Vom Erz zum Werkstoff: Die faszinierende Reise durch die Grundlagen von Eisen und Stahl

Eisen und Stahl sind zwei der wichtigsten metallischen Werkstoffe, die in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, von der Bauindustrie bis hin zur Herstellung von Fahrzeugen und Maschinen. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von Volkswirtschaften und sind die mengenrelevantesten metallischen Werkstoffe[5].

Eisen-Kohlenstoff-System und Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Das Eisen-Kohlenstoff-System ist ein grundlegendes Konzept in der Metallurgie und bezieht sich auf die verschiedenen Phasen und Mikrostrukturen, die sich aus der Kombination von Eisen und Kohlenstoff ergeben. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist ein Werkzeug, das Metallurgen verwenden, um die verschiedenen Phasen und ihre Beziehungen zueinander zu visualisieren. Es zeigt, wie sich die Struktur von Eisen und Stahl ändert, wenn sie auf verschiedene Temperaturen erhitzt oder abgekühlt werden und wie viel Kohlenstoff sie enthalten.

Gefügearten – System Eisen-Eisencarbid

Das System Eisen-Eisencarbid beschreibt die verschiedenen Strukturen, die sich aus der Kombination von Eisen und Kohlenstoff ergeben. Diese Strukturen, auch Gefüge genannt, haben unterschiedliche Eigenschaften und werden für verschiedene Anwendungen verwendet. Beispiele für solche Gefüge sind Ferrit, Austenit, Zementit und Perlit.

Arten der Eisenwerkstoffe und Eisengusswerkstoffe

Es gibt viele verschiedene Arten von Eisenwerkstoffen und Eisengusswerkstoffen, die sich in ihren Eigenschaften und Anwendungen unterscheiden. Beispiele sind Gusseisen mit Lamellengraphit, Gusseisen mit Kugelgraphit, Temperguss, Stahlguss, Hartguss und Gusseisen mit Vermiculargraphit.

Stahl – Allgemeines und Arten

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die durch ihre hohe Festigkeit, Härte und Duktilität gekennzeichnet ist. Es gibt viele verschiedene Arten von Stahl, darunter Baustahl, Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl, Edelstahl, chemisch beständige Stähle, warmfeste Stähle, kaltzähe Stähle und Arbeitsstahl[7]. Jede dieser Stahlsorten hat spezifische Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen geeignet machen.

Stahl – Bezeichnungssystem und Einfluss der Legierungselemente

Das Bezeichnungssystem für Stahl hilft dabei, die verschiedenen Arten von Stahl zu identifizieren und ihre spezifischen Eigenschaften zu verstehen. Die Legierungselemente, die dem Stahl hinzugefügt werden, haben einen erheblichen Einfluss auf seine Eigenschaften. Beispielsweise erhöht der Zusatz von Chrom die Korrosionsbeständigkeit des Stahls, während der Zusatz von Mangan seine Festigkeit und Härte erhöht[7].

Phasenumwandlungen und Eutektikum

Phasenumwandlungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Stahl und Gusseisen. Ein Eutektikum ist ein spezieller Punkt in einem Phasendiagramm, an dem eine flüssige Phase bei einer bestimmten Temperatur und Zusammensetzung gleichzeitig in zwei oder mehrere feste Phasen übergeht. Dieser Prozess ist ein Beispiel für eine eutektische Umwandlung, eine Art von Phasenumwandlung[1][3].

Exkursion: Die Herstellung von Eisen und Stahl hat eine lange Geschichte und hat sich im Laufe der Jahrtausende erheblich weiterentwickelt.

Frühe Eisen- und Stahlherstellung

Die ersten bekannten Anwendungen von Eisen stammen aus Sumer und Ägypten um 4000 v. Chr., wobei das Eisen aus Meteoriten gewonnen wurde[18]. Die alten Ägypter verwendeten auch eine Art von Stahl, der aus eisenhaltigem Meteoritengestein gewonnen wurde, bereits um 5000 v. Chr.[17]. Die Verarbeitung von Eisen zu Stahl begann im Nahen Osten um 1400 v. Chr. und in Europa etwa 600 Jahre später[17]. Die Kelten entdeckten um 800 v. Chr. in Oberösterreich große Eisenerzvorkommen und stellten fest, dass Eisen durch Erhitzen gehärtet werden konnte[17].

Entwicklung der Eisen- und Stahlherstellungstechniken

Die Entwicklung der Eisenerzeugung verlief in vielen Regionen gleichzeitig und nebeneinander in verschiedenen Entwicklungsstufen. Die historische Entwicklung kann anhand der Verhüttungsöfen für die Eisenerze verfolgt werden. Die Reihenfolge der Entwicklung umfasst Rennöfen, Stücköfen, Floßöfen und Holzkohlehochöfen, Kokshochöfen, Direktreduktionsanlagen und Schmelzreduktionsanlagen[16].

