Metallarten und Kohlenstoffstahl: Von der Metallurgie bis zu vielfältigen Anwendungen
Original content link: https://doi.org/10.3389/fmats.2019.00153
Die Entstehung von Metallwerkstoffen geht auf Eisenerz zurück, das tief unter der Erde verborgen ist. Nach der Gewinnung und dem Transport zu Stahlwerken beginnt das Eisenerz seine Schmelzreise. Im Hochofen – der Wiege der Metalle – spielt Koks eine doppelte Rolle: Er liefert Wärme bei hohen Temperaturen und fungiert gleichzeitig als Reduktionsmittel, das mit Oxiden im Eisenerz reagiert. Flussmittel wie Kalkstein helfen, die Viskosität der Schlacke einzustellen und Verunreinigungen effektiv zu trennen. Diese chemische Reaktion führt schließlich zur Bildung von flüssigem Roheisen am Boden des Hochofens, mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 3-5%, was zu einem harten, aber relativ spröden Material führt.
Anschließend wird das Roheisen in einen Konverter überführt, wo es unter Sauerstoffraffination einer Entkohlung und Entfernung von Verunreinigungen mit präziser Kohlenstoffgehaltskontrolle unterzogen wird. In dieser Phase wird der Kernwert des Kohlenstoffs hervorgehoben – er spielt nicht nur eine entscheidende Rolle im Hochofen-Reduktionsprozess, sondern bestimmt auch die grundlegenden Eigenschaften des Endmaterials. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,02-2% werden als Stahl definiert und weisen je nach Kohlenstoffgehalt unterschiedliche Eigenschaften auf: Niedrigkohlenstoffstahl zeigt Flexibilität, mittelkohlenstoffhaltiger Stahl kombiniert Zähigkeit mit Festigkeit, und hochkohlenstoffhaltiger Stahl zeichnet sich durch seine Härte aus.
Nach der Sekundärraffination erstarrt flüssiger Stahl in Stranggießanlagen zu Knüppeln und bildet die Grundlage für die anschließende Präzisionsbearbeitung. Diese Reihe von Schmelzprozessen verwandelt natürliche Mineralien in verschiedene Metallwerkstoffe, die zu Säulen der modernen industriellen Zivilisation werden.
Der Kohlenstoffgehalt dient als Maßstab, der die Identität und Eigenschaften von eisenbasierten Materialien bestimmt. Basierend auf dem Kohlenstoffanteil werden Eisen-Kohlenstoff-Legierungen wie folgt klassifiziert:
Niedrigkohlenstoffstahl (0,02%-0,3%): Weich und leicht zu verarbeiten, wird häufig für Ketten, Bolzen und andere Alltagsgegenstände verwendet./p>
Mittelkohlenstoffstahl (0,3%-0,6%): Erreicht ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit, geeignet für lasttragende Komponenten wie Zahnräder und Schienen.
Hochkohlenstoffstahl (0,6%-2%): Zeichnet sich durch extrem hohe Härte aus und wird hauptsächlich für industrielle Formen verwendet.
Gusseisen (über 2%, typischerweise 3%-5%): Besitzt einzigartige Gießeigenschaften.
Mit den Fortschritten in der Metallurgie hat die Kontrolle des Kohlenstoffgehalts eine extrem hohe Präzision erreicht. In der modernen Stahlproduktion wird kohlenstoffreiches Roheisen durch Konverterverarbeitung mit präzisem Sauerstoffblasen zur Entkohlung unterzogen. Vom Bessemer-Konverter der industriellen Revolution bis zum heutigen Reinsauerstoffkonverter entwickelt sich die Schmelztechnologie ständig weiter und ermöglicht es Stahlwerkstoffen, strenge Anforderungen für verschiedene technische Anwendungen zu erfüllen.
Als Fundament der Stahlindustrie lässt sich die Geschichte des Roheisens bis zu antiken Schmelztechniken zurückverfolgen. In modernen Industriesystemen spielt Roheisen hauptsächlich die Rolle eines Zwischenprodukts – seine einzigartigen kohlenstoffreichen Eigenschaften (3%-5%) machen es zu einem notwendigen Ausgangspunkt für die Stahlproduktion und repräsentieren die wesentliche erste Phase im metallurgischen Umwandlungsprozess.
Roheisen nimmt in der zeitgenössischen Industrieproduktion eine unersetzliche Position ein, wobei über 70% der weltweiten Rohstahlproduktion auf Roheisen als Rohstoff angewiesen sind. Neben der Funktion als Vorstufe zu Stahl wird hochwertiges Roheisen auch direkt in der speziellen Gussproduktion eingesetzt, wobei seine gute Fließfähigkeit und geringe Schrumpfungseigenschaften genutzt werden.
Die Stabilität der Roheisensqualität beeinflusst die nachgelagerte Stahlqualität, weshalb die moderne Hochofenproduktion besonders die Zusammensetzungskontrolle betont. Durch Anpassung der Ofenbeschickungsverhältnisse und Schmelzparameter stellen die Produzenten hochwertiges Roheisen sicher, das strengen Standards entspricht und die Grundlage für die Raffination von Premium-Stahlwerkstoffen bildet.
