Eisen

Eisenwerkstoffe

Erst relativ spät, im 12. vorchristlichen Jahrhundert nämlich, verbreitete sich im südöstlichen Mittelmeerraum eine Technik, mit der das wenig edle Eisen geschmolzen und als Werkstoff verwendet werden konnte. Von da an haben Eisenwerkstoffe die gesellschaftliche Entwicklungsgeschichte begleitet und entscheidend geprägt. Sie verschafften dem Römischen Reich einen Vorsprung in der Waffentechnik. Die europäischen Alchimisten verwendeten es für ihre Versuche, assoziierten Eisen mit Männlichkeit und gaben ihm das Zeichen ♂.

Im 18. Jahrhundert war die Entwicklung einer Technik zur Verhüttung von Eisen mit Koks der Auslöser für die industrielle Revolution. Maschinen, Eisenbahnen, Kanäle und Hochhäuser wurden durch diesen Werkstoff erst möglich. Heute sind Eisen- und Stahlerzeugnisse die wichtigsten Metallwerkstoffe in der Industrie überhaupt. Die Höhe der Stahlproduktion eines Landes wird daher gerne als Indikator für dessen wirtschaftliches Wachstum verwendet. Lag die weltweite Rohstahlproduktion im Jahr 1990 noch bei etwa 770 Millionen Tonnen, erreichte sie in 2005 einen Wert von 1.132 Millionen Tonnen. Die Volksrepublik China war mit 349,4 Millionen Tonnen absoluter Spitzenreiter unter den stahlproduzierenden Ländern.

Reines Eisen hat eine Dichte von 7,85 g / cm³ und schmilzt bei Temperaturen über 1539 °C. Es wird heute durch Reduktion des Eisenoxids aus Erzen mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen. Diese bis zu 50 Meter hohen Türme werden in abwechselnden Schichten mit Eisenerz und Koks befüllt und von unten befeuert. Die Lagen sinken im Ofen ab, werden durch die aufsteigenden, heißen Dämpfe getrocknet, erwärmt und reduziert. Am Ende des 8 Stunden dauernden Vorgangs wird das flüssige Eisen abgeführt.

Im Hochofen erzeugtes Roheisen enthält eine ganze Reihe von Fremdelementen wie Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor oder Schwefel. Es weist durch den enthaltenen Kohlenstoff eine gegenüber Reineisen reduzierte Schmelztemperatur von 1450 °C auf. Zudem ist es hart und spröde und daher für die Weiterverarbeitung nur wenig geeignet. Eine der Hauptaufgaben eines Stahlwerks ist es daher, die störenden Stoffe zu entfernen und den Eisenwerkstoff durch gezielte Zuführung von Legierungselementen auf die konkrete Anwendung auszulegen. Da in über 90 % aller Metallanwendungen weltweit Eisenwerkstoffe Verwendung finden, werden tausende unterschiedlicher Stahl- und Eisenerzeugnisse angeboten. Alleine in Deutschland sind es mehr als 7.500 Sorten. Das Verfahren, mit dem Fremdbestandteile aus dem Eisen entfernt werden, ist unter der Bezeichnung Frischen bekannt. Insbesondere der Kohlenstoffgehalt wird reduziert, da er für die Verarbeitungseigenschaften von Eisenwerkstoffen entscheidend ist. Stahl enthält zwischen 0,06 % und 2,06 % Kohlenstoff. Es lässt sich sehr gut schmieden und umformend bearbeiten. Deshalb werden Stähle auch als Knetlegierungen bezeichnet. Bei Gusseisenlegierungen übersteigt der C-Gehalt die Grenze von 2,06 %. Sie sind leicht zu vergießen und hart aber auch spröde. Der weitaus größte Teil der Eisenproduktion wird zur Rohstahlerzeugung genutzt.

Eisengusslegierungen

Eisengusslegierungen sind Werkstoffe, die auf Grund ihrer einfachen gießtechnischen Verarbeitung die industrielle Revolution maßgeblich begleitet haben. Gerade in der Architektur haben sie einige bedeutende Bauwerke möglich gemacht. So wurde die weltweit erste „Ironbridge“ in Coalbrookdale (England) im Jahr 1779 aus Gusseisen errichtet. Gründe waren die preisgünstige Verarbeitung und die guten mechanischen Eigenschaften. Auffallend war damals eine Formensprache, die man aus dem Handwerk kannte. Offenbar revolutionierten Eisenwerkstoffe die damalige Welt so rasant, dass die intellektuelle Auseinandersetzung über die weiten Möglichkeitsräume den technischen Entwicklungen um Jahre hinterher lief. Noch heute können wir den Charme der Gründerzeit an den Pfeilern alter Bahnhofshallen erkennen. Andere traditionelle Beispiele für Eisengusswerkstoffe sind Gully- und Kanalisationsdeckel. 

