform vollständig ausfüllt. Außerdem dürfen sich im Gussstück während des Erstarrens 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, Kupfer-Zink-Gusslegierungen (Gussmessing) usw.
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Bild 1: Fertigungstechnische
Eigenschaften
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2.4 Chemisch-technische Eigenschaften
Die chemisch-technischen Eigenschaften beschreiben die Stoffumwandlung der Werkstoffe durch die
Wirkung der sie umgebenden Stoffe sowie durch Umweltbedingungen.
Bei normalen Umweltbedingungen laufen die werkstoffzerstörenden
Vorgänge langsam ab. Unter der Wirkung aggressiver Chemikalien,
wie Säuren, Laugen oder Lösungsmitteln sowie bei erhöhter
Temperatur werden die Werkstoffe rasch zerstört. Wichtige chemischtechnische Eigenschaften sind die Korrosionsbeständigkeit, die
Wärmebeständigkeit sowie die Brennbarkeit (Bild 1).
Korrosionsbeständigkeit. Als Korrosion bezeichnet man die von der
Oberfläche des Werkstoffs ausgehende Zerstörung durch chemische
oder elektrochemische Reaktionen.
Verstärkt wird die Korrosion durch ungünstige Umwelteinflüsse.
Korrosionsunbeständig sind unlegierte Stähle, d.h. sie rosten im
Freien. Korrosionsbeständig sind die nichtrostenden Stähle, in der
Umgangssprache rostfreie Edelstähle genannt, sowie Aluminium- und
Kupfer-Werkstoffe. Bauteile aus korrosionsunbeständigen Werkstoffen
müssen gegen Korrosion geschützt werden, z.B. durch Verzinken.
Die Wärmebeständigkeit ist wichtig bei Werkstücken und Bauteilen, die
erhöhter Temperatur ausgesetzt sind. Unlegierte Stähle sind z.B. wärmebeständig bis ca. 600 °C. Werden sie höher erwärmt, so reagieren
sie mit dem Luftsauerstoff, sie verzundern (Bild 1). Verzunderungsfeste
Stähle dagegen können bis ca. 1100 °C erhitzt werden.
Die meisten Kunststoffe können kaum höher als bis zu 150 °C erwärmt
werden, da sie sich dann zersetzen.
Die Brennbarkeit spielt bei metallischen Werkstoffen praktisch keine
Rolle, da sie unter normalen Bedingungen nicht brennbar sind. Eine
Ausnahme hiervon ist Magnesium (Seite 106).
Bei Verwendung von Kunststoffen ist die Brennbarkeit zu beachten, da
die Mehrzahl der Kunststoffe brennbar ist.
Bild 1: Chemisch-technische
Eigenschaften
2.5 Umwelt-Eigenschaften
Neben den Eigenschaften, die die technische Eignung eines Werkstoffs beschreiben, müssen bei der
Werkstoffauswahl auch der Schutz der Gesundheit und der Umweltschutz berücksichtigt werden. Zu
vermeiden sind giftige, gesundheitsgefährliche oder umweltbelastende Werkstoffe.
Giftig sind z.B. die Werkstoffe Blei, Cadmium und Quecksilber. Gesundheitsgefährlich, d.h. krebserregend sind Asbest, Kaltreiniger zum Metallentfetten (Tri oder Tetra) und die Ausdünstungen aus älteren
Spanplatten (Formaldehyd). Giftige und gesundheitsgefährliche Stoffe sind zu vermeiden. Bei der
Arbeit mit giftigen und gesundheitsgefährlichen Stoffen müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen der
Berufsgenossenschaft beachtet werden.
Umweltschonend sind Werkstoffe, die sich nach dem Gebrauch wieder aufarbeiten lassen. Man nennt
das Recycling. Recycelbar sind die metallischen Werkstoffe, begrenzt recycelfähig sind die Kunststoffe.
Wiederholungsfragen
1 In welche drei Hauptgruppen teilt man die Werkstoffe ein?
2 Nennen Sie drei Leichtmetalle und drei Schwermetalle.
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 gibt
rund 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 Periodensystem der Elemente, kurz PSE (Bild 1). Bedeutend für die Werkstofftechnik sind etwa 20 Metalle.
Sie stehen im mittleren Bereich des Periodensystems der Elemente.
Bild 1: Periodensystem der Elemente (gekürzt)
Das technisch wichtigste Metall ist Eisen (Fe). Es steht in der Mitte des Periodensystems. Links und
rechts 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 Metallgewinnung
nennt man Erze.
