Grundlagen der Metallkunde

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Grundlagen der Metallkunde

Schon seit vielen Jahrtausenden gibt es praktische Erfahrungen mit Metallen. Ein wichtiger Motor der Entwicklung neuer Werkstoffe und Legierungen war die Herstellung von Waffen. In der Frühzeit der Metallurgie konnte es von großem Vorteil sein, wenn man die besseren Werkstoffe einsetzen konnte. So war die Entwicklung und der Einsatz von Stahl entscheidend für den Ausgang einer Schlacht wenn der Gegner noch Bronzeklingen einsetzte.
Einfache schmiedbare Eisenwerkstoffe wurden bereits bei den Hethitern vor ca. 3500 Jahren hergestellt, z. B. für Waffen. Die frühe Verhüttung von Eisenerz ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt, wo auch um die Mitte des 1. Jahrtausends v. Chr. wohl erstmals ein einfacher härtbarer Stahl hergestellt wurde. Eisen verdrängte allmählich die zuvor genutzten Kupferwerkstoffe (Bronze), da es härter und fester ist. Genutzt wurde Eisen vor allem für Waffen und Rüstungen, sowie Werkzeuge, weniger in der Landwirtschaft. Eisenerze waren nahezu überall zu finden, während die zur Bronze-Herstellung benötigten Metalle Kupfer und Zinn selten waren und nicht an denselben Orten vorkamen. Zur Eisengewinnung wurde Holzkohle benötigt, die aus Holz gewonnen werden konnte.
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse über die MetalIgewinnung, -bearbeitung und -verarbeitung entstanden zunächst durch zufällige Beobachtungen und erst später durch planmäßige Untersuchungen. Es gab bereits eine hochentwickelte Metalltechnik, bevor die chemischen und physikalischen Zusammenhänge verstanden wurden. Die eigentliche wissenschaftliche Erforschung der Metalle begann erst vor etwa 120 Jahren, wobei die Wissenschaft zunächst hinter der Praxis zurückblieb. Erst im 20. Jahrhundert hat die wissenschaftliche Metalltechnik die praktische überholt, sodass Werkstoffe gezielt verbessert oder neue Werkstoffe entwickelt werden konnten.
Die Metalltechnik wird unterteilt in Metallurgie und Metallkunde. In der Metallurgie sind die Gewinnungsverfahren zusammengefasst, in der Metallkunde werden die Eigenschaften der Metalle beschrieben. In der allgemeinen Metallkunde werden die in verschiedenen Metallen gemeinsamen Zustände und Vorgänge beschrieben und in der speziellen Metallkunde werden die Besonderheiten von bestimmten Metallen und Legierungen verdeutlicht. Die theoretische Metallkunde wird auch als Metallphysik (Teilgebiet der Festkörperphysik) bezeichnet, da diese eine enge Verflechtung mit der Physik aufweist.

Aufbau der Metalle

Um die Besonderheiten eines Werkstoffes und dessen Eigenschaften zu verstehen, ist es notwendig, den inneren Aufbau zu kennen. Bereits bei makroskopischer Betrachtung werden wesentliche Unterschiede zwischen Metallen und anderen Stoffen deutlich, Metalle weisen einen für sie typischen Glanz auf, haben eine gute elektrische Leitfähigkeit und sind plastisch verformbar. Aber allein aus der Betrachtung eines Bauteils (Bild oben) können keine Rückschlüsse über seinen inneren Aufbau erfolgen. Mikroskopische Aufnahmen (Bild mitte) zeigen das so genannte Gefüge eines Metalls, das aus vielen kleinen Bereichen, den Körnern (Kristalliten) besteht. Das Gefüge eines metallischen Werkstücks, die Gesamtheit der im Lichtmikroskop sichtbaren Körner, beeinflusst dessen Eigenschaften, so dass Gefügeuntersuchungen von großer Bedeutung für die Metalltechnik sind. Die Körner wiederum sind aus Atomen aufgebaut, die in Form eines Kristallgitters regelmäßig angeordnet sind (Bild unten). Der kristalline Aufbau eines metallischen Werkstoffs kann mithilfe von Röntgenfeinstrukturuntersuchungen betrachtet werden.
Zwischen den einzelnen Körnern befinden sich die Korngrenzen, die in der Gefügeaufnahme als dunkle unregelmäßige Linien erscheinen. Die Korngrenzen erscheinen aufgrund der Größenverhältnisse als unregelmäßige Linien, da die Korndurchmesser etwa 10000 Atomdurchmessern entsprechen und daher die atomaren Begrenzungen der Körner nicht zu sehen sind. Metalle sind polykristallin, sie bestehen aus vielen Körnern. Nur unter bestimmten Erstarrungsbedingungen können Einkristalle, also Werkstücke ohne Korngrenzen, hergestellt werden, wie z. B. Silicium-Einkristalle für die Halbleitertechnik.

