Metallurgie

Metallurgie (ursprünglich gleichbedeutend auch Hüttenwesen) bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren und Methoden zur Gewinnung und Verarbeitung von Metallen.

Der erstmalige Gebrauch des Wortes Metallurgie ist nicht eindeutig nachweisbar, es ist aber eindeutig griechischischen Ursprungs. Der Versuch einer Übersetzung lässt auf eine anerkannte „technische Kunstfertigkeit“ schließen (μέταλλον – métallon „das Gefundene“) und noch nicht auf eine wissenschaftliche Lehre, zu der die Metallurgie erst bedeutend später wird. Sinngemäß übersetzt bedeutet Metallurgie nichts anderes, als „mit Gefundenem (Metall) werken“, ein handwerklicher oder industrieller „Metallwerker“ zu sein, in einem „Metallwerk“ zu arbeiten.

So, wie für die Vergangenheit gilt auch für die Gegenwart, dass sich die Metallurgie nicht allein mit dem Auffinden und Ausbeuten von mineralischen Lagerstätten, sondern auch mit der Entwicklung und Instrumentalisierung von Prozessen zur Weiterverarbeitung des „Gefundenen“ befasst, die zu metallischen Vor-, Zwischen- und Endprodukten führen. Der Blick muss dabei stets auch in die Zukunft gerichtet sein, denn auch traditionsreiche Lagerstätten wie der an Zink reiche Goslarer Rammelsberg oder die hessisch-siegerländischen Eisenerzgruben waren nicht die letzten, in denen sich der Erzabbau eines Tages nicht mehr rentierte. Nahezu parallel zum Verbrauch müssen neue Vorkommen unter Führung inzwischen weltweit prospektierender Konzerne gefunden und aufwändig zur Ausbeutung vorbereitet werden. Eine mit der rasch wachsenden Weltbevölkerung zunehmende Verknappung verfügbarer Rohstoffe verlangt zudem ständig verbesserte, insbesondere energiesparende und Nachhaltigkeit bewirkende Verfahren der Weiterverarbeitung.

Aus alten Erfahrungen und neuen Erkenntnissen ist die Metallurgie zu einer Technologie (Lehre von den angewendeten Techniken) gewachsen und zeigt sich heute als breit gefächerte Wissenschaft, die es schon im 19. Jahrhundert zulassen musste, in überschaubare Teilbereiche aufgegliedert zu werden. Von den Ausgangsstoffen und den Produktionsmengen her gesehen sind Eisenmetallurgie und Nichteisenmetallurgie sicher deren bekannteste.

Den jeweils letzten Stand der Technik sichert den Haupt- wie den Nebendisziplinen nicht nur die eigene Forschung. Unterstützung findet sie bei den Gesamtprozess vom Erz bis zu gebrauchsfertigen Gütern begleitenden Wissenschaften (z. B. Chemie) und Techniken (z. B. Anlagenbau).

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LD-Konverter beim Chargieren von Roheisen

Die Entwicklung metallurgischen Wissens von der ausklingenden Jungsteinzeit bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts

	Zeittafel
bis 12000 v.Chr.	Ausgehendes Neolithikum (Jungsteinzeit), frühe Hochkulturen entstehen, sesshafte Besiedelung, Schmuck aus Edelmetallfunden, Erste Erfahrungen in Metallgewinnung und Bearbeitung
bis 4000 v. Chr.	Kupferzeit (Kupferbeile)
bis 2500 v. Chr.	Frühe Bronzezeit. Vordringen der Bronze aus dem Kaukasus in den mittelmeerischen Raum und nach Ägypten. Beginn der Zeit der Antike
1700–800 v. Chr.	Bronzezeit
bis 1100 v. Chr.	Dorische Wanderung bringt von Norden technischen Fortschritt. Reiterkrieger mit Eisenwaffen setzen sich gegen Bronzeschwerter und Streitwagen durch
bis 800 v. Chr.	Hallstattkultur, Frühe Eisenzeit,erste Eisenanwendungen
bis 500 v. Chr.	Hohe Zeit hellenisch-römischer Antike
bis 450 v. Chr.	Jüngere Eisenzeit, La Tène-Kultur, weiterentwickelte Eisenverwendung
bis 200 n. Chr.	Spätantike Zeit. Fabricae treten zunehmend an die Stelle des Handwerks, auch in der Metallverarbeitung. Rom wandelt sich zu einem christlichen Staat (Kaiser Konstantin)
200–600 n. Chr.	Die Zeit der Völkerwanderung beendet die Spätantike. Rom wird 486 unter den Merowingern zu einer Provinz des Frankenreichs. Zeit des frühen Mittelalters beginnt.

Vom Kupferbeil bis zur Bronzezeit

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Glockenbecher aus Kupfer (2600−1800 v. Chr.)

Die Entwicklung der Metallurgie nimmt im historischen Rückblick ihren Anfang vor etwas mehr als 10.000 Jahren, im zu Ende gehenden Neolithikum, der Jungsteinzeit (siehe auch die "Zeittafel". Neuere Forschungen in Anatolien wollen sogar in 12.000 Jahre alten Siedlungen bereits erste metallurgische Ansätze entdeckt haben. Sie bestätigen die Ansicht, wonach die frühe Metallurgie entscheidend von der Umstellung der nomadisierenden "Jäger und Sammler" zu Ackerbauern und Siedlern mit "festem Herd" anstelle wechselnder offener Feuerstellen bestimmt wurde. Vielleicht begann es mit einem zufälligen Fund, sei es Flussgold Etwa weil gediegenes Metall gefunden wurde, beispielsweise Flussgold aus Gebirgen, oder weil ein sehr metallreiches Erz den damaligen Menschen durch sein Gewicht oder seinen besonderen, vielleicht rötlichen Farbton (siehe Rotkupfererz) aufgefallen war. Es ist auch vorstellbar, dass ein aus solchem Gestein errichteter fester Herd mit natürlichem Zug bei intensivem Gebrauch und Durchsatz harzreicher Hölzer die damals natürlich unbekannten 1000° C erreichte und auf einmal Kupfer, vielleicht sogar schon Legierung ausschwitzte und so metallurgische Überlegungen anregte.

Erste Schmelzöfen werden immerhin bereits für die frühe Kupferzeit Zeit (4500-3500 v. Chr.) nachgewiesen (Kupferbeile. Ihr folgt die "späte Kupferzeit", die um 3000-2500 v. Chr.in die "frühe Bronzezeit" übergeht. In sehr langen Zeiträumen und in sich teilweise überschneidenden Kulturkreisen, aber in deutlicher Anlehnung an lokale und regionale Erzvorkommen (Böhmisches Erzgebirge) entwickeln sich mit der Zeit auch durch Handelsstrassen verbundene Zentren metallurgischer Weiterentwicklung in Mitteleuropa, Südspanien iberisch), England, im Karpatenraum und dem Balkan dem um 3000 v. Chr., also dem Beginn der frühen Bronzezeit Wissen aus dem Kaukasus und aus Anatolien ebenso zufließt, wie es auch nach Mykene, Kreta und Ägyptens mit den dort bereits ausgeprägten Hochkulturen gelangt und in Kunstwerken, wie in der Alltagswelt Eingang findet. Für den Mittelmeerraum gibt Kupfer, griechisch "chalkos" (Chalkidike), bei den Römern "aes cyprium ("Erz aus Cypern") genannt, mit reichen Vorkommen die Grundlage für eine nun umfassende metallurgische Weiterentwicklung, die bereits Bronzeguss hervorbringt, der, wie der Koloss von Rhodos, schon damals zu den "Weltwundern" gezählt wurde. Die Verarbeitung von Gold zu Schmuck war bereits in Troja ("Schatz des Priamos") bekannt. Die Skythen, ein Reitervolk ohne Schrift und Münzwesen, insofern noch keine Hochkultur, stellten ganz außerordentlichen Goldschmuck her, wie man aus ihren erschlossenen Fürstengräbern (Kurgane) weiß. Auch die Kelten verarbeiteten Gold zu Schmuck und Herrschaftsinsignien.Als Mittel zur kontrollierbaren Wertaufbewahrung wird Gold ca. 600 v. Chr. von König Krösus von Lydien zu Münzen geschlagen ("Goldstater") und damit zugleich auch zum Zahlungsmittel. Die aegyptischen Ptolemäergewinnen in vorchristlicher Zeit Gold bergmännisch in golderzführenden "Minen", die Römer beuten die spanischen Silbererzvorkommen aus, um Münzen, Statuen, Gefässe und andere Insignien des Reichtums herzustellen.

Der südostasiatische Raum und China

Auch im europafernen asiatischen Raum (China, Japan) wird seit ca. 8000 v. Chr, bereits Kupfer verarbeitet. Mit dem Ende der „späten Kupferzeit“ werden auch gut bearbeitbare Legierungen (mit erniedrigten Schmelzpunkten) wie Messing erfunden.Um 4000 v. Chr. wird über "städtisches Leben" in Indien und die Verarbeitung von Kupfer und Bronze bereichtet, aus China liegen Zahlen seit 1600 v. Chr. vor. Gut dokumentiert ist der Einfluß der von 1700 bis 1100 v. Chr. herrschenden Shang-Dynastie, auf die man die bronzenen Dong So - Trommeln zurückführt, die um 1000 v. Chr. besonders häufig in Vietnam anzutreffen waren. In der Gesamtschau steht der asiatische Raum mit seinen metallurgischen Kenntnissen nich hinter dem europäischen zurück, wenn auch erst seit 600 v. Chr. von einer beginnenden Eisenzeit gesprochen wird. Um 200 v. Chr. taucht erstmals eine bis dahin in Europa unbekannte, weißglänzende Kupferlegierung "Packfong" auf. Karawanenwege, wie die Seidenstrasse, vielleicht mehr noch der Handel auf dem Seewege beschleunigten den Austausch von Erkenntnissen und aus diesen entstandenen Produkten von nun an zunehmend.

Biblische Überlieferungen

Er wird sitzen und schmelzen und das Silber reinigen;
Er wird die Kinder Levi reinigen und läutern wie Gold und Silber.
Maleachi 3, Vers 3 (Altes Testament)

Schmelzen und Läuterung (Reinigen der Schmelze von Fremdstoffen), sogar Treibarbeit (Entbleiung), werden fachlich korrekt bereits in der Bibel beschrieben und mit (Tubal-Kain 1. Buch Mose 4:22), sowie Maleachi werden frühe Metallurgen mit ihrer zwar überwiegend mit Edelmetallen befassten antiken Metallurgie, die aber auch Gebrauchsgegenstände herzustellen weiß und sogar bereits Eisen kennt und verwendet, beschrieben und auch wie sie es verstanden mit pyrometallurgischen Techniken zu arbeiten, die von den heutigen in ihren Grundlagen nur wenig abweichen.

Von der frühen zur späten Bronzezeit und zum Beginn der frühen Eisenzeit

Wegen des nicht zwischen Kupfer und Bronze differenzierenden Wortes "chalkos"(χαλκὀς), wird die frühe Bronzezeit auch späte Kupferzeit genannt, doch setzt sich die Kenntnis der gezielten Verbesserung von Kupfergegenständen durch Zulegieren von Zinn und auch Zink rasch durch. (Messing als Kupfer-Zinklegierung soll persisch-indischer Herkunft sein). Aus dieser Zeit stammende figürliche Funde beweisen auch die fast gleichzeitige Entwicklung bei Blei.

Bleiglanz, verbreitet vorkommend, chemisch Bleisulfid (PbS), wird zuerst nur als Silberträger gesucht, bei der Reduktion anfallendes Blei gilt als „Abfall“. Der niedrige Schmelzpunkt von nur 334°C führt indessen doch zu vielfältiger Nutzung, sowohl sehr früher figürlicher (Hallstattfunde) als auch täglichen Zwecken dienender (römische Zeit mit Gefäßen, Röhren, Platten). Bleiguss erlangt eine späte Blüte in Denkmälern der Barockzeit wobei die Giftigkeit der beim Schmelzen auftretenden Bleidämpfe sehr lange nicht beachtet wurde.

Zu den „historischen“ Metallen zählt auch Nickel – und seine Entwicklung verdankt sich China, wo unser heutiges „Neusilber um 200 v. Chr. “ erstmals als Nickel-Kupfer-Legierung entsteht und bis heute als Vorläufer aller Bestecklegierungen gilt.

Die langsamen Fortschritte der Eisenzeit

Bereits in der mittleren Bronzezeit ab 1200 v. Chr. begann die allmähliche Verdrängung der Bronze durch Eisen, dessen Gewinnung möglich wurde - wenngleich nach heutigen Maßstäben auf noch recht einfache Weise - weil man man man die erforderlichen Grundprinzipien erlernt hatte. Es war die um um 700 v.Chr. voll ausgeprägte Hallstattkultur, die auch als "frühe Eisenzeit" bezeichnet wird.Kelten, Slawen, Italiker und Illyrer hatten hieran gleichen Anteil. Etwa ab 450 v. Chr. folgt ihr als zweite Stufe die La-Tène-Zeit, eine eisenzeitlichen Epoche, die bis zur Zeitenwende und noch darüber hinaus reicht. Nicht nur Waffen, sondern auch Werkzeuge und Gebrauchsgegenstände werden nun aus Eisen gefertigt. Ein langsamer Fortschritt, denn von in die Zeit um 5000 v.Chr. zurückdatierten Einzelfunden aus Aegypten abgesehen, tragen schon ab 1600 v. Chr. (Hyksos) sich wiederholende Einfälle von mit Eisenwaffen kämpfenden Reitervölkern zur Verbreitung des Eisens bei. Eisen für Waffen gelangt daher auch schon ab 660 v.Chr. auf Handelswegen aus Asien bis nach Nordafrika, findet sich aber erst 700 Jahre später (100 n. Chr. auch im Süden des Kontinents. Die mittelamerikanischen Hochkulturen geben Belege für die Verwendung von Eisen sogar erst für die Zeit um 500 n.Chr.

Überlagerung metallurgischer Epochen durch Herrschaftseinflüsse

Die Darstellung metallurgischer Entwicklung im Zuge von Kulturepochen, die keineswegs abrupt, sondern mit oft langen Übergangszeiten aufeinander folgten, wird überlagert von geschichtlichen Herrschaftsepochen, als deren bekannteste sich als die „Antike“ eingeprägt hat. Ihr Beginn wird etwa um 2500 v. Chr. gesehen und mit der frühen Bronzezeit gleichgesetzt. Deutlicher wird der Einfluß mit dem Beginn der „dorischen Wanderung“ um 1100 v. Chr.in deren Verlauf von Norden kommende "Reiterkrieger mit Eisenwaffen" die bisherigen zweirädrigen Streitwagen und Bronzeschwerter ablösten und nicht nur damit technischen Fortschritt brachten (Balkan- bzw. "Karpatentechnik"). Der bis dahin vorrherrschende kretisch minoische Einfluss, Plätze wie Mykene und Tyrins einschließend, wird nach vielen lokalen und regionalen Kriegen schließlich von der sich über weite Teile des Mittelmeerraumes ausdehnenden (Magna Graecia)hellenisch Antike abgelöst (Tempelbau mit Hilfe von Bronzeklammern und dorischen, jonischen und korinthischen Kapitellen).