Die Gusseisenfamilie ist in der Materialwelt einzigartig vielfältig, wobei Graugussformteile und Sphärogussformteile die repräsentativsten Typen sind. Graugusseisen, bei dem Kohlenstoff als Lamellengraphit vorliegt, gewinnt schwingungsdämpfende Fähigkeiten, gute Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete Schneidefähigkeiten. Dies macht es zur idealen Wahl für Präzisionswerkzeugmaschinengestelle, wobei seine Stabilität eine hochpräzise Bearbeitungsqualität gewährleistet.
Die Entwicklung von Sphärogussformteilen gilt als Durchbruch in der Gießereitechnologie. Durch Sphäroidisierungsbehandlung verwandelt sich scharfer Lamellengraphit in abgerundete kugelförmige Formen, wodurch die interne Spannungskonzentration im Material erheblich reduziert und gleichzeitig Festigkeit und Zähigkeit verbessert werden. Diese Vorteile machen Sphäroguss weit verbreitet bei Wasserleitungen, Automobilkomponenten, Zahnrädern und Wellen einsetzbar. Insbesondere ADI (Austempered Ductile Iron) Sphäroguss, der mit Austempern behandelt wird, zeigt eine Verbundstruktur aus Ferrit und Austenit, demonstriert ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit und Verschleißbeständigkeit und wird zum bevorzugten Material für Hochspannungskomponenten.
Die Vielfalt der Stahlfamilie stammt aus den einzigartigen Eigenschaften, die durch unterschiedliche Kohlenstoffgehalte entstehen und zielgerichtete Lösungen für verschiedene industrielle Anwendungen bieten:
Niedrigkohlenstoffstahl zeigt in praktischen Anwendungen ausgezeichnete Plastizität und ist das Hauptmaterial für dünne Blechprägung, Schrauben, Muttern und Baustrukturen. Repräsentiert durch SPCC (JIS-Standard) ist niedrigkohlenstoffhaltiger Stahl besonders häufig in Autokarosserien und Haushaltsgerätegehäusen zu finden.
Mittelkohlenstoffstahl spielt eine Schlüsselrolle in der Konstruktionsmaschinerie, wobei S45C häufig bei der Herstellung von Zahnrädern und Wellenkomponenten eingesetzt wird, die sowohl Stößen als auch Verschleiß standhalten müssen. In der Praxis erfordert diese Art von Stahl normalerweise Härten und Anlassen, um ein ideales Gleichgewicht der mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Hochkohlenstoffstahl hat eine unersetzliche Position in der Werkzeugherstellung. Zum Beispiel wird SK5 (japanischer Standard) häufig für die Herstellung von Schneidwerkzeugen und Klingen verwendet. Nach geeigneter Wärmebehandlung kann er eine hohe Härte über HRC60 und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen, obwohl bei der Konstruktion seine relativ niedrigere Schlagzähigkeit berücksichtigt werden muss.
Die Auswahl von Metallwerkstoffen bildet die Grundlage des Produktdesigns und wird von drei Schlüsselfaktoren beeinflusst.
Materialeigenschaften bestimmen die Funktionalität und Leistung des Produkts – die Festigkeit und Härte von hochkohlenstoffhaltigem Stahl machen ihn für industrielle Formen geeignet; die Druckfestigkeit von Sphäroguss macht ihn ideal für Wasserleitungen; kaltgewalzte Stahlprodukte mit ihren dünnen und präzisen Eigenschaften werden weithin in Autokarosserien und Haushaltsgeräten verwendet; während Gusseisen mit spezifischen Graphitstrukturen die für Werkzeugmaschinen erforderliche Dimensionsstabilität bietet.
Materialverarbeitbarkeit beeinflusst Herstellungsverfahren und Designmachbarkeit – komplexförmige Teile wählen oft Materialien mit guten Gusseigenschaften; die ausgezeichnete Bearbeitbarkeit von hochschwefelhaltigem Stahl macht ihn für Präzisionsbearbeitung geeignet; während mechanischer Niedrigkohlenstoffstahl wegen seiner einfachen Schmiedbarkeit, Schneidbarkeit und Schweißbarkeit bevorzugt wird.
Materialbehandlungstechnologien erweitern die Designmöglichkeiten – Austempern und Härten/Anlassen können die Mikrostruktur von Sphäroguss verändern und seine mechanischen Eigenschaften optimieren; Phosphatierung auf Stahlplatten verbessert die Korrosionsbeständigkeit; während spezielle Innen- und Außenbeschichtungen auf Sphärogussrohren ihre Lebensdauer deutlich verlängern. Die Produktentwicklung muss die Wechselwirkung von Materialeigenschaftsfaktoren berücksichtigen, um Qualitätsprodukte herzustellen, die Funktionalität, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit vereinen.
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