Moderne Stahlerzeugung

Seit dem 19. Jahrhundert hat sich die Stahlerzeugung erheblich weiterentwickelt, wodurch das Metall noch wirtschaftlicher und für verschiedene Zwecke verwendbar wurde. Diese Entwicklungen ermöglichten auch eine größere Vielfalt an Stahlsorten und legierten Stählen[21]. Eine wichtige Entwicklung war das Bessemer- oder Thomasverfahren, das Mitte des 19. Jahrhunderts von Henry Bessemer entwickelt wurde. Dieses Verfahren erleichterte die Stahlherstellung, indem es Pressluft einsetzte[19].

Ab 1740 entwickelte Benjamin Huntsman den Tiegelgussstahl, bei dem Stahl unter Einhaltung einer genauen chemischen Zusammensetzung in einen Tiegel gegeben und geschmolzen wurde[22]. Im Jahr 1912 stellten Wissenschaftler fest, dass durch die Legierung von Eisen, Chrom und Nickel rostsicherer Stahl entsteht, was zur Erfindung von Edelstahl führte[17].

Die Stahlindustrie hatte in allen Ländern, unabhängig von ökonomischen Erwägungen, eine enorme politische Bedeutung, da sie neben einem Indikator für die technisch-wirtschaftliche Entwicklung und der Bedeutung für die nationale Sicherheit auch ein Symbol für den industriellen Fortschritt war[22].

Heute wird Stahl in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, von der Bauindustrie bis hin zur Herstellung von Fahrzeugen und Maschinen, und spielt eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von Volkswirtschaften[20].

Die Entwicklung der Qualität von Eisen und Stahl

Die Qualität von Eisen und Stahlhat sich im Laufe der Geschichte erheblich verbessert, was auf eine Reihe von technologischen Fortschritten und wissenschaftlichen Entdeckungen zurückzuführen ist.

Frühe Verbesserungen

Die ersten Verbesserungen in der Qualität von Eisen und Stahl kamen mit der Entdeckung der Eisenverhüttung. Dieser Prozess, der um 1200 v. Chr. im Nahen Osten eingeführt wurde, ermöglichte es den Menschen, Eisen aus Eisenerz zu gewinnen, was zu einem stärkeren und haltbareren Material führte als das zuvor verwendete Meteoriteneisen.

Mittelalter und Frühe Neuzeit

Im Mittelalter und in der Frühen Neuzeit wurden weitere Verbesserungen in der Qualität von Eisen und Stahl erzielt. Zum Beispiel führte die Einführung von Wasserrädern zur Mechanisierung des Schmiedeprozesses, was zu einer gleichmäßigeren und kontrollierteren Wärmebehandlung führte. Dies verbesserte die Härte und Zähigkeit des Eisens.

Industrielle Revolution

Die Industrielle Revolution brachte bedeutende Fortschritte in der Stahlherstellung. Das Bessemer-Verfahren, das Mitte des 19. Jahrhunderts eingeführt wurde, ermöglichte die Massenproduktion von Stahl, der stärker und haltbarer war als das zuvor verwendete Schmiedeeisen. Dieses Verfahren verbesserte auch die Kontrolle über den Kohlenstoffgehalt im Stahl, was zu einer besseren Kontrolle über seine Eigenschaften führte.

Moderne Verbesserungen

Im 20. Jahrhundert führten wissenschaftliche Fortschritte zu weiteren Verbesserungen in der Qualität von Eisen und Stahl. Die Einführung von legiertem Stahl, der durch die Zugabe von anderen Elementen wie Chrom und Nickel zum Eisen hergestellt wird, führte zu Stahl mit verbesserten Eigenschaften, wie erhöhter Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Heute wird die Qualität von Eisen und Stahl weiterhin durch fortgeschrittene Herstellungsverfahren verbessert, die eine präzise Kontrolle über die chemische Zusammensetzung und die Wärmebehandlung ermöglichen. Darüber hinaus ermöglichen moderne Prüfverfahren eine genaue Beurteilung der Qualität des Endprodukts.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Qualität von Eisen und Stahl im Laufe der Geschichte durch eine Reihe von technologischen und wissenschaftlichen Fortschritten erheblich verbessert wurde. Diese Verbesserungen haben dazu beigetragen, Eisen und Stahl zu den vielseitigsten und am häufigsten verwendeten Materialien in der modernen Welt zu machen.

Zukünftige Entwicklungen

Die Stahlindustrie steht vor der Herausforderung, ihre CO2-Emissionen zu reduzieren und nachhaltigere Produktionsmethoden zu entwickeln. Eine Möglichkeit besteht darin, Eisenerze mit Wasserstoff oder Ammoniak zu reduzieren, was zu einer erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen führen könnte[4][6][8]. Es wird erwartet, dass solche Innovationen in der Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen werden.

Insgesamt ist das Thema Eisen und Stahl ein komplexes und faszinierendes Gebiet, das eine Vielzahl von wissenschaftlichen, technischen und industriellen Aspekten umfasst. Es bleibt ein zentraler Bestandteil unserer modernen Welt und wird voraussichtlich auch in Zukunft von großer Bedeutung sein.

 

Quellen