Bei Gold und Silber, die aus Funden von gediegenem Metall (Flussgold, Silber und Silbererzadern) stammen, oder auf Handelswegen, wie auch auf Kriegszügen erlangt wurden, verfeinerte man die aus Mykene und Troja überlieferte Kunstfertigkeit bei der Herstellung von ornamentalem Schmuck und von Kultgegenständen. Von grosser Bedeutung waren ab 700 v. Chr. die ersten Münzprägungen und diese nicht ausschließlich aus Gold. Sparta führt um 660 v.Chr sogar Eisen in Barrenform als "Inlandswährung" ein. Die hellenisch bestimmte Antike erreicht einen Höhepunkt um 500 v.Chr., wird dann aber zunehmend vom bereits um 1000 v.Chr. beginnenden Aufstieg der Etrusker und ab 700 v.Chr. von dem Roms bestimmt und dabei bleibt es für fast ein Jahrtausend, in dem es aber immerhin für eine Oberschicht noch lange als vornehm galt, sich "griechisch" zu geben. In der Römerzeit reicht die Bedeutung der Bronze nochmals über figürliche Darstellungen (Standbilder) und Kultgegenstände hinaus. Sie bleibt im Bauwesen bei der Verbindung von Marmorteilen weiterhin unentbehrlich (gegossene oder geschmiedete Bronzeklammern), ferner bei Bedachungen und auch im Wagenbau. Eisen ist in der Römerzeit immer noch vergleichsweise mühsam herzustellen und seine Verwendung beschränkt sich bis in die Zeit der Merowinger (Merowech), die Begründer des die Römer und ihre west- und ostgotischen Nachfolger ablösenden, Frankenreichs, immer noch weitgehend auf Kultgegenstände, Werkzeuge und vor allem Waffen. Berühmt wurde damals der Damaszenerstahl mit seinem lange geheim gehaltenen, besonderen Härtungsverfahren. Die Spätantike fällt in die Zeit der Völkerwanderung vom 2. bis 6. Jahrhundert n.Chr.. Rom wird zu einem christlichen Reich. Noch nicht völlig von der Bronzekultur gelöst (Denkmale) wird es mit seinem nun weströmischen Teil zuerst 476 durch Odoaker und wenig später 486 durch den Merowinger Chlodwig I besetzt und damit der Spätantike genannten Zeit ein Ende gesetzt.

Vom ersten mittelalterlichen Hochofen bis zum Elektrostahlwerk

Europa lag hinsichtlich der "industriell" betriebenen Gewinnung und Verarbeitung, nicht allein von Eisen,damals um einige Jahrhunderte hinter China und sogar Ägypten zurück. Die bei Ausgrabungen in Ägypten gefundenen, vermutlich 5000 Jahre alten, noch gut konservierten Eisengegenstände können hinsichtlich der Art der Eisengewinnung unsicher sein, immerhin ist aus alten, wie neueren Nachschlagewerken zu entnehmen, dass bereits um 1200 v. Chr. den Philistern (Talbewohner im Unterschied zu den bergbewohnenden Israeliten) Kenntnisse in der Eisengewinnung nachgesagt werden können. Wie sahen diese Kenntnisse aber aus und was musste geschehen, um von einem mühsamen gewonnen Eisenklumpen, einer Luppe zur Massenproduktion von Roheisen zu gelangen? Wie gelangt man von einem mittelalterlichen Hochofen zur Technik eines Elektrostahlwerks? Vielleicht verlangt dies ein besonderes Kapitel?

Der metallurgische Weg in die wirkliche Eisenzeit

Bronze kann noch in einem aus Lehm gefertigtem Niederschachtofen mit natürlichem Zug hergestellt werden, die Gewinnung und Verarbeitung von Eisen ist jedoch ohne Einsatz eines leistungsfähigen Blasebalgs nicht denkbar. Nur durch die reichliche Zufuhr von Luftsauerstoff ist eine Temperatursteigerung von für Bronzen ausreichenden 1100°C auf für die Eisengewinnung nötigen mehr als 1600°C möglich. In der Bronzezeit werden immerhin schon in Rennöfen (Rennfeuer), aus einer Mischung von eisenreicheren Erzen, wie Hämatit/Roteisenerz und Holzkohle, und der Luftzufuhr mittels noch sehr einfacher Blasebälge (Rennfrischen) schon so genannte „Luppen“, ungeformte Klumpen aus schmiedbarem (weil kohlenstoffarmem) Eisen gewonnen und besonders für Waffen, Rüstungen und Werkzeuge verwendet. Dieser erste Schritt in die Eisenzeit bringt aber noch keine wirklich nennenswerten Eisenmengen hervor. Eine Verbesserung führt zu den Wolfs- oder Stücköfen, Vorläufern des heutigen Hochofens. Sie liefern auf der Sohle (Boden des Ofens) flüssiges Roheisen, der darüber befindliche „Wolf“ gibt bei Glühen und Frischen Kohlenstoff ab und wird zu Stahl oder schmiedbarem Eisen.

Ofenplattenguss (um 1700)

Von einer im technischen Sinne zu Recht so genannten „Eisenzeit“ wird erst gesprochen, als es im 17. Jahrhundert in den europäischen Ländern erstmals gelingt, mit durch Wasserkraft angetriebenen Blasebälgen, dauerhaft Temperaturen von mehr als 1400°C zu erreichen. Damit ließ sich der erste auf Holzkohle angewiesene Hochofen in Gang setzen, der dann auch Roheisen in nennenswerten Mengen erzeugte, die durch mittelalterliche Büchsenmeister als „Formguss“ zu Geschützen und Kanonenkugeln, später auch zu verschiedenerlei „Gusswaren“ verarbeitet werden (u. a. Siegerländer Ofenplattenguss). Georgius Agricola, Mineraloge, Geologe und Verfasser des für den modernen Bergbau maßgebenden Werks „de re metallica“ mit genauen Beschreibungen und Stichen der damaligen Technik („Fahrkunst“, „Wasserkunst“) öffnet seinen Nachfolgern den Schritt in eine neue und nachhaltige Stufe der „Eisenzeit“.

Historischer Hochofen (um 1700)

Der erste mit Koks (engl. Coakes) betriebene Hochofen nahm 1781 in England den Betrieb auf, 1796 folgte Gleiwitz. 1837 wurden erstmals die heißen Gichtgase nutzbar gemacht (Faber-du-Faur-Verfahren). Da das frühe Roheisen mit bis zu 10 % Kohlenstoffgehalt weder schmiedbar noch schweißbar war, wurden verschiedene Methoden des „Frischens“, also des Kohlenstoffentzugs, entwickelt. Vom historischen Ansatz „Herdfrischen“ ausgehend, über den arbeitsintensiven „Puddelofen“, findet sich eine erste Lösung in dem 1855 von H. Bessemer erfundenen „Windfrischen“, bei dem Pressluft von unten durch ein mit saurer (silikatischer) Masse ausgekleidetes, großes birnenförmiges Gefäß (Bessemerbirne) geblasen wird. Dabei wird vor allem der Kohlenstoff – aber auch andere unerwünschte, oxidierbare Beimengungen des Roheisens, wie (das Prozesswärme liefernde) Silizium, soweit (oxydiert), faktisch verbrannt, dass das so behandelte Eisen nun schmiedbar wird. 1878 wird das Verfahren von Sidney Thomas und Percy Gilchrist durch eine basische Auskleidung der „Birne“ entscheidend verbessert, die auch den Phosphorgehalt reduziert. Mit diesem Verfahren werden die im Eisengehalt niedrigeren Brauneisenerze (30–55 % Fe), zu denen auch die sehr feinkörnig geförderte, lothringische Minette gehört (nur 20–40 % Fe), und deutsches Raseneisenerz (Salzgitter) zu Guss- und Schmiedestahl verarbeitbar. Die im Hochofenprozess im Verhältnis 2:1 überwiegende Schlacke wird – gemahlen – als nun phosphorhaltiges „Thomasmehl“ zum ersten „Kunstdünger“ für die Landwirtschaft. (Ein nächster Schritt ist hier im 20. Jahrhundert die Ammoniaksynthese nach Haber-Bosch). Die genannten Blasstahlverfahren finden ihre letzte Verbesserung mit dem LD-Verfahren, das zum Frischen sehr reinen Sauerstoff einführt.

Der nun schon nahezu klassische Hochofen verliert seine Alleinstellung als Roheisenlieferant für die Stahlerzeugung bereits mit der Einführung des Siemens-Martin-Ofens mit Regenerativfeuerung, weil bei einer Temperatur von 1700°C im „Herdfrischverfahren“ Roheisen zusammen mit oxidhaltigem Schrott zu Stahl wird (Schrottverwertung als erstes Recyclingverfahren). Das Elektrostahl-Verfahren geht noch einen Schritt über das Siemens-Martin-Verfahren hinaus. Schrotte und durch Direktreduktion aus reichen Erzen erzeugter Eisenschwamm (Pellets) werden in einem Lichtbogenofen zu hochwertigem Stahl oder zu Gusseisensorten.

An die Stelle des Hochofenwerks (siehe Duisburg-Meiderich), das in der Regel auf maximalen Durchsatz ausgelegt und daher auch durch einen großen Rohstoffbedarf an gute Infrastrukturbedingungen gebunden ist, tritt besonders in unseren rohstoffarmen Regionen das Elektrostahlwerk (Mini-Stahlwerk), das zum einen kleiner und zum anderen an den permanent anfallenden Rohstoff, Schrott angepasst ist. Die Primärstahlerzeugung wandert daher immer mehr zu den Rohstoffen, wie auch am geplanten Hochofenwerk von ThyssenKrupp in Brasilien gesehen werden kann.

Die Wiederkehr des Kupfers

Seit der Mitte des 19. Jahrhunderts und der einsetzenden Industrialisierung gibt es in Europa auch eine „Neue Zeit“ für Kupfer und Kupferlegierungen: Nicht mehr die Bronzen stehen nun im Vordergrund. Die "Neue Zeit" wird u. a. bestimmt von der neuen Legierung „Gun Metal“ („Kanonenbronze“, für Geschütze genutzt). Auch als Maschinenbronze oder Rotguss bezeichnet, ist sie eine besonders damaligen, militärischen Anforderungen gerecht werdende CuSnZn-Legierung. In gleicher Weise von Bedeutung für den Verbrauch von Kupfer ist auch die Wiederentdeckung des historischen Messings als vielseitige Guss-, wie Knetlegierung (Patronenhülsen, Kartuschen, Drähte, Bleche), Drahtgeflechte aller Art. Aus Messing sind es Leonische Waren) heute ist Messingdraht Grundlage der "Kabelbäume", nach denen die moderne Elektronik nicht nur in Kraftfahrzeugen verlangt.

Der zivile Bereich benötigt mit der Einführung der Telegraphie, später des Telefons, vor allem Kupferdrähte, auch für die Ankerwicklung der von Siemens entwickelten Elektromotoren. Auch für öffentliche und individuelle Heizung und Wasserversorgung (Armaturen) entsteht ein wachsender Bedarf, der sogar noch die Frühzeit des Automobils (Kühler, Vergaser) einschließt. Auch im Schiffbau findet das korrosionsfeste und Muschelbewuchs abwehrende Kupfer unter der Wasserlinie Anwendung, oberhalb dominiert dagegen Messing bei Ausrüstungsgegenständen, Beschlägen und Instrumenten.

Die „Erdmetalle“ kommen

Zu der sich in der Moderne behauptenden „Eisenzeit“, gehört seit dem Ende des 19. Jahrhunderts etwas metallurgisch völlig Neues, die „Erdmetallzeit“. Die Bezeichnung Erdmetalle tragen sie deshalb, weil sie als metallführendes Erz nicht vorkommen, sondern nur in Verbindungen , die als Erden bezeichnet werden. Meist ist dies die oxidische Form, bei Aluminium, dem bekanntesten aller Erdmetalle der Gruppe IIIa des periodischen Systems der Elemente, ist es der BauxitBauxit. Die der gleichen Gruppe angehörenden Seltenerdmetalle sind zwar industriell nicht unbedeutend, aber für die Metallurgie ist Cer in Form seines Mischmetalls das wichtigste Element, weil es auch zur Gefügebeeinflussung, nicht nur von Stählen, verwendet wird.

Bescheiden ist bei Aluminium der Anfang. Friedrich Wöhler reduziert 1828 erstmals Aluminium als ein graues Pulver, obschon es als Element schon 1825 von Hans Christian Ørsted entdeckt wurde. Die Herstellung geschmolzener Kügelchen aus Aluminium gelingt erst 1845. 1854 wird von Robert Wilhelm Bunsen zur Gewinnung nutzbarer Mengen die Schmelzflusselektrolyse vorgeschlagen. Henri Etienne Sainte-Claire Deville stellt es 1855 erstmals in einem Prozess dar und nennt es „Silber aus Lehm“, auch wegen der Kosten. 1886 wird das Verfahren von Charles Martin Hall und Paul Héroult gleichzeitig zu einem Patent angemeldet, das bis heute Grundlage der Aluminiumerzeugung ist und ihm den Weg zu einem Gebrauchsmetall geöffnet hat. Es dauert nochmals 10 Jahre, bis mit Hilfe starker, die Wasserkraft des Rheinfalls nutzender Turbinen die erste Aluminiumhütte der Welt im schweizerischen Schaffhausen den Betrieb aufnimmt. Heute werden weltweit jährlich mehr als 20 Mio t Rohaluminium erzeugt (das energiereiche Russland strebt die Marktführerschaft an).

Die Erdmetallzeit bezieht sich zwar, vom Scandium abgesehen, dem periodischen System gemäß, nur auf Aluminium. Das zur Gruppe IIIa gehörende Bor, als Neutronenbremse in der Nukleartechnik von großer Wichtigkeit, wird bereits nicht als Erdmetall gesehen. Dafür erscheint es aber sinnvoll, andere Elemente beizuordnen, die zwar nicht in die gleiche Gruppe gehören, sich aber vergleichbar darstellen, denn auch sie kommen in der freien Natur nie als Minerale und in Erzlagerstätten vor, sondern nur als chemische Verbindungen, wie Chloride, Silicate, Carbonate. Ein Beispiel ist Magnesium, das sowohl als Chlorid vorkommt (Totes Meer), weitaus reichlicher aber weltweit als Magnesit. Cer und andere Seltenerdmetalle werden aus Monazitsand, einem mineralischen Verwitterungsprodukt, gewonnen. Titan, ist als Primärerz selten und dann als Rutil, Anatas oder Ilmenit, in der Masse wird es aus Ilmenit- und Rutilsanden gewonnen und lässt sich insoweit den Erdmetallen zur Seite stellen. Mit einer Dichte von nur 4,5 wird es auch noch als Leichtmetall gesehen und führt zu dem Schluss, dass mit den Erdmetallen und ihnen erschließungstechnisch verwandten Elementen die „Leichtmetallzeit“ begonnen hat. Als metallurgische Epoche muss sie in jedem Fall gesehen werden, sie bleibt aber nur eine Ergänzung zur noch immer dominierenden „Eisenzeit“, wird diese in einem überschaubaren Zeitraum nicht so verdrängen, wie einst das Eisen die Bronze und diese das Kupfer und das wiederum das Steinbeil und den Faustkeil.