Zustandsdiagramme

Von besonderem Interesse sind bei Metallen und deren Legierungen die Übergänge von fest nach flüssig sowie eventuelle Änderungen bei verschiedenen Temperaturen im festen Zustand, Umwandlungen des Kristallsystems machen sich auch durch durch Haltepunkte im festen Zustand bemerkbar. Die Messergebnisse werden in Temperatur-Zeit-Diagramme eingetragen. Die miteinander verbundenen Punkte ergeben die Aufheiz- und Abkühlkurven. Aus diesen Abkühlkurven können die Zustandsdiagramme der Metalle erstellt werden, das verstehen von Zustandsdiagrammen ist wichtig um die Vorgänge in den Metallen zu verstehen, die Basis zur Erstellung von Zustandsdiagrammen sind also Abkühlkurven von reinem Metallen und deren Legierungen. Zur Erstellung von Zustandsdiagrammen wird die Thermoanalyse eingesetzt.

Die nachfolgenden Abkühlkurven sind beispielsweise charakteristisch für amorphe Stoffe (1), ein reines Element bzw. ein Eutektikum (2), eine Legierung mit Mischkristallbildung (3) und eine naheutektische Legierung (4).

Die Basiszustandsdiagramme von Legierungen aus 2 Elementen sind binäre Zustandsdiagramme hier unterscheiden wir-

• Binäres Zustandsdiagramm für vollständige Löslichkeit im flüssigem und festen und Zustand
• Binäres Zustandsdiagramm eutektisch für völlige Unlöslichkeit im flüssigem und festen und Zustand

Abkühl- und Aufheizkurven

In Abkühl- und Aufheizkurven werden Kurzzeichen verwendet die unabhängig vom jeweiligen Metall verwendet werden.

Kurzzeichen	Bezeichnung	Bezeichnung D	Bedeutung
A	arrēt	Haltepunkt	Punkt an dem die Abkühl- und Aufheizkurven einen Haltepunkt oder einen Veränderung der Abkühl- und Aufheizgeschwindigkeit aufweisen.
c	chauffage (tiefgestellt)	Erwärmung	Zusätzliche Kennzeichnung zu A, bedeutet das dieser Punkt auf einer Aufheizkurve ist.
r	refroidissement (tiefgestellt)	Abkühlung	Zusätzliche Kennzeichnung zu A, bedeutet das dieser Punkt auf einer Abkühlkurve ist.
1		Zahl (tiefgestellt)	Zusätzliche Kennzeichnung zu c + r, bezeichnet die Reihenfolge der Abkühl- und Aufheizpunkte.
Ac	arrēt chauffage	Erwärmung Haltepunkt	Haltepunkt auf einer Aufheizkurve, wird immer dann ohne Angabe einer Zahl verwendet wenn Start und Ende des Haltepunktes die gleiche Temperatur aufweisen.
Ar	arrēt refroidissement	Abkühlung Haltepunkt	Haltepunkt auf einer Abkühlkurve, wird immer dann ohne Angabe einer Zahl verwendet wenn Start und Ende des Haltepunktes die gleiche Temperatur aufweisen.
Ac1	arrēt chauffage 1	Erwärmung Haltepunkt 1	erster Haltepunkt auf einer Aufheizkurve
Ac2	arrēt chauffage 2	Erwärmung Haltepunkt 2	zweiter Haltepunkt auf einer Aufheizkurve
Ar1	arrēt refroidissement 1	Abkühlung Haltepunkt 1	erster Haltepunkt auf einer Abkühlkurve
Ar2	arrēt refroidissement 2	Abkühlung Haltepunkt 2	zweiter Haltepunkt auf einer Abkühlkurve

