Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies

Rainer Schwab

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2020
• ISBN:
  9783527817993
• Auflage: 3
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Mechanical Engineering

Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung sind für viele Studierenden eher Pflicht als Leidenschaft. Rainer Schwab zeigt Ihnen, dass es auch anders sein kann: Mit Humor und Präzision, mit einfachen Erklärungen und passenden Beispielen erklärt er Ihnen die Werkstoffkunde so spannend es nur geht. Er beginnt mit den Atombindungen und Kristallen, erläutert dann die wichtigsten Eigenschaften von Werkstoffen und führt Sie in die berühmt-berüchtigten Zustandsdiagramme ein. Anschließend lernen Sie die Methoden der Werkstoffprüfung kennen und tauchen in die faszinierende Welt des Stahls und der Eisengusswerkstoffe ein. Auch Nichteisenmetalle, Hochleistungskeramiken und Kunststoffe kommen nicht zu kurz. So ist dieses Buch perfekt für jeden, der sich mit Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung beschäftigt. Passgenau abgestimmt bietet der Autor zusätzlich noch das "Übungsbuch Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung für Dummies" sowie Filme zur Werkstoffprüfung auf YouTube an.

Teil III

Eisen und Stahl, noch lange kein Alteisen

In diesem Teil …

In Teil III dieses Buches geht es schon gehörig in die Praxis und hier möchte ich Ihnen die mit Abstand wichtigste Gruppe unter den metallischen Werkstoffen vorstellen, das sind die Eisenwerkstoffe.

Alle Stähle zählen dazu, ebenso die Gusseisenwerkstoffe. Alteisen? Schrott? Werkstoffe von gestern? Alles ­bekannt? Von wegen! Die Eisenwerkstoffe, vor allem die legierten Stähle und Gusseisensorten, sind noch lange nicht am Ende. Ich würde hoch darauf wetten: Hier tut sich noch viel in der Zukunft.

Wie man Stahl herstellt und die Eisenwerkstoffe normgerecht bezeichnet, bildet den Auftakt. Die Wärmebehandlung der Stähle werde ich dann ausführlich erläutern und Ihnen anschließend zeigen, welche wichtigen Stähle und Gusseisenwerkstoffe auf dem Markt sind, welche Eigenschaften sie haben und was man mit ihnen so alles anstellen kann.

Für den Fall, dass Sie spontan in diesen Teil hineinspringen: Ideal ist es, wenn Sie schon Teil I gelesen haben und über das Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm ­Bescheid wissen. Und weil hier schon ganz konkrete mechanische Werkstoffkennwerte genannt werden, sollten Ihnen Begriffe und Formelzeichen wie Streckgrenze R_eH, Dehngrenze R_p0,2, Zugfestigkeit R_m, Bruchdehnung A₅, Härte und Kerbschlagarbeit KV möglichst genau vertraut sein. Näheres dazu finden Sie in Teil II.

Kapitel 12

Stahlherstellung – der Weg vom Erz zum Stahl

In diesem Kapitel

Wie aus Erz Roheisen wird

Vom Roheisen zum Stahl

Schließen Sie die Augen – sofern das im Moment gefahrlos möglich ist – und gehen Sie in Gedanken durch Ihr Haus, Ihre Wohnung, Ihre Arbeitsstelle, Ihren Ort. Welche Gegen­stände aus Stahl erkennen Sie? Essbesteck, Spülbecken, Stuhlgestell, Schraube, Auto, Laternenmast und Verkehrsschild fallen mir persönlich ganz spontan ein und je länger ich darüber nachdenke, desto mehr werden es. Ganz offensichtlich nutzen wir in unserem täglichen Leben ungeheuer viele Produkte aus Stahl. Wie wird Stahl eigentlich hergestellt?

In diesem Kapitel werden Sie die Ausgangsstoffe kennenlernen, das Grundprinzip der Roheisenerzeugung und dann die Tricks, wie man aus dem noch verunreinigten Roheisen die tollsten Stähle gewinnt. Ein herzliches »Glückauf« zu diesem Kapitel, das ist der Gruß der Bergleute.

Das Ziel im Blick

Der Weg vom Erz zum Stahl ist nicht in einem Schritt getan, man braucht mehrere. Wenn ich Sie nun im Folgenden ein wenig auf diesem Weg begleite, dann ist es gut, wenn Sie sich vorab über das Ziel Gedanken machen.