Wo steht die Metallurgie zu Beginn des 21. Jahrhunderts?

Gewinnung der Ausgangsstoffe

Tagebau am Erzberg (Österreich)

„Gediegenes“, also reines Metall, wird selten gefunden und stellt eine seltene Ausnahme dar. Die zu den Geowissenschaften gehörige „Lagerstättenkunde“ (Prospektion) behandelt die Entstehung der Vorkommen, die Wissenschaften rund um den Bergbau beschäftigen sich mit Erkundung und Abbau möglichst „höffiger“ (eine gute Erzausbeute versprechender) Vorkommen - wobei die Technik und Weiterverarbeitung stark vom Metallgehalt der Lagerstätte abhängig ist. Unterirdisch gelegen wird im Stollen abgebaut (historische Beispiele: Silberbergbau am Cerro Rico im bolivischen Potosí bis 1825, heute dort nur noch Kupfer, Zinn und Blei). Bekannt ist auch der historische Goldabbau in Österreich („Tauerngold“). Für Tagebau typische Beispiele finden sich im schwedischen Falun (Blei, Zink, Kupfer), oder in Österreich (Erzberg). Zu den wichtigen offenen Lagerstätten gehören auch Erz oder sogar noch „Gediegenes“ enthaltende, geologisch so bezeichnete „Sande“ und „Seifen“. Es wird zumeist nach der Art ihrer Entstehung unterschieden. Metallurgisch am bedeutsamsten sind die residualen, nach Verwitterung von Umgebungsgestein übrig gebliebenen (z. B. Magnetit oder Magneteisenerz), die alluvialen, von zu Tal gehendem Wasser angeschwemmten (z. B. kalifornische Goldseifen) und die marinen, küstennahen Seifen (z. B. zinnhaltige Seifen Malaysias und Indonesiens mit 30 % Anteil an der Weltproduktion sowie der titan und cer-haltige Monazitsand Westaustraliens). Als „Rückstandsgesteine“, den „Sanden“ nahe stehend, gelten auch die Nickel-Laterit-Erze, die sich geologisch bedingt in niedrigen Breiten finden.

Nachklassisch, da an erst in der Moderne entwickelte Verfahren gebunden, werden der Metallurgie noch zugeordnet:

• die elektrolytische Gewinnung der Alkalimetalle aus dem bergwerksmäßigen Abbau ihrer Chloride und der ebenso betriebene Abbau von Uranpecherz als uranhaltigem Mineral,
• die Gewinnung von Magnesium aus dem Abbau von Magnesit (Australien) über die Zwischenstufe Magnesiumchlorid, das aber auch aus seinem Anteil am Meerwasser zu gewinnen ist,
• der offene Abbau von Bauxit, einem rötlichen Sedimentgestein, das – zu reiner Tonerde umgewandelt – Grundstoff der Aluminiumerzeugung ist,
• der in seinen Anfängen stehende Tiefseebergbau (Manganknollen mit bis zu 27 % Mangan und weiteren Metallen, wie etwa bis zu 1 % Nickel).

Einteilung der Metalle nach metallurgischer Bedeutung

Eine erste, grobe Einteilung geht vom prozentualen Anteil an der Erdkruste (nicht dem NiFe-Erdkern) aus und unterscheidet so Haupt- von Nebenmetallen. Aluminium ist heute ein Hauptmetall, spät als solches erkannt, weil es gleich dem Silizium in der Natur nicht metallisch vorkommt. Das Tonmineral Bauxit (auch als „Aluminiumerz“ bezeichnet), wird zu Tonerde verarbeitet und aus dieser seit dem Ende des 19. Jahrhunderts elektrolytisch Aluminium gewonnen. Zu den Hauptmetallen gehören auch die metallurgisch wie chemisch wichtigen Alkali- und Erdalkalimetalle wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium. Da keines von ihnen in der Natur metallisch, sondern nur in Form zum Teil global großer Vorräte anzutreffen ist, haben wir sie an früherer Stellen, auch wegen der Vergleichbarkeit des Gewinnungsprozesses, den Erdmetallen beigeordnet

Besonders gilt dies auch für Silizium, das uns in mehrfacher Funktion begegnet, ein Halbmetall, das in der Natur nur als Gestein oder Quarzsand (SiO₂) vorkommt, aus dem es in einem elektrochemischen Reduktionsverfahren im Lichtbogenofen mit Kohleelektroden „carbothermisch“ gewonnen wird. Bei gleichzeitigem Zusatz von Eisenschrott entsteht „in situ“ das u. a. für die Stahlberuhigung nach dem Frischen verwendete Ferrosilizium (FeSi). Gleich wie Aluminium und Mangan wirkt es desoxidierend (sauerstoffentziehend).

Bei Aluminium-Silizium-Legierungen bestimmt Silizium die Legierungseigenschaften von Knetlegierungen wie auch Gusslegierungen. Eine zusätzliche Schmelzebehandlung (Feinung/Veredelung) verhindert bei letzteren die nachteilige primäre Grobausscheidung des Siliziums bei langsamer Erstarrung der Schmelzen (Sandguss, Kokillenguss). Bei sehr spezialisierten Kupferlegierungen (Siliziumbronze) ist es ein Legierungsbegleiter und in der Halbleitertechnik hat es eine eigene Position errungen. In einem aufwändigen Verfahren der „Reinstmetallurgie“ hergestellt ist es Grundlage für sogenannte Chips , die in in der Computertechnik unverzichtbar sind. Der deutsche Anteil an der Welt-Produktion ist beachtlich (Chipfertigung: beispielsweise Dresden/„Elbe-Valley“).

Eine andere Art der Einteilung trennt die Schwer- von den Leichtmetallen. Schwermetalle weisen eine Dichte größer 5 kg/dm³ auf. Platin steht mit der Dichte 21,45 kg/dm³ an der Spitze (Eisen 7,86 kg/dm³, Kupfer 8,93 kg/dm³, Zink 7,14 kg/dm³). Bei den Leichtmetallen führt als Leichtestes Lithium mit 0,54 kg/dm³, gefolgt von Magnesium mit 1,74 kg/dm³ und Aluminium mit 2,70 kg/dm³. Titan wird mit 4,5 kg/dm³ als noch zuordenbar gesehen.

Gebräuchlich ist auch eine Einteilung in Basismetalle und Legierungsbegleiter (synonym Begleitmetalle). Hier gelten Kupfer, Eisen, Blei, Zinn, Zink, Nickel – entwicklungsgeschichtlich bedingt – als Basismetalle. Aluminium, Magnesium und Titan werden jedoch inzwischen, von der wirtschaftlichen und metallurgischen Bedeutung her, den Basismetallen zugeordnet.

Als relativ grobe Einteilung wird in der Metallurgie ferner zwischen Eisen- und Nichteisenmetallen unterschieden, was daher rührt, dass die Erstellung und Verarbeitung von Eisen die der anderen Metalle und ihrer Legierungen mengenmäßig bei weitem übersteigt.

Hauptmetalle

Kupferstufe (Rotkupfererz)

Kassiterit (Zinnstein)

Bleierz

Kupfer, als Hauptmetall mit langer Geschichte, wird heute selten als Schwarzkupfer aus dem Erz gewonnen, üblich ist die primäre Gewinnung als in einem elektrolytischem Prozess anfallendes, wasserstoffhaltiges Kathodenkupfer (Blistercopper). Hochrein und sauerstofffrei ist es „Leitkupfer“ für die Elektroindustrie. Gegenüber Witterungseinfluss sehr stabil, wurden in neuester Zeit Kupferbleche auch für Dachbedeckung und Regenrinnen wiederentdeckt. Sie wirken neu dekorativer als feuerverzinkte Eisenbleche. Die mit der Zeit entstehende Patina (Grünfärbung) wurde schon früher geschätzt. Fälschlich als (giftiger) Grünspan bezeichnet, besteht sie aus Kupfersulfat und -carbonat.

Die Masse des verfügbaren Kupfers wird heute zum Bestandteil von Legierungen (die Glockengusslegierung mit 20–24 % Zinn ist übrigens seit Jahrhunderten unverändert. Zusammenfassend werden sie zwar als Kupferlegierungen bezeichnet, aber zwischen Bronzen und Sonderbronzen (vgl. Berylliumbronze), sowie Messingen (Alpha- bzw. Beta-Messing mit 63/58 % Zink), gibt es doch deutliche Unterschiede in den Eigenschaften. Ein leicht erkennbares Beispiel bibt auch das farblich völlig vo, gewohnten Kupferton abweichende „Neusilber“, früher auch als Weißkupfer und noch in neuerer Zeit und nicht nur in seinem Ursprungsland China als „Packfong“ bezeichnet.

Kupfer ist zudem Träger zahlreicher als „Vorlegierung“ in nichteisenmetallurgischen Prozessen zugesetzter Elemente.

Zinn ist seit der Bronzezeit wichtigstes Begleitmetall des Kupfers, als Reinzinn wird es zunehmend seltener verarbeitet (Geschirrzinn, Zinnfiguren). Lötzinn ist eine Zinnlegierung mit einem Schmelzpunkt von mehr als 450°C. Ebenso wie Blei ist Zinn aber unverändert auch wichtiger Bestandteil von Lagerwerkstoffen für (Gleitlager).

Blei ist geschichtlich (Römerzeit) ein Hauptmetall, heute wird es wegen seiner Giftigkeit heute für trinkwasserführende Systeme (Bleirohre) nicht mehr verwendet. Es wird auch mit als Ursache für den Untergang des Römerreichs angesehen )

Blei-Antimon-Legierungen als Schriftmetalle sind als Folge moderner Drucktechnik weitgehend bedeutungslos geworden. Unverzichtbar ist Blei weiterhin noch für Akkumulatoren und für „Bleilagermetall“. Bleibronze ist eine CuPbSn-Legierung, die mit bis zu 26 % Bleianteil ein wichtiges Lagermetall für die Automobilindustrie ist. Blei ist auch ein die Zerspanung begünstigender Zusatz (max. 3 %) bei Messing-Knetlegierungen.

Bedeutend ist es weiterhin als Begleiter von Kupfer-Gusslegierungen (Rotguss auch Maschinenbronze genannt.

Eisen wird zu Gusseisen oder Stahl allein durch seine Begleitelemente (Eisenbegleiter), die besonders bei der Stahlherstellung unverzichtbar sind, mengenmäßig aber Nebenmetalle bleiben. Die bekanntesten sind Mangan (Spiegeleisen mit 50 % Mangan auch als Ferromangan oder FeMn50 bezeichnet als Manganträger), ferner Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Cobalt, Titan, das Halbmetall Silizium (als Ferrosilizium/FeSi zugesetzt) und die Nichtmetalle Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel.

Zink wird als Reinzink mit 0,5 % Kupfer legiert beim Verzinken von Stahl als Korrosionsschutz in großen Mengen verbraucht. Zinkbleche und -bänder aus mit 0,1 % Kupfer oder Titan sehr „niedrig legiertem Rein- oder Titanzink“ werden im Bauwesen verwendet. Ferner ist Zink Basismetall für Feinzinklegierungen mit Kupfer- und Aluminiumanteilen. Als wichtiger Begleiter findet sich Zink bei Kupferlegierungen (siehe oben), insbesondere bei Messing.

Aluminium wird zwar auch als Rein- oder Reinstmetall verwendet, seine eigentliche Bedeutung als Gusswerkstoff wird aber von zahlreichen legierungsbildenden Begleitelementen bestimmt, zu denen auch das Basismetall Kupfer gehört. Alfred Wilm entwickelt 1909 das patentrechtlich geschützte Duralumin (Markenname DURAL), die erste aushärtbare Legierung bestehend aus Aluminium, Kupfer und Magnesium (Al95/Cu 4/Mg 1). Diese Legierung vor allem im Flugzeugbau beispielsweise Junkers/Dessau eingesetzt. Aladár Pácz gelingt 1920 die gefügebeeinflussende „Veredelung“ der eutektischen Aluminium-Silicium-Zweistofflegierung (rechtlich geschützt als ALPAX, SILUMIN) mittels Zugabe von <150 ppm Natrium. Daraus wird im Bereich von 7–13 % Si-Anteil die heute als Formguss meistverarbeitete Legierungsgruppe. Wenig später folgen Aluminium-Magnesium-Legierungen (rechtlich geschützt als HYDRONALIUM, seewasserfest; mit Titanzusatz besonders seewasserfest). Mengenmäßig größte Bedeutung erlangt die universale Knetlegierung AlMg0,5Si0,5 und zahlreiche weitere Legierungen mit Kupfer, Titan, Zink, Mangan, Eisen, Nickel, Chrom u. a., wobei die von den Legierungen verlangten, zunehmend stärker spezifizierten Eigenschaften das/die Begleitelement/e nach Art und Menge bestimmen. Soweit nicht als Fertiglegierung vorliegend, können sie auch einer Basisschmelze als „Legierungsmittel“ oder „Vorlegierung auf Aluminiumbasis“ zugefügt werden.

Begleitmetalle

Der Begriff Begleitmetalle (synonym: Legierungsbegleiter) wird nur bei der Herstellung von Legierungen benutzt. Ihr Anteil beträgt oft nur Zehntelprozente, kann aber auch im zweistelligen Prozentbereich liegen. Beispiele: AlCuTi mit 0,15–0,30 % Titan; AlSi 12 mit 10,5−13,5 % Silizium. Die Werkstoffentwicklung kennt inzwischen nur noch wenige Elemente, beispielsweise radioaktive, die sich nicht dazu eignen, Eigenschaften neuentwickelter Legierungen zu verbessern.

Beispiele für Begleitmetalle sind Phosphor in übereutektischen AlSi-Kolbenlegierungen oder Beryllium, ein Leichtmetall mit einer Dichte von 1,84 kg/dm³, das in Form seiner Dämpfe sehr giftig ist. Beryllium wird für aushärtbare Berylliumbronze für funkenfreie Werkzeuge, als Desoxidationszusatz für Leitkupfer (hier über eine 5 %ige Vorlegierung) und im ppm-Bereich (ebenfalls über Vorlegierung dosiert), bei Aluminiumlegierungen zur Güteverbesserung und bei Magnesiumlegierungen zur Verringerung der Oxidation der Schmelze verwendet.

Metallurgische Grundprozesse

Die im Abschnitt „Gewinnung der Ausgangsstoffe“ hinsichtlich Vorkommen und Gewinnung beschriebenen Elemente verlangen nach dieser, ihrer ersten Prozessstufe eine weitere, die der Aufbereitung, bevor sie durch Verhüttung zu nutzbaren Metallen und Legierungen werden.