Zur Gewinnung der Metalle aus den Erzen wird den Metalloxiden der Sauerstoff bzw. den Metallsulfiden der Schwefel entzogen. Diesen chemischen Vorgang nennt man Reduktion. Er ist die Umkehrung
der Oxidation. Die Reduktion wird mittels eines Reduktionsmittels durchgeführt, das den Sauerstoff
bzw. Schwefel vom Metall abtrennt und an sich bindet und damit das reine Metall entstehen lässt.
Erz
(Metalloxid oder
Metallsulfid)
+
Reduktionsmittel
Wärme
→
Metall
+
Begleitstoffe
Bei der Reduktion des Eisenerzes z.B. wird Kohlenstoff in Form von Koks als Reduktionsmittel verwendet:
Eisenerz
(Eisenoxid)
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+
Koks
→
Eisen
+
Kohlenstoffdioxid
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3.2 Eisenerze
Ausgangsstoff der Roheisengewinnung ist das gesteinsartig aussehende Eisenerz (Bild 1). Es wird aus Lagerstätten im Tagebau abgebaut und besteht aus dem eigentlichen Wertanteil, einem Eisenoxid und erdigen Beimengungen, der sogenannten Gangart. Die Gangart wird am
Förderort (Australien, Afrika, Brasilien) weitgehend abgetrennt und das angereicherte Erz zum Stahlstandort
transportiert.
Die wichtigsten Eisenerze sind Magneteisenstein (chemisch Fe3O4) und Roteisenstein (chemisch Fe2O3) mit
rund 50 % bis 65 % Eisenerzanteil.
Bild 1: Eisenerz (Roteisenstein)
Die Eisen- und Stahlwerkstoffe sind die wichtigsten Werkstoffe der metalltechnischen Berufe. Ihre Herstellung 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 in
Hochofenanlagen hergestellt (Bild 2, linker Teil). Diese großtechnischen Anlagen bestehen aus dem
rund 60 m hohen Hochofen mit seinen Einzelbauteilen sowie Winderhitzern zur Erzeugung heißer Verbrennungsluft und der Erzaufbereitung mit Koks- und Zuschlagsdosierung.
Bild 2: Hochofenanlage zur Roheisengewinnung, Stoffströme und chemische Vorgänge
Der Hochofen wird von oben durch den Gichtverschluss lagenweise mit Möller und Koks gefüllt (beschickt). 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 und
führen durch Absenken des Schmelzpunkts der erdigen Erzbestandteile zu deren Auflösung in der flüssigen Schlacke.
Der Koks dient als Reduktionsmittel für das Eisenerz. Außerdem erzeugt er durch teilweise Verbrennung die zur Reduktion erforderlichen hohen Temperaturen im Hochofen.
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Vorgänge im Hochofen
Im unteren Teil des Hochofens wird Heißluft eingeblasen (Bild 2, Seite 17) und verbrennt einen Teil des
Kokses zu Kohlenstoffmonoxidgas CO. Die heißen Gase steigen in die Erzschüttung hoch, erhitzen sie
und wirken dort als Reduktionsmittel.
Von oben rutscht das Füllgut langsam in immer heißere Zonen des Hochofens nach unten. In der
600 °C bis 1100 °C heißen Reduktionszone wird das Eisenerz Fe2O3 von den aufsteigenden, reduzierenden Gasen (CO) und heißem Koks (C) zum metallischen Eisen Fe reduziert (Bild 2, chemische Vorgänge). Das Eisen liegt hier zunächst als fester, poröser Eisenschwamm vor. Beim weiteren Abrutschen
in die rund 1600 °C heiße Schmelzzone schmilzt der Eisenschwamm, tropft in den geschlossenen Boden des Hochofens und bildet die Roheisenschmelze.
Die mit absinkenden Zuschläge (Kalk, Dolomit) schmelzen ebenfalls und nehmen die erdigen Erzbestandteile durch Lösen auf. Sie bilden die Schlacke, tropfen nach unten und sammeln sich wegen der
geringeren Dichte über dem flüssigen Roheisen. Die flüssige Schlacke und das flüssige Roheisen werden getrennt abgelassen.
Das abgelassene Roheisen enthält gelöst etwa 8% Fremdstoffe, die sogenannten Eisenbegleiter: rund
4% Kohlenstoff sowie Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel, die je nach Eisenerz und Zuschlägen
in unterschiedlichen Gehalten auftreten können.
Roheisen mit hohem Siliciumgehalt ist der Ausgangsstoff für Eisen-Gusswerkstoffe. Es wird GießereiRoheisen oder, wegen der grauen Bruchfläche, Graues Roheisen genannt.