Abkühlungskurven von reinen Metallen

Aufheiz- und Abkühlkurven von reinen Metallen haben ein grundsätzliches Verhalten, beim Schmelzpunkt der Metalle gibt es ein Halten der Temperatur während der Erstarrung. Beim Erstarren eines flüssigen Metalls bilden sich zunächst Kristallisationskeime, die allmählich wachsen, bis die so entstandenen Kristallite zusammenstoßen.

Abkühlungskurven einer Legierungen

Abkühlkurven von Legierungen haben ein grundsätzliches Verhalten, beim Schmelzpunkt der Legierung gibt es keinen Haltepunkt der Temperatur, sondern einen Temperaturübergang, während der Erstarrung. Auch beim Erstarren einer flüssigen Legierung bilden sich zunächst Kristallisationskeime, die allmählich wachsen, bis die so entstandenen Kristallite zusammenstoßen. Ausnahme sind hier eutektische Legierungen, diese haben das Erstarrungsverhalten einer reinen Legierung, nur nicht bei der Erstarrungstemperatur eines reinen Metalls.

Binäre Zustandsdiagramme

Binäres Zustandsdiagramm für vollständige Löslichkeit im flüssigem und festen und Zustand

Binäres Zustandsdiagramm eutektisch für völlige Unlöslichkeit im flüssigem und festen und Zustand

Der Werkstoff Eisen

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Eisen ist ein chemisches Element mit dem Symbol Fe (lateinisch ferrum, ‚Eisen‘) und der Ordnungszahl 26. Es gehört zu den Übergangsmetallen, die im Periodensystem die 8. Nebengruppe (Eisen-Platin-Gruppe), nach der neuen Zählung die Gruppe 8 (Eisengruppe) bilden. Eisen ist, auf den Massenanteil (ppmw) bezogen, nach Sauerstoff, Silicium und Aluminium das vierthäufigste Element in der Erdkruste und nach Aluminium das häufigste Metall.

Moderne Eisenwerkstoffe mit einem Massenanteil des Kohlenstoffs von bis zu 2 % werden als Stahl bezeichnet, bei größerem Gehalt als Gusseisen. Die Unterscheidung beruht darauf, dass Gusseisen nicht plastisch verformbar, insbesondere nicht schmiedbar ist, während Stahl verformbar, also schmiedbar ist. Ältere Werkstoffe (vor etwa 1870) mit geringen Kohlenstoffgehalten werden als Schmiedeeisen bezeichnet und weisen größere Verunreinigungen auf, da sie anders hergestellt wurden als moderner Stahl.

Historisches

Belege für die Nutzung von Eisen in den verschiedenen Kulturen durch archäologische Funde sind gegenüber den Funden von Bronze relativ selten. Einerseits wurde Eisen in den ältesten Perioden der Geschichte nur in geringem Umfang genutzt, andererseits neigt Eisen an feuchter Luft, im Wasser und in der nassen Erde zur Korrosion, wodurch viele Gegenstände nicht erhalten blieben. Nur besondere Umstände oder große Ausmaße des Gegenstandes verhinderten den Verlust solcher Stücke.