Eine primäre Scheidung oder Sichtung wird noch dem Bergbaubereich zugerechnet. Das weitere gilt bereits als „hüttenmännische“ Arbeit. Die erforderlichen Prozessschritte sind dabei so vielfältig wie die Ausgangsstoffe selbst. Grundsätzlich unterschieden wird in trockene und nasse Verfahren mit dem Ziel einer „Anreicherung“ des aus der Grube geförderten „Haufwerks“, d. h. einer möglichst weitgehenden Trennung des werthaltigen, erzreichen vom wertlosen eisenarmen, „tauben“ Material, das als Gangart bezeichnet wird. Für die Trennung wird das Gestein gegebenenfalls durch Mahlen, Sieben, Sichten, auch durch Magnetscheidung weiter zerkleinert. Die weitere Verarbeitung kennt drei Grundtechniken:

Pyrometallurgie

Die Pyrometallurgie umfasst die thermische Weiterbearbeitung, bei der die Metalle entweder unter Sauerstoffzufuhr oxidierend oder in sauerstofffreier Ofenatmosphäre reduzierend erhitzt werden (Rösten, Abrösten). Beigeordnet sind die Feuerraffination (Oxidieren und Verschlacken unerwünschter Elemente), ferner die Seigerung (Entmischung einer Schmelze unter Ausnutzung von Dichteunterschieden innerhalb der Metalle) und die Destillation, bei der unterschiedliche Dampfdrücke zur Trennung in Fraktionen genutzt werden (beispielsweise Zinkgewinnung aus abgeröstetem Zinkerz in Muffelöfen).

Hydrometallurgie

Hydrometallurgie bedeutet ursprünglich Vorbereitung von Erzen zur Verhüttung durch kalte oder warme Trennverfahren (Kalt- oder Heißextraktion) mittels Wasser. Die historische Flotation, weiterentwickelt zur Sink-Schwimmtrennung, ermöglicht, im Abbau gewonnenes Erz weiter anzureichern. Gleichen Zwecken dient das Auslaugen und Auskochen. Auch die Extraktion durch Säuren, Laugen, organische Lösungen und Bakterien gehört noch zur Hydrometallurgie. Durch chemische Fällungsverfahren oder mittels Elektrolyse werden auch aus armen Erzen die mit geringer als 1 % enthaltenen Elemente (z. B. Edelmetalle) gewonnen. Die Hydrometallurgie wird auch als „Elektrometallurgie auf nassem Wege“ bezeichnet.

Elektrometallurgie

Datei:Schmelzflusselektrolyse.png

Schema Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnung von Aluminium

Die Elektrometallurgie umfasst sowohl elektrothermische als auch carbothermische (siehe Siliziumherstellung), ebenso elektrolytische Verfahrenstechnik. Beispielsweise wird bei der Schmelzflusselektrolyse aus einem Tonerde-Kryolith-Gemisch Aluminium an der Kathode freigesetzt (Hall-Héroult-Verfahren). Zum Einsatz kommen dabei eine Kohlewanne für das Gemisch als Kathode und von oben zugeführte, stromführende Anoden. Das heute allgemein angewandte Bayer-Verfahren gewinnt das Aluminium in einem kontinuierlich Prozess der Metallentnahme und Gemischzuführung jedoch nicht direkt aus Bauxit, sondern aus Tonerde, wie der in Tonerdefabriken aufbereitete und getrocknete Bauxit dann genannt wird. Zur Prozesskontinuität gehört auch der fortlaufende Ersatz bei der Elektrolyse des Tonerde-Kryolith-Gemischs verbrauchter Anoden. Die über einige Jahrzehnte den Standard bildende Söderberg-Anodentechnik wird durch das hinsichtlich Energieverbrauch, Anodenerhalt und Ausbeute deutlich verbesserte Pechiney-Verfahren zunehmend abgelöst; bestehende Altanlagen werden stillgelegt oder umgerüstet.

Mittels Schmelzflusselektrolyse eines Chloridgemischs (weil mit Gemischen stets die erforderliche Reaktionstemperatur erniedrigt wird) werden auch die Alkalimetalle aus ihren Salzlösungen gewonnen. Für das zunehmend Bedeutung gewinnende Erdalkalimetall Magnesium schlägt Bunsen bereits 1852 die Elektrolyse im Gemisch mit Flussspat vor. Heute wird es im Prinzip noch auf die gleiche Weise gewonnen, entweder direkt aus natürlichen magnesiumchloridhaltigen Salzen (Carnallit, Bischofit) oder aus dem 0,4 %-Magnesium-Anteil im Meerwasser. Technisch bedeutender ist die bereits genannte Umwandlung von Magnesit (MgCO₃/Bitterspat, große Vorkommen u. a. in Australien) in einem chemischen Prozess zuerst zu Magnesiumchlorid und sich daran anschließender Elektrolyse, die praktisch (seit Bunsens Erkenntnissen) dem Verfahren der Aluminiumgewinnung gleicht (Pionier auf diesem Gebiet: G. Pistor, 1920). Die erste Mengenerzeugung erfolgte im Werk Elektron-Griesheim der IG Farbenindustrie (geschützte Marke „Elektronmetall“) und wurde zur Gefügebeeinflussung von Gusseisen, zu Profilen für Luftfahrzeug-/Luftschiffbau), in der Photographie(Magnesiumpulverblitzlicht), in der Pyrotechnik verwendet. Im zweiten Weltkrieg wurde Magnesium zu einem wichtigen, von Einfuhren unabhängigem Werkstoff für den Flugzeugbau. Heute wird für Leichtbauzwecke im Motoren- und Aggregatebau verbreitet Druckguss aus Magnesiumlegierungen eingesetzt, auch im Hybridverfahren mit Aluminium kombiniert.

Pulvermetallurgie

Der Begriff Pulvermetallurgie wird gelegentlich in der Literatur verwendet, es handelt sich dennoch um keine eigenständige Metallurgie, sondern eine – latent explosionsgefährdete – Technik, geschmolzene Metalle und Legierungen entweder im Flüssigzustand zu Pulver zu verdüsen, oder sie aus dem Festzustand heraus in Feingranulat umzuwandeln. In Pulvermühlen auf die verlangte Feinheit gebracht, werden daraus u. a. Metallic-Lacke hergestellt. Gesinterte Metallpulver werden zunehmend auch im Formenbau (d. h. bei der Herstellung von Werkzeugen –  Formen – für die Massenproduktion) genutzt. Unter hohem Druck lassen sich auch metallische Formteile mit Eigenschaften herstellen, die denen gegossener Teile zumindest gleich sin Magnesiumpulver, besonders in pyrophorem Zustand,kann nicht durch Mahlen sondern wegen der Explosionsgefahr dabei anfallender Stäube nur durch „Abreiben“ von Blockmetall gewonnen werden.

Sekundärmetallurgie

Vornehmlich Stahlwerker wenden diesen Begriff an, der aber weniger eine eigenständige Metallurgie bezeichnet, vielmehr eine ganze Reihe alternativ oder in Abfolge anwendbarer, die Schmelzen verbessernder metallurgischer Maßnahmen umfasst. Von besonderer Bedeutung im Rahmen der so genannten „Pfannenmetallurgie“ ist die Hebung der Stahlqualität, beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums (mit sich daraus ergebender Entgasungswirkung). Einen anderen Weg geht das CLU-Verfahren, auch als Uddeholm–Verfahren bekannt. Durch Düsen am Boden einer Pfanne werden inerte, oder auch reaktive Gase in die Stahlschmelze eingeführt. Bewertend handelt es sich hier lediglich um Sonderformen der Schmelzebehandlung, wie sie auch bei anderen Metallen (z. B. in der Primäraluminiumerzeugung) üblich sind.

Nuklearmetallurgie

Die Nuklearmetallurgie befaßt sich mit den radioaktiven Elementen, deren Bekanntestes heute Uran ist. Es wird mittels hydrometallurgischer Verfahren aus dem uranhaltigen Mineral Pechblende gewonnen. Lange gegenüber dem Radium vernachlässigt, das schon im frühen 20. Jahrhundert für medizinische Zwecke verwendet wurde (Nuklearmedizin), erlangte es seine heutige Bedeutung erst im Laufe des 2. Weltkriegs. In USA wurde in den berühmt gewordenen "Hanford works" erstmals in grossem Maßstab Nuklearmetallurgie betrieben, damals allein zu dem Zweck Plutonium für den Bau einer "Atombombe" herzustellen. Heute ist die Nuklearmetallurgie - umstritten - darauf ausgerichtet, nicht nur Brennelemente für CO2-frei arbeitende Kernkraftwerke zu gewinnen, sondern sich auch mit der Aufbereitung der verbleibenden Rückstände und der sogenannten "sicheren Endlagerung" zu befassen (s. auch bei "Uran").

Verhüttungs- und Weiterverarbeitungstechnik

Metallurgie und Hüttenkunde wurden ursprünglich als synonyme Begriffe gebraucht und die Gewinnung und Aufbereitung der Erze als ein der „Verhüttung“ vorausgehender Prozess gesehen. Der Fortschritt in Technik und Wissenschaft legte eine neue Gliederung nahe, in der die Metallurgie als übergeordnete Wissenschaft sich der Gewinnungs- und Aufbereitungstechnik und diese sich wiederum der Chemie bedient. Im nun enger verstandenen Hüttenwesen – einem Begriff, der stets thermische Verfahren einschließt – wird in weiterer Folge aus den vorbehandelten Einsatzstoffen zu nutzbaren Metallen und insbesondere deren Legierungen gelangt.

Der Arbeitsablauf in einer Hütte besteht in der Regel aus folgenden Schritten:

1. Gattieren (Zusammenstellung des Schmelzmaterials) des Einsatzes, auch unter dem Gesichtspunkt der gewünschten Eigenschaften der Ausbringung.
2. Einmaliges (diskontinuierliches, an die Ofenfassung gebundenes) oder fortlaufendes (kontinuierliches) Chargieren, also Beschicken eines Ofens, mit dann ebenso kontinuierlicher Metallentnahme (Beispiel: Hochofen mit bis zu 5.000 t Roheisen Tagesausstoß oder die kontinuierlich Rohaluminium liefernde Schmelzflusselektrolyse).
3. Erschmelzen des Einsatzes, wiederum entweder chargenweise und mit Chargeneigenschaften oder mittels kontinuierlichem Nachchargieren und Sammeln des erschmolzenen Metalls in einem den Chargen-, nicht aber den Partiecharakter ausgleichenden Mischer. (Beispiel: Drehtrommelofen in der Aluminium-Recycling-Metallurgie.)
4. Schmelzebehandlung durch oxidierend/reduzierendes Raffinieren (siehe Sekundärmetallurgie), Legieren oder Legierungskorrekturen einschließend
5. Vergießen: Einfacher Masselguss oder Weiterverarbeitung (Beispiel: Stahlwerk, das Roheisen entweder zu einfachem Gussstahl oder stranggegossenen Formaten für ein nachgeschaltetes Walz-, Zieh- und Presswerk verarbeitet.)

Eisen

Am Beispiel Eisen ist die Spannweite der „Verhüttung“ besonders sichtbar und das auf der Grundlage des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, auf dem die Eisentechnologie als Wissenschaft aufbaut und sich danach ihre Techniken entwickelt hat.

Befüllen einer Torpedopfanne mit flüssigem Roheisen

Die klassische Eisenhütte erzeugt im Hochofen ausschließlich Roheisen. Er wird dazu mit einem Gattierung genannten Gemenge beschickt, dessen Erzanteil zuvor aufbereitet wurde. Ein Röstprozess oxidiert die Sulfide, die damit einhergehende Erhitzung entfernt weitere flüchtige Bestandteile, auch einen überhöhten Wassergehalt, wie z.B. bei der lothringische Minette. Den für den Hochofengang vorbereiteten, oxidischen, oxidhydratischen oder carbonatischen Erzen (Magnetit, Hämatit, Limonit (Salzgitter), Siderit (Österreich), auch Pyrit-(Schwefelkies)-Abbrände der Schwefelsäureherstellung) werden Zuschläge (Möller) von schlackenbildendem Kalkstein und Koks beigegeben. Bei historischen Hochöfen wurde anstelle von Koks, noch im Umfeld erzeugte Holzkohle eingesetzt. Der Abstich (Ausbringung des erschmolzenen Roheisens) erfolgt im kontinuierlichen Betrieb, d. h. der Ofen erkaltet nie; solange es seine Auskleidung zulässt, wird beschickt und abgestochen. Der Abstich weist sog. Partieeigenschaften auf, wobei unter Partie beispielsweise eine Schiffsladung brasilianischen Eisenerzes mit vom Gewinnungsort bestimmten Eigenschaften verstanden wird. Sie sind es dann auch, die Zuordnung zu einer bestimmten Roheisenqualität bedingen. Es könnte sowohl ein Hämatitroheisen mit mehr als 0,1 % Phosphor oder ein Gießereiroheisen mit bis zu 0,9 % Phosphor abgestochen werden. Außer von der Partiezugehörigkeit werden die Eigenschaften des Abstichs auch von der Erstarrungsart bestimmt. Bei langsamer Abkühlung (Masselguss) entsteht graues Gusseisen, das nach Art der Graphitausscheidung differenziert wird (lamellar, vermikular, sphäroidal). Bei rascher Erstarrung entsteht manganhaltiges, weißes Roheisen; eine Übergangsform ist meliertes Gusseisen. Nicht zur Verwendung als Gusseisen bestimmtes Roheisen wird vom Hochofen zuerst in einen Mischer entlassen und dann an das Stahlwerk weitergeleitet (erstmaliger Flüssigmetalltransport gegen die Mitte des 20. Jahrhunderts in der normalspurigen, 200 t und mehr fassenden, zugleich als Mischer fungierenden „Torpedopfanne“). Hier kann ebenfalls von Charge (englisch Batch) gesprochen werden, nämlich der Beschickung eines Gefässes, einer Pfanne oder eines Ofens mit einer durch das jeweilige Fassungsvermögen bestimmten Menge. Bei der Weiterverarbeitung, die in diesem Falle auch als diskontinuierlich bezeichnet wird, lassen sich jeder Charge kennzeichnende Chargeneigenschaften zuordnen. Die Chargenarbeit hat besondere Bedeutung für das Recycling von zumeist sehr gemischten Schrotten.

Auch im 21. Jahrhundert ist die Erzeugung von Roheisen immer noch Betriebszweck eines „Eisenhüttenwerks“. Die Primärerzeugung im Hochofen hat ihre Alleinstellung bei der Eisengewinnung jedoch seit der Erfindung des Siemens-Martin-Ofens mit Regenerativfeuerung und erst recht seit der Einführung des Elektroofens verloren. Dennoch bleibt die „verbundene Eisenhütte –  auch als „Eisenhüttenwerk“, in Osteuropa (1936 Magnitogorsk) als „Kombinat“ bezeichnet – ein metallurgischer Betrieb zur Erzeugung von Roheisen, Gusseisensorten und Stählen.