Das Ziel ist Stahl: Aber was ist das eigentlich? Stahl ist eine Legierung und besteht aus

Eisen, das ist der Hauptbestandteil,

Kohlenstoff bis zu 2 % Gehalt, darüber spricht man von Gusseisen,

Eisenbegleitern wie Silizium, Mangan, Schwefel, Phosphor …, manche davon in Maßen erwünscht, andere unerwünscht, und

gegebenenfalls Legierungselementen wie Chrom, Nickel, Molybdän und anderen, die werden absichtlich zugegeben, um die Eigenschaften gezielt zu beeinflussen.

Das also möchte man erzeugen. Wo kommt nun der Hauptbestandteil her, das Eisen? Eisen gibt es auf unserer Erde in erreichbarer Tiefe zwar ausreichend, aber nahezu nur als chemische Verbindung. Das liegt daran, dass fast alles Eisen, das jemals in den Anfängen der Erdgeschichte in metallischer Form da war, ganz einfach mit Sauerstoff und anderen Elementen reagiert hat. Gerostet hat. Bis nichts Metallisches mehr übrig war.

Aus diesen Verbindungen, das sind überwiegend Oxide in Form von Eisenerzen, wird in einem ersten Schritt Roheisen hergestellt, das noch verunreinigt ist. Das Roheisen wird dann in einem zweiten Schritt zu Stahl weiterverarbeitet.

Der erste Schritt: Vom Erz zum Roheisen

Schon länger gibt es mehrere Alternativen dazu, aber immer noch ist der Hochofenprozess die wichtigste Methode, um vom Erz zum Roheisen zu kommen.

Die richtigen Zutaten

Folgende Ausgangsstoffe sind nötig:

Eisenerze, die enthalten Eisen als chemische Verbindung. Typische Eisenerze sind Magneteisenerz, das ist die Verbindung Fe₃O₄, und Roteisenerz, das ist Fe₂O₃. Es handelt sich also um Verbindungen mit Sauerstoff, es sind Oxide. Eisenerze lassen sich nie in völlig reiner Form gewinnen, sondern enthalten immer eine gewisse Menge an unerwünschtem Gestein.

Koks, also poröser Kohlenstoff. Koks dient in erster Linie als Reduktionsmittel: Er reagiert mit dem Sauerstoff des Eisenerzes und entfernt dadurch den Sauerstoff, sodass metallisches Eisen entsteht. Darüber hinaus dient er als Heizmittel und zusätzlich trägt er noch die gesamte Schüttsäule im Hochofen.

Zuschläge, das sind Kalk, Quarz und weitere Verbindungen. Die Zuschlagstoffe haben eine wichtige Funktion: Sie bilden bei den hohen Temperaturen im Hochofen eine sogenannte Schlacke. Die Schlacke ist ein flüssiges Glas, das ganz hervorragend Verunreinigungen wie Schwefel- und Phosphorverbindungen sowie Gesteinsreste aufnehmen, in sich lösen kann.

Rein in den Ofen

Alle Ausgangsstoffe kommen von oben in einen Hochofen, das ist wirklich ein »hoher Ofen«, ein Schachtofen mit etwa 7 bis 15 Meter Durchmesser im unteren Teil und etwa 30 Meter Höhe, »feuerfest« ausgemauert. Die Ausgangsstoffe rutschen langsam von oben nach unten, reagieren miteinander zu Roheisen, das unten »abgestochen«, das heißt abgelassen werden kann, und noch zu anderen Produkten. Ein Hochofen arbeitet kontinuierlich, also ununterbrochen, und wird nie abgeschaltet, höchstens zu Reparaturarbeiten.

Was da innen drin im Hochofen stattfindet, ist ganz schön kompliziert. Damit Sie den Blick für das Wesentliche behalten, stelle ich im Folgenden die V...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Inhaltsverzeichnis
• Über den Autor
• Einleitung
• Teil I: Ausgewählte Grundlagen als Basis
• Teil II: Die wichtigsten Methoden der Werkstoffprüfung
• Teil III: Eisen und Stahl, noch lange kein Alteisen
• Teil IV: Was es außer den Eisenwerkstoffen noch Hochinteressantes gibt
• Teil V: Der Top-Ten-Teil
• Glossar
• Stichwortverzeichnis
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