Metall: Innovation startet bei der Produktion
Praktisch jeder Lebensbereich ist auf Metalle angewiesen. Der aus dem altgriechischen Wort μέταλλον (métallon, Bergwerk) abgeleitete Begriff steht für bestimmte chemische Elemente. Deren Atome bilden ein jeweils charakteristisches Raumgitter mit frei beweglichen Elektronen. Auf dieser Struktur beruhen die typischen Eigenschaften von Metallen wie elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität (Verformbarkeit) und metallischer Glanz. Abgesehen von wenigen Ausnahmen, kommen Metalle in der Natur nur in Form von Erzen vor, wo sie mit nichtmetallischen Substanzen verbunden sind. Mit metallurgischen Verfahren werden die metallischen Anteile abgetrennt, aufbereitet und zu Rohmaterial geformt („verhüttet“), das als Halbzeug auf den Markt kommt, um weiterverarbeitet zu werden. Das ebenfalls aus dem Altgriechischen abgeleitete Wort „Metallurgie“ ist gleichbedeutend mit „Hüttentechnologie“.
Die Wahl der Verfahren hängt vom Metall ab. Während schon frühzeitig in der Menschheitsgeschichte Kupfer- und Eisenerze mit Hilfe höherer, durch das Verbrennen von Holzkohle erzeugter Temperaturen verhüttet wurden, gelang es zum Beispiel erst Ende der 1930er Jahre, Titan industriell zu erzeugen.
Eisen und Nichteisen
Metalle werden in Eisenwerkstoffe und Nichteisenmetalle (NE-Metalle) eingeteilt. Zur ersten Gruppe gehören Eisen, Stahl und Gusseisen, zur zweiten unter anderem Kupfer, Aluminium, Titan und deren Legierungen, das heißt Gemenge mit mindestens einem weiteren Metall. Die Wahl eines Metalles für bestimmte Anwendungszwecke hängt von den Eigenschaften und den Herstellungskosten ab. Beispielhaft für den Einsatz von Metallen ist die Automobilindustrie. Gemäß der von der deutschen Wirtschaftsgesellschaft des Kfz-Gewerbes im Jahr 2014 veröffentlichten Broschüre „Chemie am Auto“ haben Stahl und andere Eisenwerkstoffe einen Anteil von mehr als 60% am Gesamtgewicht eines Kraftfahrzeuges; 2% entfallen auf Buntmetalle (wie Kupfer, Zink und Blei), 8% auf Leichtmetalle (Aluminium und Magnesium) und 0,2% auf Sondermetalle wie Gold in elektronischen Systemen und Platin in Katalysatoren. Den zweitgrößten Gewichtsanteil mit rund 19% haben Kunststoffe.
Schlüsselwerkstoff Stahl
Das als „Industriezeitalter“ bezeichnete ausgehende 18. und vor allem das 19. Jahrhundert sind charakterisiert durch viele Entdeckungen und Erfindungen, die sich gegenseitig beeinflussten und zur Industrialisierung beitrugen. Stahl, der jahrhundertelang mühsam mit handwerklichen Methoden hergestellt worden war, konnte durch Neuerungen in der Verhüttungstechnik in großen Mengen erzeugt werden und wurde wegen seiner herausragenden mechanischen Eigenschaften zum „Schlüsselwerkstoff“. Mit Stahl ließen sich Bauwerke wie der Eiffelturm in Paris und Bahnhofshallen errichten, aber auch Schienen, Lokomotiven und Waggons sowie Maschinen, die Energie nutzbar machen. Die ab der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts mögliche Erzeugung von Elektrizität in großen Mengen gab der Entwicklung weitere Impulse. Wegen seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit spielte Kupfer eine immer größere Rolle in der Stromübertragung und trug unter anderem dazu bei, dass das Aluminiumerz Bauxit verhüttet und Aluminium industriell nutzbar gemacht werden konnte.
Mehr als 3.500 verschiedene Stahlarten
Unter Stahl versteht man Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,01 und 2,06 Prozent, die anders als Gusseisen durch Umformen verarbeitet werden können. Die Eisenatome formieren sich je nach Temperatur und Kohlenstoffgehalt zu zwei Arten von Raumgittern, einem kubisch-raumzentrierten oder einem kubisch-flächenzentrierten. Diese Besonderheit hat zur Folge, dass die technologischen Eigenschaften von Stahl durch Wärmebehandlungsmaßnahmen sowie die Zugabe von Legierungselementen in weitem Maße variiert werden können. Nach Angaben der Worldsteel Association, des Dachverbandes der Stahlindustrie, gibt es mittlerweile mehr als 3.500 verschiedene Stahlarten, so dass man zu Recht sagen kann, dass Stahl der mit Abstand am meisten verwendete metallische Werkstoff ist. Ein originelles Modell der Elementarzelle von Eisen (in der kubisch-raumzentrierten Modifikation) ist in der belgischen Haupstadt zu sehen: Das „Atomium“, Wahrzeichen von Brüssel, stellt eine Elementarzelle in 165-milliardenfacher Vergrößerung dar, die Kugeln, acht an den Ecken und eine in der Mitte eines Würfels, repräsentieren die Eisenatome.