Etymologie
In der Vergangenheit wurde angenommen, das keltische und germanische Wort für Eisen (kelt. *isarnon germ.(*isarna)) sei vom Illyrischen entlehnt worden. Auch wurde wegen des Gegensatzes zur weicheren Bronze eine Verwandtschaft von *isarnon zu lat. ira, ‚Zorn, Heftigkeit‘ vertreten. Das neuhochdeutsche Wort Eisen wird über ahd. īsa(r)n; aus urgerm. *īsarnan, und dieses aus gall. *īsarnon hergeleitet, eine illyrische Herkunft gilt dagegen heute als unwahrscheinlich. *isarnan und isarnon setzen sich außer im deutschen Eisen auch in den übrigen germanischen (eng. iron, nordfries. joorn, westfries. izer, ndl. IJzer, ) und keltischen (bret. houarn, kymr. haearn, irisches und schottisches Gälisch iarann, Manx yiarn) Sprachen fort.

Früheste Nutzung von Meteoriteneisen
Bevor die Menschen in den verschiedenen Kulturkreisen lernten, Eisen aus Erz zu gewinnen, nutzten sie das bereits vor der eigentlichen „Eisenzeit“ bekannte und an seinem spezifischen Nickelgehalt von etwa 5 bis 18 % erkennbare Meteoreisen oder auch Meteoriteneisen. Aufgrund seiner Seltenheit war dieses „Himmelseisen“ (altägyptisch: bj-n-pt = „Eisen des Himmels“) entsprechend wertvoll und wurde vorwiegend zu Kultgegenständen und Schmuck verarbeitet. So fand man im Alten Ägypten in zwei Gräbern aus vordynastischer Zeit Schmuckperlen aus Meteoreisen mit einem Nickelgehalt von ca. 7,5 %.[14] Ebenso konnte die schon früh geäußerte Vermutung bestätigt werden, dass ein bei der Mumie des Pharao Tutanchamun gefundener Dolch aus Meteoreisen gefertigt worden war.[15] Die ältesten bekannten Funde aus Meteoreisen stammen allerdings aus Mesopotamien, das von den dort lebenden Sumerern als „urudu-an-bar“ (= Kupfer des Himmels) bezeichnet wurde. Unter anderem wurde in der Stadt Ur ein Dolch mit einer Klinge aus Meteoreisen (10,8 % Ni) und goldbelegtem Griff entdeckt, dessen Herstellung auf eine Zeit um 3100 v. Chr. datiert ist.

Das Schaubild Eisenkohlenstoff

Die Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen wurden bereits, in Kap. 1.2, genauer beschrieben. Da das System Eisen-Kohlenstoff ebenfalls ein Zweistoffsystem ist, gibt es auch hierfür ein Zustandsdiagramm, dieses stellt sich jedoch etwas komplizierter dar als die unter 1.2 beschriebenen Phasendiagramme. Das Zustandsdiagramm ist das Eisen-Eisencarbid-Diagramm, auch Eisen-Kohlenstoff-Diagramm genannt.

Es handelt sich bei den beiden Komponenten dieses Zweistoffsystems um Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Der Teil des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, den wir betrachten, ist jedoch nur ein Ausschnitt aus dem gesamten Zustandsdiagramm. Denn der Teil, der für die Werkstofftechnik interessant ist, erstreckt sich von 0% Kohlenstoff bis 6,67% Kohlenstoff. Der Bereich des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, der über 6,67% Kohlenstoffgehalt (Masseanteil) hinaus geht, wird also nicht betrachtet.

Die folgende Grafik zeigt das Eisenkohlenstoff-Diagramm, danach folgt eine Beschreibung der wichtigsten Bereiche, Punkte und Linien, die darin abgebildet sind.