Gusseisenwerkstoffe werden aus kohlenstoffreicherem Roheisen gewonnen. Es wird in ein „Masselbett“ geleitet und diese Masseln werden im Kupolofen einer Eisengiesserei- oder auch im Elektroofen geschmolzen und zu Gussteilen verarbeitet. Als Regel werden noch definierter Schrott, eigener Giessereirücklauf und Legierungszusätze beigegeben um die gerade erforderliche Gusseisensorte zu erhalten (siehe auch oben). Für „Leichtbau aus Eisen“ gilt seit Anfang des Jahrhunderts austenitisch-ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit kurz ADI, (Austempered Ductile Iron) als Antwort auf die starke Zunahme von Aluminiumguss bei Automobilmotoren.

Weißer Temperguss (Vergrößerung)

Temperguss ist eine Sonderform des Eisengusses, die als „weißer“ kohlenstoffarmer oder schwarzer kohlenstoffreicherer Temperguss vorkommt. Seine im Vergleich zu Grauguss besseren mechanischen Eigenschaften erwirbt er durch Glühen der in Temperkohle eingepackten Gussteile in regulierbaren, gasbeheizten Temperöfen. Die Verweilzeit bei dort gegebenen, oxidierenden Bedingungen ist teileabhängig. Sie beginnt aber kontrolliert bei 900°C und wird bis zum Temperzeitende auf 750°C abgesenkt. Beispiele für Temperguss sind Fittings, Schlüssel, Zahnräder.

Eine dem Temperguss verwandte Sonderform ist der Hartguss (weißes Gusseisen, niedrig graphitiert), der als Walzenguss (u. a. für Kalt- und Warmwalzwerke) wirtschaftlich bedeutend ist.

Für die Stahlerzeugung ist „ersterschmolzenes“ Roheisen noch nicht nutzbar. Stahl muss schweiß- oder schmiedbar und daher kohlenstoffärmer sein. Er wird deshalb „gefrischt“, d. h. mittels Pressluft- oder Sauerstoffzufuhr so lange oxidierend behandelt, bis der unerwünschte Kohlenstoff verbrannt ist und sein Anteil kleiner als 2 % wird. Es gibt mehrere Verfahren für das Frischen: „Klassisch“ ist das Blasstahlverfahren im Konverter, später wurden in chronologischer Ordnung das Siemens-Martin-Verfahren, das LD-Verfahren (Sauerstofffrischen) und das Elektroverfahren (Lichtbogen- oder Induktionsofen) entwickelt. An das den Kohlenstoff oxidierende (verbrennende) Frischen schließt sich die Entfernung überschüssigen, bereits an Eisen gebundenen Sauerstoffs (Desoxidation, „Beruhigung“) durch Zusatz leicht oxidierbarer Elemente an. Üblich sind Aluminium oder Silizium, dieses als Ferrosiliziums (FeSi), das bei der carbothermischen Siliziumherstellung gewonnen wird (siehe oben). Oxidation und Desoxidation sind von Thermodynamik und Reaktionskinetik bestimmte Maßnahmen, bei denen Chemie und Metallurgie – nicht nur die des Eisens – zusammenwirken.

Sobald sich die behandelte Stahlschmelze beruhigt hat, lässt sie sich durch Zusatz von Legierungselementen auf die künftige Verwendung als Stahl einstellen. Die Sortenvielfalt ist beträchtlich, weil nach Herkunft (Thomasstahl, Siemens-Martin-Stahl, Elektrostahl) sowie Verwendung bzw. Eigenschaften unterschieden wird, beispielsweise hoch und niedrig legierter Stahl, legierter Kalt- oder Warmarbeitstahl, nichtrostender Stahl (NIROSTA mit mehr als 12 % Cr), magnetischer, weichmagnetischer und „nichtmagnetischer“ Stahl u. a. (Vollständige Auflistung z. B. unter „Stahl“ in „Giessereilexikon“).

Die Masse der Stähle („Massenstahl“, wie beispielsweise niedrig oder unlegierter Baustahl) wird zu Walzmaterial, vor allem zu Trägern, Blechen, Bändern, Röhren, Stäben und Drähten). Frühere Grundlage dieser Fertigungen waren in Großkokillen hergestellte Walzbrammen, wobei man Lunkerfreiheit (durch Erstarrungsschrumpfung bedingte Hohlräume) mittels einer exothermen (wärmeabgebenden) Auskleidung der Kokillen herbeiführte, die eine gerichtete und verlangsamte Erstarrung möglich machte. Heute hat das Stranggießverfahren diese Technik weitgehend ersetzt.

Die Stranggießerei ist eine dem Stahlwerk angegliederte Weiterverarbeitungseinheit, in der die Umwandlung von flüssigem zu festem Stahl erfolgt. Dabei kann zwischen mehreren Arten der Umwandlung unterschieden werden, einerseits zwischen kontinuierlich (Strangtrennung mit „fliegender Säge“) oder diskontinuierlich, weiterhin zwischen vertikalem, horizontalem oder Bogenstrangguss und schließlich zwischen einsträngig oder mehrsträngig. Die verschiedenen Produkte werden als Vollguss, auch profiliert, oder als Hohlguss (Röhren) hergestellt. Die weitere Verarbeitung erfolgt entweder nach Vorwärmung (warme Verarbeitung), oder nach Abkühlung (abschreckend, kalte Verarbeitung). Weiterhin unterzieht man sie einer natürlichen oder künstlichen Alterung (Umwandlung des Mischkristallgefüges). Die höchstwertigen Produkte erzielt man mit einer Erwärmung , gefolgt von abschreckender Härtung und nachfolgendem „Anlassen“, d. h. Wiedererwärmen für die Warmverarbeitung im Walzwerk (dazu ausführlicher in „Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens“, Verband deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf).

Wirtschaftlich bedeutend sind besonders die Baustähle (T-, Doppel-T , auch I-Träger, Monierstahl), ferner Schienen, Drähte, Bleche (einseitig verzinnt werden sie zu Weißblech für die Dosenfertigung), dazu kommen zahlreiche Stähle mit besonderen Eigenschaften, u.a. Edelstähle (siehe oben nichtrostender Stahl), Hartstähle (Panzerplatten) für militärische und zivile Zwecke

Spezialstähle (u. a. Ventilstahl, Formstahl) die – von Stranggussmasseln ausgehend – in einer Stahlgießerei zu Gussteilen werden, behandelt man nach dem Guss – hierin gleich anderem Formguss – mittels Wärme, um die Teile zu entspannen und das Gefüge zu verbessern (Entspannungsglühen, Lösungsglühen). Zusätzliche Legierungselemente (Chrom, Nickel, Molybdän, Cobalt) können solchen Stahlschmelzen vor dem Vergießen als Vorlegierungen beigegeben werden. Friedrich Krupp erkannte bereits 1811 den Einfluss festigkeitssteigernder Zusätze (Krupp-Stahl) und führte auf dieser Grundlage die Gussstahlfertigung in Deutschland ein (Geschützrohre sind daher seit 1859 aus Stahlguss).

Aluminium, Magnesium

Metallurgisch gesehen unterscheidet sich die Weiterverarbeitungstechnik von Eisen und Aluminium nicht allzu sehr. Die Nachfrage ist es,die dem einen oder anderen den Vorzug gibt, meistens davon bestimmt, wo es möglich ist, „schweres Eisen“ durch „leichtes Aluminium“ zu ersetzen (siehe auch Eisen), doch soll es genauer ausgedrückt werden.

Bauxit

Als wesentlicher Unterschied zu einer Eisenhütte bezieht eine Aluminiumhütte ihren Rohstoff Tonerde aus einer eigenständigen, auf die Umarbeitung von Bauxit zu calcinierter Tonerde spezialisierten Vorfertigung. Diese wird im Gemisch mit Kryolith in der Schmelzflusselektrolyse eingesetzt und liefert dort kontinuierlich schmelzflüssiges Rohaluminium, das – nur insoweit dem Roheisen vergleichbar – bei Entstehung entnommen und in Großöfen (Mischer) durch chemisch-physikalische Prozessschritte von Verunreinigungen befreit und vereinheitlicht wird. Weit überwiegend wird es zu Legierungen verarbeitet, die ihre spezifischen Eigenschaften durch den Zusatz unterschiedlicher Legierungsbegleiter (siehe oben Begleitmetalle) erlangen, insbesondere durch Silizium, Magnesium und Kupfer; es werden aber, je nach Verwendungszweck, auch weitere Legierungselemente zugesetzt.

Ein Teil der auf diese Weise hergestellten Legierungen wird zur Weiterverarbeitung entweder flüssig in eine Formgießerei verbracht, oder zu Masseln vergossen, was zwar Wärmeverlust bedeutet, aber lange Transportwege und Vorratshaltung ermöglicht. Der größere Teil der Legierungen geht indessen flüssig in eine der Primärhütte angeschlossene Hüttengießerei (cast-house) und wird dort zu Barrenguss. Diese Barren werden heute fast ausschließlich im Vertikal-Stranggießverfahren hergestellt, nach Durchlauf des Flüssigmetalls durch eine Zwischenstufe (SNIF-Box), in der Verunreinigungen ausgespült werden. In der zu den Stranggusskokillen führenden Gießrinne und dem Verteilersystem wird noch (gesteuert) Kornfeinungsdraht aus einer Aluminium-Titan- oder seltener einer Aluminium-Titanium-Bor-Legierung zugeführt. Die Walzbarren erreichen Gewichte bis 40 t, es werden aber auch Rundbarren in Vielfachkokille mit einer Stückzahl, die dem Durchmesser entspricht (achtfach und mehr), abgegossen. Das Gussprodukt ist „Halbzeug“, nach Kaltauslagerung oder Wärmebehandlung in entsprechenden Spezialöfen (dazu mehr im Abschnitt Ofentechnik) werden daraus durch Walzen, Strang- und Rohrpressen, Schmieden und Ziehen Produkte wie Bleche, Folien, Profile oder Drähte. Eine für Bleche und Folien entwickelte, die Zahl der Walzdurchläufe (Stiche) verringernde Gießtechnik ist das Bandgießen, bei der das flüssige Metall in einen regulierbaren Spalt zwischen zwei gegenläufig rotierende, gekühlte Walzen gegossen wird.

Alles metallurgisch zu Aluminium Gesagte kann auf das noch leichtere und deshalb für Luft- und Raumfahrt interessante Magnesium übertragen werden. Das aus der Schmelzflusselektrolyse gewonnene Reinmagnesium lässt sich legieren und kann gleich Aluminium spanlos weiterverarbeitet werden. Da geschmolzenes Magnesium an Luft sehr schnell oxidiert (Magnesiumbrand) wird mit Schutzgasatmosphäre und einem Berylliumzusatz von mehr als 10 ppm geschmolzen. Hauptverwendungsgebiete für Magnesium finden sich in der Eisengießerei als Entschwefelungsmittel bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit und als Legierungszusatz für Aluminiumlegierungen (siehe Duraluminium). Vor allem aber wird Magnesium als Zusatz für seewasserresistente Legierungen eingesetzt, denen seit dem Zweiten Weltkrieg auch Titan zugemischt wird (erste geschützte Bezeichnung war Hydronalium). Nach 1950 wurde solche Legierungen für eloxierbaren Gebrauchsguss –&nbsp benützt (Maschinen für die Lebensmittelindustrie) und das sowohl im Sand-. wie im Kokillengießverfahren. In der weitgehend automatisierten Druckgießtechnik werden sowohl AlMg-Legierungen verarbeitet, als auch Magnesiumlegierungen mit Aluminium und Zink als Begleitelementen( der berühmte VW-"Käfer" enthielt in seiner ersten Konzeption Magnesiumgussteile im Gewicht von mehr als 20 Kg). Nach einem zeitweiligen Rückschritt ist die Bedeutung von Magnesiumgußteilen im Kraftfahrzeugbau wieder stark zunehmend, da Gewichtseinsparungen immer mit verringertem Kraftstoffverbrauch verbunden sind. Eine jüngere Erfindung ist das Hybridverfahren zur "geschichteten Formfüllung" aus magnesiumfreien, wie magnesiumreicheren Legierungen, das sich an thermischer und mechanischer Beanspruchung bestimmter Zonen des Automobilmotors orientiert. Unverändert ist Magnesium in der Pyrotechnik wichtiger Bestandteil aller Feuerwerkskörper.

Kupfer

Die metallurgische Geschichte der Kupfergewinnung, Verhüttung und Weiterverarbeitung ist älter als die des Eisens (s. auch unter "die Wiederkehr des Kupfers). Das vergleichsweise noch junge Aluminium entzieht sich daher dem direkten Vergleich (siehe dazu Historische Entwicklung).

Primäraufgabe einer Kupferhütte ist es, aus Kupfererz reines Kupfer zu gewinnen. Dessen technisch-metallurgische Bedeutung beruht nicht allein auf seiner elektrischen Leitfähigkeit. Kupfer ist die Basis einer Vielzahl wichtiger, schon seit der Antike bekannter Legierungen, wie beispielsweise der Bronzen. Die Glockenbronze in der Zusammensetzung 80 Teile Kupfer, 20 Teile Zinn ist seit dem Guss erster Kirchenglocken im 6. bis 8. Jahrhundert vielleicht die bekannteste aller Bronzen, die zudem in überlieferter Technik vergossen wird (sehr wirklichkeitsnahe Beschreibung bei F. v. Schiller „Das Lied von der Glocke“). Als metallurgisch außerordentlich bedeutsam erweist sich die wiederentdeckte Kupferlegierung Messing. Bei einem unter 1000°C liegenden Schmelzpunkt ist es vielfältig einsetzbar, mit 63 % Kupferanteil, Rest Zink überwiegend für Formguss, mit 58 % Kupfer, bis zu 3 % Blei und Rest Zink vorzugsweise für Walzmaterial (Messingbleche und Profile).

Zu den im 19. Jahrhundert wirtschaftlich bedeutend gewordenen Kupferlegierungen gehört auch Rotguss), eine CuSnZnPb-Legierung, sowie Aluminiumbronze. Mit ca. 10 % Aluminium ist sie ein wertvolles, aber wegen der Oxidationsneigung des Aluminiumanteils schwierig zu verarbeitendes Material für den Guss von Propellern (Schiffsschrauben bis 30 t Stückgewicht). Kupfer-Nickel-Gusslegierungen mit bis zu 30 % Nickel sind sehr seewasserbeständig (Schiffbau). Mit einem Zinkzusatz heißen sie auch Weisskupfer Neusilber (CuNiZn). Bekannt sind sie als Bestecklegierungen, u.a. Alpaka, Argentan, Constantan, historisches Packfong aus China.

Reines Kupfer wird auch heute noch in Flammöfen als Schwarzkupfer aus seinen Erzen auf trockenem Wege gewonnen. Dabei werden alle Fremdelemente durch Oxidation entfernt, gleich dem „Verblasen“ von unedleren Bestandteilen durch Sauerstoffzufuhr in einem Bessemer-ähnlichen Prozess. Die weitere Raffination des Schwarzkupfers erfolgte lange auf fachsprachlich so bezeichnetem deutschem Weg im Schachtofen oder auf englischem Weg im Flammofen. Heute wird Kupfer fast überall nur noch elektrolytisch gewonnen, mit dem Ergebnis eines sehr reinen, aber wasserstoffhaltigen Kathodenkupfers (Elektrolyseprinzip: Wasserstoff und die Metalle schwimmen mit dem Strom). Ein gleiches Ergebnis bringt die Elektrolyse zuvor abgerösteter und schwefelsauer gelöster Erze.