Roheisen mit hohem Mangangehalt wird zu Stahl weiterverarbeitet. Es heißt Stahl-Roheisen oder, wegen seiner hellen Bruchfläche, Weißes Roheisen.
Das Gießerei-Roheisen wird nach dem Abstich zu Masseln vergossen (knüppelartige Eisenstäbe) und
ist der Ausgangsstoff für Eisen-Gusswerkstoffe. Das Stahl-Roheisen wird in fahrbaren Pfannenwagen
und 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 Erzklumpen, die in einem vorgeschalteten Produktionsprozess aus gemahlenem Eisenerzmehl und einem Bindemittel zusammengebacken werden.
Die Erzpellets (Wertbestandteil Fe2O3) werden von oben in den Direktreduktions-Schachtofen gefüllt
und rutschen langsam nach unten (Bild 1). Von unten strömt ein Reduktionsgas aus Kohlenstoffmonoxid CO und Wasserstoff H2 durch die Erzpelletsschüttung nach oben und reduziert das Eisenerz bei
700 bis 1050 °C zu Eisen. Die gebildeten Eisenpartikel backen zu porösen, schwammartigen Klumpen
zusammen, was zu dem Namen Eisenschwamm für das Endprodukt geführt hat.
Eisenschwamm besteht zu rund 85%
aus Eisen, der Rest ist Gangart, RestEisenoxid und Eisenbegleiter. Zur
Beseitigung dieser Verunreinigungen wird der Eisenschwamm anschließend in einem Elektro-Lichtbogenofen zu flüssigem Roheisen aufgeschmolzen (Bild 1) und dann zu
Stahl umgewandelt (Seite 19).
Direktreduktions-Anlagen
werden
vorteilhaft dort betrieben, wo preisgünstig Erdgas (CH4), Erdöl oder
auch minderwertige Kohle zur Herstellung des Reduktionsgases (CO,
H2) zur Verfügung stehen. Es können
auch kleinere Anlagen wirtschaftlich
Bild 1: Direktreduktions-Verfahren
betrieben werden.
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3.5 Stahlherstellung mit dem Sauerstoff-Aufblasverfahren
Ausgangsstoff ist das im Hochofen erschmolzene Stahl-Roheisen (Seite 18), das in Pfannenwagen flüssig 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 weitgehend aus dem Roheisen entfernt werden. Dies geschieht durch Verbrennen, d.h. Oxidieren, der Eisenbegleiter in der Stahlschmelze.
Die technische Durchführung der
Verbrennung der Eisenbegleiter
erfolgt heute in der Bundesrepublik Deutschland zum Großteil mit
dem Sauerstoff-Aufblasverfahren
(Bild 1). Hierbei wird das flüssige
Roheisen zusammen mit Stahlschrott sowie Zuschlägen (zur
Schlackebildung) in einen Konverter gefüllt. Er fasst rund 300 t.
Dann fährt ein wassergekühltes
Rohr von oben in den Konverter
und bläst mit Sauerstoff angereicherte Luft in die Schmelze. Der
Sauerstoff reagiert heftig mit den
Eisenbegleitern in der Schmelze.
Sie verbrennen unter starker
Wärmeentwicklung zu Oxiden.
Die entstehenden gasförmigen
Oxide (CO2, SO2) sowie die frei
werdende Verbrennungswärme
lassen die Schmelze kochen. Die
entstehenden festen Oxide (P2O5,
MnO2, SiO2) werden in die
Bild 1: Stahlherstellung mit dem Sauerstoff-Aufblasverfahren
Schlacke aufgenommen.
Dieser Blasvorgang dauert 10 bis 20 Minuten. Danach werden gegebenenfalls Legierungselemente zugegeben und dann wird der fertige Stahl in Gießpfannen gefüllt.
Der entstehende Werkstoff Stahl hat einen herabgesetzten Rest-Kohlenstoffgehalt von rund 0,2% und
nur noch niedrige Phosphor- und Schwefelgehalte (Bild 1). In festem Zustand ist Stahl hart, zäh und
schmiedbar.
3.6 Stahlherstellung mit dem
Elektrostahlverfahren
Besonders zur Herstellung hochlegierter und
damit hochschmelzender Stahlsorten, aber auch
zum Erschmelzen von Massenstahl aus Schrott,
wird das Umschmelzen im Elektrostahlofen,
meist ein Lichtbogenofen, eingesetzt (Bild 2). Der
Elektro-Lichtbogenofen hat eine flache Schmelzwanne, die mit einem seitlich schwenkbaren
Deckel zum Füllen abgedeckt ist. Durch ihn ragen
Kohleelektroden in den Ofenraum. Der gesamte
Ofen ist drehbar gelagert und kann zum Abgießen
von Schlacke sowie zum Entleeren der Stahlschmelze gekippt werden.