Zusätzlich zu den unter 1.2.1 genannten und beschriebenen Haltepunkten werden bei Eisen - Kohlenstofflegierungen und bei legiertem Stahle weitere Kennzeichnungen verwendet

Kurzzeichen	Bezeichnung	Bezeichnung D	Bedeutung
Ac1	arrēt chauffage 1	Erwärmung Haltepunkt 1	Temperatur bei der sich bei C-Stählen Austenit bildet
Ac3	arrēt chauffage 3	Erwärmung Haltepunkt 3	Temperatur bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit abgeschlossen ist
Accm	arrēt chauffage cm	Erwärmung Haltepunkt cm	zusätzliche Kennzeichnung zu c, Temperatur bei der Zementit vollkommen in Lösung gegangen ist und nur noch Austenit vorhanden ist
Ac1b	arrēt chauffage 1b	Haltepunkt 1b, auf einer Aufheizkurve	Temperatur bei der sich bei legierten-Stählen Austenit bildet
Ac1e	arrēt chauffage 1e	Haltepunkt 1e, auf einer Aufheizkurve	Temperatur bei bei legierten-Stählen die Perlitauflösung beendet ist

Die Legierungselemente im Stahl

Was ist der Unterschied zwischen Stahl und Eisen?

Stahl ist ein Material, in dem das Gewichtsverhältnis von Eisen grösser ist als jedes andere Element (Legierungselement) und kann bis zu 2,06 % Kohlenstoff enthalten. Die Grenze von 2,06% Kohlenstoff wurde vereinbart als Grenze welche den Stahl vom Gusseisen unterscheidet. Einfach gesagt

• Stahl ist eine Legierung, Verbindung mit Eisen, Kohlenstoff und anderen Legierungselementen mit weniger als 2,06% C
• Eisen (Gusseisen) ist eine Legierung, Verbindung mit Eisen, Kohlenstoff und anderen Legierungselementen mit mehr als 2,06% C

Einfluss der Legierungselemente im Stahl

An keinem anderen Werkstoff lassen sich die Eigenschaften durch Legieren in einem so großen Umfang ändern wie bei Stahl. Der legierte Stahl enthält außer Eisen und Kohlenstoff im allgemeinen mehrere Legierungselemente. Wegen der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Legierungselementen und ihrer nicht additiven Wirkung lassen sich die eingetretenen Eigenschaftsänderungen daher nur in sehr allgemeiner Form angeben. Legierungselemente werden dem Stahl in genauen Mengen zugesetzt, um bestimmte Eigenschaften zu erzeugen bzw. zu verbessern oder unerwünschte zu beseitigen oder zu mildern. Als legiert gelten Stahlsorten, wenn der Legierungsgehalt für wenigstens ein Element die Grenzwerte der nachfolgenden Tabelle erreicht oder überschreitet. Die unerwünschten Beimengungen (Verunreinigungen) wie z. B. Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Stickstoff und die für das Desoxidieren erforderlichen Elemente gelten danach nicht als Legierungselemente.
Die Abgrenzung der unlegierten von den legierten Stählen, ergolgt mit den maßgebenden Gehalten der Legierungselemente nach DIN EN 10020.

Nach DIN EN 10027-1 werden lediglich unlegierte und legierte Stähle unterschieden. Die legierten Stähle teilt man in der Praxis zzt. noch häufig in die niedriglegierten und hochlegierten ein. Diese Festlegung dient aber lediglich dem Zweck einer einfacheren Namengebung und verfolgt nicht die Absicht, den Begriff legierter Stahl festzulegen.

• Unlegierte Stähle
  • Stähle, denen außer zum metallurgischen Prozess erforderlich, keine weiteren Legierungselemente zugefügt wurden
• Niedriglegierte Stähle:
  • Der Gehalt keines Legierungselementes überschreitet 5 %.
• Hochlegierte Stähle:
  • Der Gehalt eines Elementes beträgt mindestens 5 %.

Die nachfolgende Tabelle gibt den max. % Anteil der zulässigen Element im unlegierten Stahl wieder.

Unlegierter Stahl, nach DIN EN 10020

Legierungselemente im Stahl

Nachfolgend die wichtigsten Legierungselemente im Stahl, in alphabetischer Reihenfolge. |- | |}

Einzelnachweise

<references >