Die Weiterverarbeitung des Raffinadekupfers passt sich analog zu Eisen, aber auch Aluminium den Marktforderungen an. Der Markt verlangt nicht nur Bronzen und Sonderbronzen, sondern weitaus mehr Gussmessing, Sondermessing, Aluminiummessing, besonders als Walz- und Knetmaterial. Dessen Basis sind häufig Messingsammelschrotte (Altmetall) und neue Fertigungsabfälle aus spanloser wie spanender Bearbeitung. Geschmolzen wird im Induktionsofen und die Schmelze in einer Messinghütte entweder zu Masseln oder Barren vergossen, oder aber bei bestehender Einrichtung unter Wärmeerhalt vertikal oder horizontal im Strang vergossen. Eine besondere Fertigung ist die Herstellung von Drahtsträngen auf Properzi-Anlagen.

Edelmetalle

Treibarbeit zur Silbergewinnung

Die mehrtausendjährige Geschichte von Gold und Silber als geprägtes Zahlungsmittel (Goldstücke, Silbertaler) endete, als in den Jahren nach dem 1. Weltkrieg die großen Wirtschaftsnationen den Goldstandard ihrer Währung aufgaben oder aufgeben mussten. Es gab keine Goldmünzen mehr und auch die Silbermünzen verschwanden in den nächsten Jahrzehnten.(Volkswirtschaftliches Axiom: "Schlechtes Geld verdrängt das Gute"). Ein Ausgleich fand sich im Hortungsbedürfnis der Staaten und auch der Privaten. Dazu kam die wachsende Nachfrage nach Edelmetallen für zum Teil ganz neue industrielle Produktionen. Beides sicherte den Betrieb der Minen und die hüttenmässige Weiterverarbeitung. Zu den zunehmend intensiver gesuchten Edelmetallen gehören auch noch Platin und Palladium sowie die gesamte Gruppe der Platinmetalle, mit anscheinend ergiebigen Vorkommen im sibirischen Jenissei-Gebiet, in dem aus tektonischen Gründen – Wirtschaftsmeldungen zufolge – fast alle zukunftsträchtigen Rohstoffe (auch Erdgas und Erdöl) sozusagen „gebündelt“ zu finden sind.

Silbererze, sofern mit Silbergehalten von mehr als 50 %, werden nach Aufbereitung einem nasstechnischen amalgamierenden Verfahren unterzogen. Bei ärmeren Erzen, bei denen Silber nur Beiprodukt ist, wird mit den üblichen Methoden des Röstens, Laugens, Chlorierens und Abtrennens (Treibarbeit) gearbeitet. Scheideanstalten stellen sowohl Edelmetalllegierungen für Schmuck wie für technische Zwecke, besonders in der Elektronik, her; sie trennen aber auch Legierungen oder Gemenge in ihre Einzelbestandteile (u. a. Trennung des Goldes von begleitendem Silber).

Gold wird heute selbst bei Gehalten von nur wenigen Gramm je Tonne abgebauten Materials als ausbeutungswürdig angesehen. Südafrika erzielt im Grubenabbau (Sohlentiefe 900 bis 3000 m) fallweise bis zu 20 g Gold/Tonne. Ein übliches, nicht sehr umweltfreundliches Aufbereitungsverfahren für das gewonnene goldhaltige Erz ist immer noch die Cyanidlaugung.

Weitere Industriemetalle

An erster Stelle ist Zink zu nennen, das im Destillationsverfahren aus abgerösteten Erzen gewonnen wird und der wichtigste Legierungsbegleiter des Messings ist, bei dem der zwischen 42 % und 37 % liegende Zinkanteil an der Kupferbasis über wichtige Eigenschaften der jeweiligen Knet- oder Gusslegierung entscheidet. Aus Sammelschrotten (Altmessing) erschmolzene Knetlegierungen mit 42 % Zink, 1 % Aluminium und bis zu 3 % Blei sind nach Menge und Anwendbarkeit bedeutend, bei den Gussmessingen gilt dies für eine Legierung mit 37 % Zink (Armaturenmessing). Es gibt außerdem zahlreiche Sondermessinge, deren spezifische Eigenschaften durch ein Begleitelement bestimmt werden, außer Aluminium kann das Mangan, Silizium, Nickel, Eisen oder Zinn sein (siehe dazu ausführlicher in der Schriftenreihe des DKI, Berlin). Zink ist auch unverzichtbares Legierungmetall bei Rotguß und vielen Alumium- und Magnesiumlegierungen. Als Legierungsbasis mit Aluminiumanteil ist es - wenn auch nicht ausschließlich - eine viel verwendete Druckgießlegierung.

Eine Reihe weiterer Industriemetalle tritt im Gegensatz zu Zink mehr legierungsbegleitend denn eigenständig auf. Das Superleichtmetall Lithium sucht hier noch nach seiner Stellung als eigenständiges Industriemetall, oder Legierungsbegleiter.

Bei den Kupferlegierungen gilt dies vor allem für Nickel und Zinn. Dabei hat sich das Kupfer härtende Zinn, aus reduzierend verhütteten, oxidischen Erzen gewonnen, nicht nur für die frühzeitlichen Bronzen sondern, mit Antimon gehärtet, bei inzwischen ebefalls schon historisch gewordenen Schriftmetallen bewährt. Das gilt auch für die vor Erfindung des Porzellans verbreitete Nutzung als Geschirrzinn. Zinn bleibt dagegen bis heute Hauptbestandteil der „Weißmetalle“, u. a. des „Britanniametalls“ (eine Sn90Sb8Cu-Legierung).

Nickel erlangte ungeachtet seiner ebenfalls historischen, für China schon vor der Zeitenwende nachgewiesenen Verwendung erst anfangs des 19. Jahrhunderts wieder Bedeutung. Angereicherte Nickelerze wurden in einer auf Erschmelzen des Metalls ausgerichteten Vorstufe der Verhüttung in „Nickelspeise“ (Legierung aus arsenhaltigen Nickelerzen) überführt. Heute wird auch Nickel fast ausschließlich elektrolytisch gewonnen und dann als eigenschaftsbestimmendes Legierungselement eingesetzt (z. B. Chrom-Nickelstähle). Nickel ist auch Begleiter einiger Bronzen, Messinge und hochfester Aluminiumlegierungen. Es gewährleistet Korrosionsschutz (Vernickelung) und bestimmt mit ca. 25 % Anteil die „Silberfarbe“ von Münzen, Besteck und Haushaltsgeräten.

Blei ist mit einem Schmelzpunkt von nur 327°C verarbeitungsgünstig und mittels Oxidation und Reduktion metallisch aus Bleiglanz (PbS) leicht darstellbar. Es wird als Reinblei vorwiegend in Form weichen, flexiblen, zu Blechen gewalzten Materials verarbeitet (Bleiummantelung von Kabeln, Dachabdichtungen). Als Bleirohr ist es, auch mit härtendem Antimon, nur für Abwasserleitungen erlaubt; als Letternmetall ("Bleisatz") wird es kaum mehr gebraucht. Viel verwendet wird es jedoch als Akkublei für Starterbatterien, als Schrotblei, als Bleidruckgusslegierung und in Bleibronzen (Lagermetall im Automobilmotorenbau). Außerordentliche Bedeutung hat Blei seit Jahrzehnten als Schutz gegen Gammastrahlung. Im Umgang mit radioaktivem Material ist Bleiabdeckung (Bleischürze des Röntgenologen) unersetzbar.

In Messing-Knetlegierungen gewährt Blei (bis zu 3 %) gute Zerspanungseigenschaften. Als Legierungsbegleiter in Kupferlegierungen ist Blei erwünscht, obwohl es wegen seiner Dichte zum Ausseigern neigt. Die Verarbeitung von Altblei (Akkumulatoren) wird in spezialisierten Hütten vorgenommen, u. a. weil außer problematischen schwefelsauren Rückständen in den Batterien die oberhalb des Schmelzpunkts (Dampfdruck) einsetzenden Bleidämpfe sehr giftig sind.

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Pechblende (auch Uranpecherz oder Uraninit)

Titan wird nicht nur als Begleiter von Legierungen (z. B. hochfesten Aluminiumlegierungen) oder Spezialstählen, sondern mit seiner die Grenze zu den Leichtmetallen streifenden Dichte von 4,5 auch als Basiselement von Leichtlegierungen eingesetzt. AlTi-, AlTiC und AlTiB-Vorlegierungen finden bei Aluminiumknet- sowie Gusslegierungen zur Gefügebeeinflussung (Kornfeinung) Verwendung.

Uran ist ein giftiges radioaktives (strahlendes) Schwermetall mit der sehr hohen Dichte 19,1, das zur Gruppe der Actinoide gehört. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts von M. Klaproth entdeckt und als Pechblende|Uranpecherz bezeichnet, wird es seitdem bergmännisch gewonnen. Ein bedeutendes Abbaugebiet befand sich bis 1990 in Sachsen (Joachimsthal).

1898 beobachtete (A. H. Becquerel) die Strahlung der Pechblende.Pierre und Marie Curie isolierten darauf die enthaltenen, stark strahlenden Elemente Polonium und Radium . Nicht nur relativ die geringen Anteile dieser Elemente im Uran, sondern der Gehalt an drei natürlichen Isotopen (besonders Uran 235) machen es zum radioaktiven Alphastrahler. Alle radioaktiven Elemente sind mehr oder weniger instabil (Maßstab: Halbwertszeit). Einige zerfallen bereits nach Sekunden, andere erst nach Zehntausenden von Jahren. Endstufe dieses atomaren Zerfalls, der auch die Altersbestimmung von Elementen erlaubt ist stets Blei.

Die jährliche Uranproduktion beträgt ca. 30.000–40.000 t. Die Weiterverarbeitung der dazu geförderten Erzmenge orientiert sich an chemisch-metallurgischen Prinzipien der Laugung, Fällung und Filtration mit dem Zwischenprodukt Yellowcake. Das gewonnene metallische Uran ist unverändert radioaktiv und ohne weitere Behandlung praktisch nur begrenzt nutzbar. Isoliertes Radium (auch die Isotopen) wurde früher in der Strahlenmedizin eingesetzt.

„Abgereichert“ (d. h.in seiner nicht spaltbaren Form, worunter man den Entzug des Isotops 235 versteht), wird Uran sehr unterschiedlich verwendet. In der Rüstungsindustrie sowohl für Panzerplatten, als auch für panzerbrechende Munition. Es dient unter anderem als als Strahlenschutzmaterial, als Stahlzusatz und in der Luftfahrtindustrie.

„Angereichert“ wird Uran genannt, wenn in einem aufwändigen Prozess der Anteil des Isotops 235 auf 2–3% gesteigert worden ist. Damit wird es zum Ausgangsstoff der nuklearen, CO₂–freien Energiegewinnung im Kernkraftwerk. Plutonium entsteht dort als Beiprodukt, es kann jedoch im „nuklearen Kreislauf“ wieder zu Brennelementen verarbeitet werden, aber auch der Herstellung von nuklearen Sprengkörpern dienen.

Recyclingmetallurgie

Eine "Metallhütte" und ein "(Um-)schmelzwerk" unterschieden sich usprünglich sehr klar voneineinaner, heute verwischt dies der Sprachgebrauch häufig und wird dabei durch die technische Entwicklung unterstützt.

In einer Metallhütte wird Metall, sei es Eisen, Kupfer, Zink oder ein anderes Nutzmetall erstmalig dargestellt, im Umschmelzwerk (Umschmelzhütte) wird aus bisheriger Nutzung entlassenes Metall auf- oder umgearbeitet. Aus diesem Unterschied wird -in terminologischer Anlehnung an Beispiele aus anderen Bereichen - einerseits aus der Metallhütte die „Primärhütte“, die eine „Primärerzeugung“ betreibt und ihr Produkt ist „Primärmetall“ und auch Primärlegierungen. Die Umschmelzhütte dagegen wird zur „Sekundärhütte“, die mittels Einsatz von Altmetallen und Schrotten eine „Sekundärerzeugung“ betreibt. Sie stellt „Sekundärmetall“ her und daraus auch „Sekundärlegierungen“. Damit wird von ihr der Anspruch an Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit erfüllt. Es ist keine neuerdings entdeckte Verfahrensweise, Schrott wurde schon immer umgeschmolzen. Heute wird dies moderner als Recycling bezeichnet, auf deutsch gesagt Rückführung in den metallurgischen Kreislauf.

Zwei Kriege haben mit ihrer zeitweisen Knappheit an Primärmetallen die Sekundärmetallurgie der Primären gleichwertig werden lassen. Historisch ist die Entwicklung besonders deutlich bei Kupfer, wo aus einer einstigen norddeutschen „Kupferhütte“ heute eine beide Sparten betreibende Werksgruppe entstanden ist, deren Aufgabenbereiche verzahnt sind. Wo sortenreine Trennung der Kupferschrotte ein blosses Umschmelzen verbietet, greift die Raffinerie mit ihren an der Erzverarbeitung orientierten Möglichkeiten ein. Es ist dann auch normal, dass man zur Wiedergewinnung von Reinkupfer die Begleitelemente der Schrotte "verbläst, also sie oxydiert. Diese Oxyde können, sofern wertvoll genug, durch Reduktion auch ihrerseits zu Metallen werden und in den metallurgischen Kreislauf zurückkehren.

Bei Aluminium ist es seit Jahren üblich, dass Primärerzeuger auch Sekundärlegierungen herstellen, die qualitativ den primären nicht nachstehen, dies aber bei nur 5 % der Energiekosten des Primärmetalls. Internationale, in der Primärerzeugung tätige Konzerne bauen deshalb schrittweise auch ein eigenes Netz von Recycling-Hütten auf.

In Umkehrung ursprünglich gegebener Verhältnisse können die zu „Recyclern“ gewordenen einstigen Umschmelzhütten heute sowohl, Sekundärlegierungen in den Markt bringen, wie auch aus sortenreinen Knetlegierungsabfällen Walzbarren in einer der primären Erzeugung gleichen Qualität gießen und sogar mit zugekauftem primärem Reinaluminium Legierungen herstellen, die als „Primärlegierungen“ bezeichnet werden dürfen.

In der Stahlerzeugung findet das Recycling von Schrotten heute überwiegend im Elektrolichtbogenofen statt.

Zinkschrotte mit dem Hauptbestandteil Zink können wieder zu einer Legierung werden. Häufiger fällt aber verzinkter Eisenschrott an, dessen Zinküberzug durch Erhitzen bis zur Verdampfungstemperatur des Zinks (907°C) freigesetzt, dann durch Abkühlung niedergeschlagen wird, oder man oxydiert den Zinkdampfdurch Einblasen von Sauerstoff zu Zinkoxyd, das als "Zinkgrau" und "Zinkweiß" zur Grundlage von Anstrichen ("Malerfarben") wird.