Bild 2: Stahlherstellung im Elektro-Lichtbogenofen
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Zu Beginn wird die Schmelzwanne gefüllt. Zum Einsatz kommen Stahlschrott bekannter Zusammensetzung, Gießereiabfälle, Eisenschwamm und Roheisen. Zur Bildung einer Reinigungsschlacke werden Zuschläge 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 Durchmischung auf. Es folgt eine rund einstündige Schmelzzeit, in der zuerst die Verunreinigungen, der Phosphor
und der überschüssige Kohlenstoff ausbrennen (Frischperiode). Im Anschluss daran werden die Oxide
und der Schwefel aus der Schmelze entfernt (Feinungsperiode). Dies geschieht durch schrittweise Zugabe von verschiedenen Schlackebildnern, die die unerwünschten Stoffe der kochenden Stahlschmelze
in die Schlacke binden. Zum Schluss wird auf die gewünschte Zusammensetzung legiert.
3.7 Nachbehandlung des flüssigen Stahls
Zur Herstellung von Stählen mit besonderen Qualitätsanforderungen (Qualitäts- und Edelstähle) wird
der noch flüssige Stahl zusätzlichen Behandlungen unterworfen. Sie dienen der Entfernung letzter unerwünschter Bestandteile sowie der Zuführung spezieller Legierungselemente.
Desoxidieren
Das Desoxidieren dient zum Entfernen von gelöstem Sauerstoff- und Stickstoffgas aus der Stahlschmelze. Diese Gase lösen sich beim Frischen
des Stahls im Konverter (Seite 19) aus dem eingeblasenen Luft/Sauerstoff-Gemisch im flüssigen
Stahl. Während des Abkühlens der Stahlschmelze
perlen die Gase teilweise wieder aus, die Stahlschmelze kocht. Man spricht deshalb von unberuhigt vergossenem oder nicht-desoxidiert vergossenem Stahl.
Bild 1: Nicht desoxidiert und desoxidiert vergossener
Kokillen-Stahlblock
Ein nicht-desoxidiert vergossener Stahlblock enthält in der Randzone Gasblasen und entmischt
sich während des Erstarrens (Bild 1). Die Eisenbegleiter Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel werden
im 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 der
gelöste Sauerstoff und Stickstoff chemisch gebunden. Die Schmelze ist dann beim Abkühlen ruhig, da
kein Gas ausperlt. Man spricht von beruhigt vergossenem oder desoxidiert vergossenem Stahl.
Desoxidiert vergossene Stahlblöcke enthalten keine Gasblasen (Bild 1, rechts) und sind nicht geseigert.
Ihre Zusammensetzung ist über dem gesamten Blockquerschnitt gleich, das daraus hergestellte Walzgut
hat gleichmäßige Eigenschaften. Nachteilig ist der tiefe Kopflunker des Kokillenblocks.
Die heute üblichen Qualitäts- und Edelstähle sind desoxidiert vergossen. Bei den unlegierten Stählen
kann die Vergießart im Kurznamen des Werkstoffe angegeben sein (Seite 197).
Entschwefeln
Schwefel im Stahl verschlechtert die Eigenschaften des Stahls. Eine teilweise Verringerung des Schwefelgehalts erfolgt deshalb im Roheisenmischer durch Einblasen von Entschwefelungsmitteln und auch
beim Frischen im Sauerstoffaufblas-Konverter. Niedrigste Schwefelgehalte erreicht man durch Nachentschwefeln (Bild 2, links). Dazu wird durch ein Einblasrohr Kalkpulver tief in die Stahlschmelze eingeblasen. Der Kalk bindet den Schwefel und
schwimmt als Schlacke auf.
Spülgasbehandlung
Sie dient zum Entfernen letzter nichtmetallischer
Verunreinigungen aus der Stahlschmelze (Bild 2,
rechts). Durch den Boden einer speziellen
Gießpfanne oder durch ein Rohr wird chemisch inaktives Argongas in die Schmelze gepresst und
perlt in ihr hoch. Die Verunreinigungen werden
von den aufsteigenden Gasblasen mitgerissen
und in die Schlacke gespült.
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Bild 2: Entschwefeln und Spülgasbehandlung