Eigenschaften

Waren früher die mechanischen Qualitäten von Eisengusswerkstoffen ausschlaggebend für Ihre Anwendung, so machen heute vielmehr ihre Dauerfestigkeit und Dämpfungseigenschaften für gewisse Produkte populär. Ihre Eigenschaften werden neben dem Kohlenstoffgehalt (2,06-6,67 %) vor allem durch den Siliziumanteil bestimmt, der in der Regel über 1,5 % liegt. Neben Silizium enthält Eisenguss weitere Legierungsbestandteile wie Chrom, Mangan, Schwefel, Phosphor oder Nickel. Die Dichte von Eisenguss liegt zwischen 7,2 g / cm³ und 7,4 g / cm³ und damit unter dem Wert von reinem Eisen. Unterschieden werden Gusseisen und Temperguss. Sie weisen gute Fließeigenschaften auf, sind sehr hart, aber spröde und regieren auf Schlagbeanspruchungen äußerst empfindlich. Der Kohlenstoff ist im Gusseisen entweder als Lamellen- oder Kugelgrafit eingelagert. Gusseisen mit Lamellengrafit ist wegen der grauen Färbung vor allem als Grauguss bekannt. Die stäbchenförmigen Lamellen geben dem Werkstoff zwar eine gute Gleitwirkung, Wärmeleitfähigkeit und Dämpfungseigenschaft, wirken aber bei Zugbelastung als Kerben (Kerbwirkung), so dass Grauguss nur eine sehr niedrige Zugfestigkeit aufweist (100-350 N / mm²). Gusseisen mit Kugelgrafit ist sehr viel fester (400-900 N / mm²). Allerdings fällt das Dämpfungsvermögen wesentlich geringer aus als bei Grauguss. Temperguss erstarrt wegen seiner besonderen Zusammensetzung vollkommen grafitfrei. Da der Werkstoff direkt nach der Erstarrung noch sehr spröde ist, kann er für technische Anwendungen erst nach einer Wärmebehandlung verwendet werden. Er wird daher zwischen 950-1050 °C über mehrere Tage getempert. Unter den Eisengusswerkstoffen nimmt Stahlguss eine Sonderrolle ein. Er wird in der Regel in Formen gegossen und hat einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,15 % und 0,45 %. Stahlguss verbindet die hohe Härte und Zähigkeit von Stählen mit den sehr guten Verarbeitungseigenschaften von Gusseisen und kommt dann zum Einsatz, wenn Härte und Festigkeit von Grau- bzw. Temperguss nicht mehr ausreichen.

Anwendung

Grauguss ist der gängigste Eisengusswerkstoff. Wegen der sehr guten Dämpfung findet er im Maschinenbau breite Anwendung. Kanaldeckel werden in der Regel aus diesem Material gegossen. Die im Vergleich besseren mechanischen Eigenschaften machen Gusseisen mit Kugelgrafit für Kupplungen, Kurbelwellen, Auto- und Motorenteile geeignet. Temperguss hat sich für dünnwandige Bauteile mit komplexer Geometrie bewährt. Typische Verwendungsbeispiele für Stahlguss sind Schiffspropeller, Turbinen- und Motorgehäuse oder Kranhaken.

Verarbeitung

Wie der Nae schon sagt, lassen sich Eisengusswerkstoffe sehr leicht gießtechnisch verarbeiten. Auf Grund des hohen Kohlenstoffgehalts können allerdings weder Temperguss noch Gusseisen anschließend durch Schmieden oder andere Umformtechniken bearbeitet werden. Nach dem Erstarren in der Gussform ist lediglich die zerspanende Bearbeitung möglich. Schweißarbeiten an Eisengusswerkstoffen sind selten, grundsätzlich aber durchführbar.

Alternativen

Stahlwerkstoffe, Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, Leichtbaumetalle wie Aluminium oder Magnesium