Ein bedeutender Industriezweig ist die Wiederaufarbeitung von Bleiakkus aller Art, aber mehrheitlich aus Automobilen. Altakkus fallen in grossen Mengen an, können aber nicht wie beliebiger Schrott eingeschmolzen werden, sondern verlangen eine Vorbehandlung, die sie von Säureresten und Ablagerungen befreit. Danach kann daraus entweder einfaches Werkblei werden oder man gelangt über Bleioxyd zu allerdings giftigen Farben (Mennige, Bleiweiß).

Ofentechnik

Datei:RogesaHochofen5.jpg

Hochofen der Dillinger Hütte

Siemens-Martin Ofen von 1895

Die Ofentechnik dient der Erfüllung aller metallurgischen Aufgaben, die sich im Zuge der Verhüttung metallischer Ausgangsstoffe im Rahmen thermischer Prozesse ergeben. Sie ist daher von Bedeutung bei der Bearbeitung von Erzen, wie etwa dem Oxidieren (Röstarbeit) und dem Reduzieren/Desoxidieren durch entsprechende Flammen- oder Ofenführung. Die nächsten Aufgaben stellen sich beim Schmelzen der Metalle Ferner spielt sie eine wichtige Rolle beim Erschmelzen der Metalle, der Vereinheitlichung diskontinuierlich erbrachter Chargen (Mischer), dem Raffinieren und Legieren, dem Vergießen (Warmhalte- oder Gießofen) und der – je nach Legierung und Gießart vorzunehmenden – an den Guss sich anschließenden Wärmebehandlung ((Stoßöfen, Anlassöfen (Blockvorwärmung), Glühöfen (Entspannungsglühen, Austenitisierung von Stahlguss), Temperöfen (entkohlende Gussteilhärtung in Glühkohle)) u. a.

Geschichtlich steht am Anfang der offene Herd, der Erze abröstet und flüssiges Metall erbringt - zu Beginn mehrheitlich Kupfer . Es folgt der geschlossene Herd mit natürlichem Zug oder Luftzufuhr mittels Blasebalg - Schon um 1500 v. Chr. wird aus Theben über relativ große mit menschlicher Kraft bediente zweitaktige (Blasen – Saugen), lederne Blasebälge beim Schmelzen von Metall berichtet. Es geht weiter mit dem frühgeschichtlichen Niederschachtofen, der sich mit immer besserer Gebläsewindzuführung zum Hochschachtofen (Hochofen) mit immer grösser werdendem Gestelldurchmesser und sich daraus ergebenden Beschickungsmengen von einigen tausend Tonnen weiterentwickelt. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze gilt damit indessen als erreicht und die Technik wendet sich wieder verstaärkt dem Siemens-Martin-Ofen und den Elektroöfen zu, weil sie die Möglichkeit bieten, Stahl nicht nur aus Roheisen, sondern auch aus Schrotten zu erzeugen, diese damit zugleich regenerierend (s.a. Recyclingmetallurgie) und das "Frischen" den Rostanteilen des Schrotts überlassend (Rost, auch exakt Fe2O3, ist sauerstoffabgebend. Der Elektro-Niederschachtofen, als Lichtbogenofen ausgelegt. liefert sogar aus Erz-Pellets und Kohlenstoff als reduzierender Zugabe Elektro-Roheisen im Direktreduktionsverfahren.

Vom Hochschachtofen abgeleitet ist der [[Kupolofen] (cupola, lateinisch Kuppel) als Giessereischachtofen für die Herstellung von Eisenguss (Grauguss). Eine Seitenlinie stellt der brennstoffbeheizte Heißwind-Kupolofen dar, weil er als "kleiner Hochschachtofen" die Bedürfnisse der Eisengiessereien nach schnellem Wechsel unter den gerade zu verarbeitenden Gusseisensorten befriedigen kann.

Allen Schachtofensystemen Schachtofensystemen ist ursprünglich gemeinsam, dass Schmelzgut, Schlackenbildner (Kalkstein) und Brennstoff in direktem Kontakt stehen. Eine Weiterentwicklung führt zu Öfen, bei denen eine heisse Flamme, die oxydierend oder reduzierend eingestellt werden kann (Flammofen) über das brennstofffreie Schmelzgut streicht, oder überhaupt keine Flamme mehr, sondern nur noch heiße Verbrennungsgase darauf einwirken. Andere Systeme nutzen von der Ofendecke abgestrahlte Wärme, (auch durch in dieser eingelassene Heizwiderstände) zum Erhitzen de Schmelzgutes ("Deckenstrahlheizung"). Der Ofenraum ist nun eine geschlossene Wanne (Wannenofen) oder ein drehbarer Zylinder (Drehtrommelofen, Kurztrommelofen. Ein schon recht früh vollzogenerEntwicklungsschritt war es, die heißen Verbrennungsgase stat ins Freie , durch einen Rekuperator alsa Wärmeübertrager zu schicken. der die Gebläseluft energiesparend vorwärmt. Beispiel sind hier die Winderhitzre, auch Cowper genannt bei Hochöfen und der der heute so gut wie nicht mehr eingesetzten Siemens-Martin-Ofen-Technik mit Regenerativfeuerung Nächster ist es, die heißen Verbrennungsgase statt ins Freie, durch einen Rekuperator (Wärmeübertrager) zu leiten, der die Gebläseluft vorwärmt (beipielgebend: Winderhitzer/Cowper bei Hochöfen und Siemens-Martin Ofen mit Regenerativfeuerung).

Unterschieden wird grundsätzlich zwischen brennstoffbeheizten Öfen (Holz, Kohle/Koks, Öl, Gas) und elektrisch beheizten Öfen wie Widerstandsöfen, Induktionsöfen mit Netz- (NF) oder Mittelfrequenz (MF) oder Lichtbogenöfen (direkt oder indirekt erhitzend) mit Graphitelektrode. Das Fassungsvermögen der unterschiedlichen Systeme ist der Fertigungsaufgabe angepasst.

Vorgaben des Umweltschutzes begünstigen zunehmenbd die elöektrisch beheizten Öfen . In modernen Elektroöfen wird die Schmelze entweder in einem bestimmten Ofenbereich (Rinne) erhitzt oder die Schmelze selbst wird zur Sekundärspule, die rein induktiv von einem außen liegenden, verbreitet niederfrequentem (NF) Primärstromkreis erhitzt wird. Induktionsöfen dieser Art sind als Schmelz-, Speicher- oder Warmhalteöfen einsetzbar.

Bei der Stahlerzeugung gilt der mit Gleichstrom arbeitende Ofen inzwischen als letzter Stand der Technik.

Für geringere Metallmengen (bis 750 kg) sind brennstoff- oder widerstandsbeheizte Tiegelöfen mit Deckel noch weit verbreitet, besonders für die Herstellung von Formguss. Heizwiderstände im Ofeninneren, die den Tiegel umgeben, liefern die zum Schmelzen erforderliche Wärme. In Tiegelöfen wurden lange, als Schmelzgefäß handgefertigte, „klassische“ Ton-Graphittiegel („hessische Tiegel“) eingesetzt, bis sich isostatisch gepresste Siliciumcarbidmassen als haltbarer erwiesen.

Eine Besonderheit sind die Muffelöfen, mittels derer ausschließlich Zink gewonnen wurde. Der Name kommt von den reihenweise in diesen Öfen beisammenstehenden "Muffeln", speziellen, den Schmelztiegeln verwandten Tongefässen.

Den heutigen Stand der Technik geben die größeren NE-Metallgießereien vor. Die von ihnen benötigten Metallmengen in täglich zwei- bis dreistelliger Tonnenzahl werden von einer den Gieß- oder Schöpföfen vorgelagerten, eigenen Schmelz- oder Umschmelzhütte als Flüssigmetall zu den von Hand oder automatisch bedienten Schöpf- und Warmhalteöfen angeliefert (siehe auch Flüssigmetalltransport). So beschickt müssen es nicht immer Tiegelöfen sein, auch tiegellose Systeme werden eingesetzt. Die zentrale Schmelzanlage einer grossen Giesserei kann ein Drehtrommelofen, ein Kurztrommelofen, ein Niederschachtofen mit Abschmelzbrücke, oder ein Induktionsofen sein.

Bei Magnesiumschmelzen sind wegen der oxidativen Reaktion mit Eisen nur geschlichtete Eisentiegel zugelassen.

Bei der Herstellung von Aluminiumlegierungen wird, was die Öfen betrifft, zwischen den Primärerzeugern, die selbst Rohaluminium elektrolytisch gewinnen, und den Sekundärerzeugern, auch Umschmelzhütten oder -werke genannt, unterschieden. Zwar bedienen sich beide des Chargenunterschiede ausgleichenden Mischers mit bis zu 30 t Fassung, der auch Raffinieren und Legieren zulässt, und übergeben von ihm aus entweder Flüssigmetall an eine angeschlossene Gießhütte (cast-house) oder leiten es flüssig an Formgießereien weiter. Der eigentliche Unterschied liegt indessen in der Technik der für das Recycling bestimmten Schmelzanlage. Nach geltendem Stand der Technik leitet sie das Schmelzgut über eine dem Schmelzofen vorgeschaltete Abschmelzbrücke, auf der alles höher schmelzende, vornehmlich Eisenteile, liegen bleibt und vor einer Kontaminierung der Schmelze, etwa durch einen überhöhten Eisengehalt, entfernt werden kann. In der Regel erfolgt aber zuvor bei den Sekundärerzeugern noch eine Sortierung und Aufbereitung, etwa durch (Magnetscheider), bevor das aus vielen Quellen kommende Altaluminium werterhaltend geschmolzen werden kann. Die Schmelzen selbst unterliegen einer mit der Primärerzeugung zu vergleichenden Behandlung, wobei sich das Legieren in Anbetracht der bereits vorhandenen, erhaltungswürdigen Legierungselemente oft auf Korrekturen beschränken kann (s. auch unter "Recyclingmetallurgie").

zur ökonomischen Bedeutung der "Metallurgie" als Wirtschaftszweig

Da Metalle stets zum Zweck der Weiterverarbeitung gewonnen werden, auch wenn sie zeitweilig als Wertaufbewahrungsmittel galten und noch gelten (Gold), wächst die wirtschaftliche Bedeutung der Metallurgie mit zunehmender Entfernung von der Primärstufe ihrer Gewinnung. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Beschäftigtenzahlen in einem umfassend "Metallindustrie" genannten Bereich, als auch für die Wertschöpfung, den sogenannten Veredelungseffekt.

Eine Gesamtdarstellung der Zusammenhänge übersteigt den hier gesetzten Rahmen, aber auch Einzelzahlen lassen es zu, die Metallurgie als überaus bedeutenden Wirtschaftsfaktor zu erkennen. Unverkennbar ist indessen, dass sich viele metallerzeugende und metallverarbeitende Prozesse zunehmend zur Automatisierung und Roboterisierung anbieten. Das bedeutet, daß die Gesamtbeschäftigtenzahl nicht zugleich mit dem Wachstum der Produktion zunimmt, vielmehr stagnieren, tendenziell sogar leicht zurückgehen kann. Die Arbeitsproduktivität steigt in diesem Fall gegenläufig.

In Europa nimmt Deutschland noch eine gute Position ein. Die Stahlerzeugung der EU 25 wird für 2006 mit 198 Mio. t angegeben, der deutsche Anteil beträgt 23.6%, damit wird weltweit der 6. Rang erreicht. Das Wachstum ist allerdings auf längere Sicht mit nur 1% p.a. nur schwach. Als Vergleich China: Stahlerzeugung wird für 2006 mit 666 Mio. t angegeben, die Wachstumsrate mit 8%.

Zur Stahlverwendung in Deutschland geben letzte Quartalszahlen aus 2006 Aufschluss. Es wurden produziert: 30.36 Mio.t Roheisen, 47.2 Mio.t Rohstahl (davon wurden 45.5 Mio.t zu Strangguss für die Warmverwalzung zu Flach- und Langstählen, 14.6 Mio.t wurden zu Edelstahl.

Die deutschen Eisen-,Stahl- und Tempergiessereien melden für das Gesamtjahr 2006, dass in 265 Betrieben mit 44.000 Beschäftigten 4.5 Mio t Guss mit einem Produktionswert von 7,2 Milliarden € erzeugt wurden, davon 57.2% als Eisenguss, 36.8% als Temperguss, ferner 4.8% Stahlguss und 1.2% Temperguss.

Bei Aluminium ist Deutschland als Primärerzeuger von nur noch gut 330.000 t p.a. aufgrund der hohen Energiekosten weit zurückgefallen. Der deutsche Bedarf von >2.6 Mio.t p.a. wird durch Einfuhren und eine hohe Recyclingquote gedeckt. Bei Aluminium, wie bei allen NE-Metallen wird von den Verantwortlichen gewarnt "vor den ökonomischen Folgen forcierter Klimapolitik und einem Bruch der Wertschöpfungskette der Metallindustrie aus Mangel an primären und sekundären Vorstoffen". Zum Vergleich: Die USA erzeugten 2005 2.5 Mio. t Rohaluminium, Russland 3.65 Mio. t, China 7.2 Mio.t. Alle anderen Erzeugerländer (Deutschland eingeschlossen) brachten es auf 8.3 Mio t. London Metal Exchange (LME) erklärt dazu, daß die Bauxitvorräte der Welt dennoch bis weit in das 21. Jahrhundert reichen.

Im Bereich Kupfer meldet Deutschlands grösste Kupferhütte für 2005/2006 bei 3200 Beschäftigten die Erzeugung von 551.000 t Kathodenkupfer, 423.000 t Kupferdraht, 450.000 t Halbzeug. Als Nebenprodukte der Raffination wurden auch noch 985 t Silber und 35 t Gold gewomnnen.

Ende 2006 meldet allein die NE-Metallindustrie über 110.000 Beschäftigte in 632 Verbandsunternehmen, die einen Gesamtumsatz von 44 Milliarden € erzielten. Bei einem deutschen Bruttoinlandsprodukt von mehr als 2 Billionen € sind die genannten Zahlen zwar ansehnlich, könnten aber flüchtig betrachtet, dennoch zu einer Unterbewertung der ökonomischen Bedeutung der "Metallurgie" (Metallindustrie) führen. Einige Zahlen aus Österreich zeigen die dortige Wirklichkeit. Bei Zusammenfassung der Produktionswerte von Metallgewinnung und -erzeugung, von Maschinenbau, Kraftfahrzeugbau und Fertigung von Metallerzeugnissen erreichte die österreichische Metallindustrie 2006 einen Anteil von 42% an der Sachgütererzeugung" des Landes. Ein ziemlich ähnlicher Wert ergibt sich im Zweifel auch für Deutschland.