Zwei Schritte zum Stahl
Im Jahr 2013 belief sich die weltweite Rohstahlproduktion auf 1,6 Mrd. Tonnen.Die Stahlerzeugung erfolgt in zwei Schritten. Zunächst werden Eisenerze im Hochofen zu Rohstahl verhüttet. Der flüssige Rohstahl sowie Stahlschrott werden dann in Konvertern oder Elektrolichtbogenöfen, wo auch das Legieren erfolgt, zu Stahl verfeinert. Stähle, die in großen Mengen benötigt werden, erhalten ihre Form durch Stranggießen und danach – während der Strang erstarrt – durch Warmwalzen. Auf diese Weise entsteht Halbzeug wie Bandmaterial, Stangen, Profile oder Rohre.
NE-Metalle: Alles außer Eisen
Nichteisenmetalle (NE-Metalle) sind alle Metalle außer Eisen mitsamt Legierungen, in denen Eisen nicht oder nicht als Hauptmetall enthalten ist. NE-Metalle lassen sich wiederum unterteilen, beispielsweise in Bunt- oder Leichtmetalle. Weithin eingesetzt werden Kupfer und Aluminium. Kupfer zeichnet sich durch eine sehr gute Leitfähigkeit für elektrischen Strom und Wärme aus, aber auch durch günstige mechanische Eigenschaften, eine gute Bearbeitbarkeit sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Ungefähr 60% der Kupferproduktion werden in der Energie- und Nachrichtentechnik eingesetzt, Kupfer ist aber auch ein sehr wichtiger Werkstoff für die Installationstechnik. Aluminium hat im Vergleich zu anderen Metallen eine geringe Dichte, verknüpft mit guten mechanischen Eigenschaften und einer hohen Korrosionsbeständigkeit, sowie eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Typische Einsatzgebiete sind der Flugzeugbau und mehr und mehr auch der Fahrzeugbau. Durch Legieren lassen sich die physikalischen Eigenschaften von Kupfer, Aluminium und anderen Metallen in großem Maße verändern.
Innovationsdruck und Tendenzen
Die Anforderungen an metallische Werkstücke wachsen ständig. Da deren Eigenschaften maßgeblich von der Zusammensetzung und dem Gefüge des Ausgangshalbzeugs abhängen, wachsen auch die Anforderungen an die metallurgische Industrie. Die Betriebe arbeiten ständig daran, Verfahren zu optimieren und Werkstoffe weiterzuentwickeln. Eine enge Kooperation mit den nachfolgenden Unternehmen einer Fertigungskette, beispielsweise Gießereien oder Drahtziehereien, aber auch mit Forschungsinstituten und innerhalb von Fachverbänden ist daher immer wichtiger geworden und hilft allen Beteiligten, wettbewerbsfähig zu bleiben. Die metallurgische Industrie muss sich mit wachsendem Innovationsdruck und immer kürzer werdenden Innovationszyklen befassen und ist außerdem gezwungen, Betriebskosten zu reduzieren, wozu ein effizienter Umgang mit den Rohstoffen und der Energie beitragen. In wachsendem Maße müssen auch ökologische Belange berücksichtigt werden. Elektronische Systeme sind unverzichtbar geworden, um die Prozesse überwachen und steuern, aber auch Vorgänge beim Gießen, Abkühlen und Formen simulieren und auf dieser Grundlage optimieren zu können. Großes Augenmerk gilt der Temperaturkontrolle beim Gießen und einer endabmessungsnahen Fertigung. Zum sinnvollen Umgang mit Energie gehört auch, die bei vielen Prozessen entstehende Abwärme zu nutzen. Dies geschieht entweder im selben Betrieb oder, indem sie an benachbarte Industriebetriebe zur dortigen Nutzung weitergeleitet wird.
Metallurgie-Fachmesse METEC 2015
vom 16. bis 20. Juni 2015 in Düsseldorf
Um effizient sein zu können, benötigen Hüttenbetriebe innovative Maschinen, Anlagen, Software-Systeme und vieles weitere. Darüber und über zukunftsweisende Entwicklungen informiert die internationale Metallurgie-Fachmesse METEC, die parallel zu den thematisch verwandten Fachmessen GIFA, THERMPROCESS und NEWCAST unter dem gemeinsamen Motto The Bright World of Metals durchgeführt wird. Das Ausstellungsprogramm umfasst Anlagen und Zubehör zur Herstellung und Aufbereitung von Rohstoffen und Ausgangsstoffen, zur Erzeugung von Roheisen und NE-Rohmetallen, zum Verfeinern („Raffinieren“), Vergießen und Formen von Stahl und NE-Metallen, zum Recyceln und vieles mehr. www.metec.de