Unterstützende Wissenschaften und Techniken

Vergleicht man die neuzeitliche Metallurgie mit ihren historischen Anfängen, die oft nach der Methode „Versuch und Irrtum“ vorgingen, so wäre sie ohne Chemie nicht denkbar. Nicht nur dem Einsatz von Chemikern wie Lavoisier, Wöhler oder Berzelius ist es zu verdanken, dass sich die Metallurgie zur Wissenschaft entwickeln konnte. In erster Linie war es die analytische Chemie mit ihren seit Beginn des letzten Jahrhunderts immer genaueren Ergebnissen. Lange noch mit der zeitraubenden Nassanalyse (Lösen, Elektrolysieren oder Ausfällen, Filtrieren, Trocknen, Wägen), abgelöst durch Spektrometrie und Flammenphotometrie, die der praktizierten Metallurgie schnelle Anpassung an Gegebenheiten und damit qualitativen Fortschritt ermöglichte. Ergebnisse der Analytik und physikalisch determinierte Eigenschaften der Metalle und ihrer Legierungen als Gusswerkstoffe werden zum Ausgangspunkt weiterer Hilfswissenschaften, zu denen u. a. Metallkunde, Metallforschung, Materialkunde und Lagerstättenkunde gehören.

Die Spektrometrie stützt besonders auch die Sekundärmetallurgie. Binnen weniger Sekunden wird die Zusammensetzung einer Flüssigmetallprobe angezeigt. Störelemente, wie etwa Wismut in Messing, Phosphor in Eisen, auch Antimon in Aluminium, werden selbst im niederen ppm-Bereich nachgewiesen. Nichteisen-Metallschrott kann mit handgeführten Geräten (Funkenemissionsspektrometer) abgetastet und vorsortiert werden.

Was die Wichtigkeit metallurgischer Forschung betrifft, besonders die Umsetzung von Ergebnissen in die Praxis ist die Eisenmetallurgie in Vielem federführend, nicht nur für die Primärerzeugung und das Recycling, sondern auch für das sehr innovationsfreudige Gießereiwesen. Die "Gießereiforschung" als eigenständige, wissenschaftliche Betätigung schließt auch die NE- Metallgiessereien ein.

Die Bereitstellung von Schmelze "just in time" und damit verbunden die Automatisierung von Schmelzprozessen, die "Roboterisierung" von Gießvorgängen ist ohne steuernde Elektronik nicht denkbar, weshalb ihr auch zu Recht der Rang einer Hilfswissenschaft der Metallurgie zukommt.

Mit speziellem Bezug auf das Gießereiwesen verdient auch die Formherstellung, sowie die Beeinflussung der Erstarrung der Schmelzen in der Gießform die Bezeichnung Hilfswissenschaft. Ein Beispiel gibt hier die moderne Modellbautechnik durch erodierende, fräsende, ferner durch als CNC-Technik bezeichnete Verfahren (Finite Elemente Methode), die es möglich machen, von der Zeichnung direkt zu ausgefrästen oder schichtenweise pulvermetallurgisch aufgespritzten Modellen oder Formen für Prototypen, sogar für Kleinserien zu gelangen. Die damit rasch gewonnenen Erfahrungen verkürzen die Zeit für die Herstellung der endgültigen Dauerformen und das Anlaufen der Großserie. Vor allem für im Druckgießverfahren hergestellte Teile aus NE - Legierungen hat sich aus dem Einsatz von Dauerformen eine weitere Hilfsindustrie entwickelt. Sie verlangt nicht nur nach in ihren Festigkeitseigenschaften optimierten Werkzeugstählen, da die Formen sowohl durch die Temperatur des Flüssigmetalls als auch die taktbezogene Abkühlungszeit und Entnahme des Gussteile ständigem Temperaturwechsel ausgesetzt sind. Hilfreich sind daher auch Erzeugnisse, die als feiner Überzug aufgetragen, nicht allein die Formen schützen, sondern auch die Lenkung der Erstarrung ermöglichen. Grundprinzip jeder Dauerformschlichtung ist, daß schwarze Schlichten zu schneller Erstarrung und damit zu feinkristallinem Gefüge führen,. Eine weiße Schlichtung verzögert die Erstarrung, begünstigt die Nachspeisung, führt zu höherer Dichtigkeit, aber auch gröberer Kristallisation.

Eine besondere Technik verlangt die Formherstellung für Feinguss. Die Gussmodelle werden hierzu aus Wachs oder Kunststoff hergestellt, mit einer keramischen Schaler ummantelt, das Modell dann ausgeschmolzen oder ausgebrannt und danach abgegossen. Für Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt Zinnwerden Dauerformen mit temperaturresistentem und formgebend aufgetragenem Chlorkautschuk hergestellt, eine Methode, mit der feinste Details der Vorlage wiedergegeben werden können.

Sehr groß sind auch die Fortschritte bei der Herstellung von Formen für Sandguss, die heute für Serienfertigung, speziell im Motorenbau, nur noch in vollautomatisch arbeitenden Anlagen erfolgt. Bei den hier benötigten Formstoffbindemitteln war das Croning (Kunstharz)- Verfahren vor 50 Jahren ein Schrittmacher, heute setzen die Gießereien als Bindemittel zwar immer noch spezielle Kunstharze ein, geben aber zunehmend betont umweltfreundlichen Bindersystemen den Vorzug. Auch dies ist dem gießereitechnischen Sektor der Metallurgie zuzuordnen.

Zu den meistgenutzten Helfern auf dem breit gefächerten Feld der Metallurgie zählen auch noch - in Ergänzung der Analytik - die verschiedenen Prüfverfgahrung. Eines der ältesten ist die mechanische Pröfung an speziell geformten Probestäben, sogenannten Zerreißstäben.Die thermische Analyse (TA)zeigt Gefügezustand und die Auswirkung gefügebeeinflussender Elemente. Bei AlSi-Legierungen sind dies Natrium, Strontium, Phosphor, Antimon. Fertige Teile werden heute- medizinische Techniken übernehmend - mittelsRöntgen, Scannen, Sonographie, sogar mit MRT (Magnetresonanz) kontrolliert.

Alle genannten Gebiete umgreift die Tätigkeit der "Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e.V."(DGM), die mit uzniversitären Fachbereichen und Fachverbänden (Verband der Eisenhüttenleute, Verband der Giessereifachleute) Forschung, Fortbildung und Praxis zusammenführt.

Metallurgie und Umweltschutz

Obwohl ohne die moderne Analytik nicht denkbar muss der Umweltschutz besonders hervorgehoben werden, denn im umweltbewussten 21. Jahrhundert sind beide Stellung und Lösung des Problems zugleich.Zu lange hat man sich damit abgefunden, daß Metallurgie umweltbelastend ist, ein im wörtlichen, wie übertragenen Sinne meist heisses und schmutziges Gewerbe.

Die Analytik hat über das hinaus, was metallurgisch von ihr verlangt wird, inzwischen wichtige zusätzliche Aufgaben zu erfüllen, denn sie erlaubt die qualitative und quantitative Bestimmung der an faktisch alle metallurgischen Prozesse gebundenen Emissionen bis in den Nano- und Pico-Bereich. Damit bietet sie die Möglichkeit, sei es primär durch verfahrenstechnische Verbesserungen oder diesen nachgeschaltet, mit Hilfe eines sich nur der Emissionsbegrenzung widmenden neuen Industriezweiges Lufttechnik den Forderungen nach Abgasverringerung und Luftreinhaltung zu entsprechen.

Solange uns keine der ökonomischen Bedeutung der Metallurgie - als wichtige, mitbestimmende Grundlage unserer Lebensumstände - angemessene, sichere Energieversorgung zur Verfügung steht, das Angebot an Energie sogar verringert und verteuert wird, steht an erster Stelle die Steigerung der Effizienz bei der eingesetzten thermischen Energie. Dies erfolgt im Zuge fortwährender Entwicklung durch eine bessere Isolierung aller Ofentypen, die Abwärmeverluste damit begrenzend. In gleicher Richtung wirkt die verfeinerte und automatisierte Steuerung der Brenner, die direkte Rückgewinnung von Wärme (siehe Regenerativfeuerung), die Nutzung von Abwärme (Fernheizung). Vieles ist bereits verwirklicht oder geht der Verwirklichung entgegen. Rostrote Kaminabgase (NOx-Verbindungen), wie sie bei chemischen Prozessen entstehen können, sind Vergangenheit. Beim Recycling von Kunststoffen („Plastik“) oder kunststoffbeschichtetem Metall (Aluminiumdosen) werden alle nichtmetallischen Anteile in einem pyrolytischen Verfahren Pyrolyse erfasst und in ihrer Gasphase entweder als Energieträger (Brennstoff) direkt eingesetzt, oder mittels fraktionierter Destillation in wertvolle Ausgangsstoffe zur Wiederverwendung getrennt.

Soweit solche Verfahren aus betrieblich (noch) gegebenen Umständen nicht in Frage kommen, werden jedenfalls zwei Bereiche heute durchgehend erfasst: Gasförmige, wie auch staubförmige Emissionen. Gasförmige durchlaufen zumindest eine abbindende, neutralisierende, zumeist alkalisierende Nasswäsche (Venturiwäscher oder ein ihm verwandtes System beispielsweise die „Ringspaltwaschanlage“ bei Chloride und Phosphide enthaltenden Abgasen in Aluminiumgießereien), doch das nur sofern sie nicht durch bloße Abkühlung niedergeschlagen werden können (siehe Hüttenrauch). Die ausgefällten oder ausgefilterten Rückstände werden verwertet oder geordnet entsorgt.

Metallurgische Stäube können natürlich in Gewebefiltern nur kalt gesammelt werden, was in der Praxis die Vorschaltung eines Kühlers bedingt. Heiße Stäube (Kupolofenentstaubung, Lichtbogenentstaubung) werden trocken durch Elektrofilter erfasst oder mittels vorgeschalteter Nassabscheidung in Abluftreinigungsanlagen, die mit Durchsatzmengen von 100.000 m³ pro Stunde heute keine Einzelfälle mehr sind. Das getrocknete Filtrat unterliegt einer gesetzlich bestimmten Verwertungspflicht, die aber häufig, die Vorkosten verringernd, in der Anfallstelle erfolgen kann. Ein Beispiel sind aus den Abgasen der Öfen herausgefilterte metallische Stäube, die durch Injektion in die Schmelzen zurückgeführt werden können.

Zu erwähnen bleibt noch die Verwertung entsprechend aufbereiteter, durch besondere Behandlung weitgehend entmetallisierter, metallurgischer Krätzen und Schlacken, die als solche seit kurzem REACH unterliegen. Je nach Zusammensetzung können sie zu erneutem Einsatz als Oxidationsschutz (Abdeckung) in Schmelzöfen oder auch als „Füller“, sogar als Belag („Pflaster“) im Straßenbau geeignet sein. Präzise Analytik ist auch hier die Voraussetzung, solche "Abfälle" richtig einzuordnen und über ihre Verwertbarkeit zu entscheiden.

Namhafte Metallurgen

Georgius Agricola:
„de re metallica libri XII“

Historisch:

• Gaius Plinius Secundus „Naturalis historia“
• Georgius Agricola „de re metallica“

Eisenbezogen:

• A. Ledebur „Handbuch der Eisenhüttenkunde“
• W. Borchers „Elektrometallurgie“
• E. Piwowarsky „Der Eisen- und Stahlguß“; „hochwertiges Gußeisen“
• H. Bessemer, S. Thomas, P. Gilchrist, P.-É. Martin (Stahlerzeugung)

Nichteisenmetalle:

• H. Oersted, F. Wöhler, R. Bunsen, H. Saint-Claire Deville (Aluminiumdarstellung)
• C. Hall, P. Héroult (Schmelzflusselektrolyse des Aluminiums)
• A. Wilm, A. Pácz (Entwicklung von Aluminiumlegierungen)
• G. Pistor (Magnesium)
• W. Borchers (Kupfer)

Lehrer und Forscher:

• B. Osann (Eisenhüttenkunde)
• A. v. Zeerleder (Technologie der Leichtmetalle)
• E. Piwowarsky (legiertes Gusseisen)
• W. Borchers (Elektrometallurgie)

Literatur

Herangezogene Literatur (Nachweise)

Lexika:

• Lexikon der Metalltechnik. Wien: A. Hartlebens Verlag, o. J.
• Brockhaus Encyclopädie. 5. Aufl. ISBN 3-7653-0025-X
• Microsoft Encarta Professional 2003
• Gießereilexikon. Berlin: Schiele & Schoen, 1997. ISBN 3-7949-0606-3
• Römpp: Chemie-Lexikon. Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1992. ISBN 3-13-102759-2
• Herder-Lexikon: Geologie und Mineralogie. Freiburg: Herder Verlag, 1972. ISBN 3-451-16452-3
• dtv-Atlas zur Weltgeschichte, dtv München, ohne ISDN-Nr.
• Grosser Atlas zur Weltgeschichte, Lingen-Verlag, Köln 1986. ohne ISBN

Fachliteratur:

• H. Ost: Lehrbuch der chemischen Technologie (Kapitel „Metallurgie“). Hannover: Jänicke, 1900
• Das Gießereiwesen in gemeinfasslicher Darstellung. Düsseldorf: Gießerei-Verlag, 3. Auflage 1953
• A. von Zeerleder: Technologie der Leichtmetalle. Zürich: Rascher-Verlag (Verlagsnummer 2018), 1947
• DKI Schriftenreihe. Berlin: Deutsches Kupfer–Institut
• Guss aus Kupfer und Kupferlegierungen. Berlin: Deutsches Kupfer–Institut
• Guss aus Kupferlegierungen. (übersetzt aus dem Amerik.) Berlin: Schiele & Schoen, 1986. ISBN 3794904443
• E. Brunhuber: Schmelz- und Legierungstechnik von Kupferwerkstoffen. Berlin: Schiele & Schoen, 1959
• Partie- und Chargenfertigung aus betriebswirtschaftlicher Sicht. Frankfurt: ZfH (Zeitschrift für handelswissenschaftliche Forschung), 1957
• Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin: Walter de Gruyter & Co, Berlin, o. J.

Sonstige:

• Gießerei-Kalender – Jahrgänge. Düsseldorf: Gießereiverlag
• Fachzeitschriften- Jahrgänge (Metall, Aluminium, Gießerei, World of Metallurgy,Erzmetall) mit Eigenbeiträgen.
• Sol & Luna. Degussa-Eigenverlag, 1973

Weiterführende Literatur

• F. Oeters: Metallurgie der Stahlherstellung. Berlin 1989
• Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin: Walter de Gruyter & Co, Berlin, o. J.
• E. Piwowarsky: Hochwertiges Gusseisen. Berlin 1951/1961

Siehe auch

• Montanarchäologie

Weblinks

Wiktionary: Metallurgie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Metallurgie (Kategorie) – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Institute

• Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf
• Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
• Fachgruppe Metallurgie und Werkstofftechnik an der RWTH Aachen
• Studium des Hüttenwesens (jetzt: Metallurgie) an der Montanuniversität Leoben
• Technische Universität Bergakademie Freiberg
• Universität Duisburg; Institut für angewandte Materialtechnik
• Curt-Engelhorn-Zentrum Archäometrie, Mannheim; An-Institut der Universität Tübingen

Weitere Links

• Gesellschaft für Bergbau, Metallurgie, Rohstoff- und Umwelttechnik e.V.
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute VDEh
• Informationen über Stahl für Metallografen