Metallurgie

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

Der erstmalige Gebrauch des Wortes Metallurgie ist nicht eindeutig nachweisbar, es ist aber griechisch-lateinischen 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 nämlich „mit Gefundenem (Metall) werken“, der Metallurge ist demnach ein „Metallwerker“, arbeitet in einem „Metallwerk“.

Auch heute noch befasst sich die Metallurgie mit dem Auffinden und Ausbeuten von mineralischen Lagerstätten und der Entwicklung und Instrumentalisierung von Prozessen zur Weiterverarbeitung des „Gefundenen“, die zu metallischen Vor-, Zwischen- und Endprodukten führen. Aus alten Erfahrungen und neuen Erkenntnissen entsteht eine metallurgische Technologie (Lehre von den angewendeten Techniken) als breit gefächerte Wissenschaft, die sich in Teilbereiche aufgliedern lässt (z. B. Eisenmetallurgie, Nichteisenmetallurgie). Den jeweils letzten Stand der Technik sichern ihr eigene Forschung und die der unterstützenden und begleitenden Wissenschaften und Techniken.

Datei:Oxygenstahlwerk 57790.jpg

LD-Konverter beim Chargieren von Roheisen

Historische Entwicklung

Von den Anfängen bis zum Ende der Bronzezeit

Datei:Glockenbecher.JPG

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

Die Geschichte der Metallurgie wird in ihrem Beginn mit dem Ende der Jungsteinzeit, vor etwa 10.000 Jahren gleichgesetzt. Jüngere Forschungen in Anatolien haben sogar in 12.000 Jahre alten Siedlungen bereits erste metallurgische Ansätze entdeckt. Vielleicht stand am Beginn der Zufall. Etwa weil gediegenes Metall gefunden wurde, z. B. Flussgold aus Gebirgen oder weil ein sehr metallreiches Erz den damaligen Menschen durch sein Gewicht oder einen besonderen, etwa rötlichen Farbton (siehe Rotkupfererz) aufgefallen war. Auch ist denkbar, dass die Begrenzung einer Feuerstelle flüssiges Metall, vielleicht sogar schon eine Legierung absonderte und erste metallurgische Überlegungen anregte.

Frühzeitliche Schmelzöfen werden immerhin bereits für die Zeit um 4500 v. Chr. nachgewiesen. Es entwickelte sich zu dieser Zeit eine frühe „mitteleuropäische Technik“ der Metallurgie, auch als „frühe Kupferzeit“ bezeichnet, gefolgt von der „späten Kupferzeit“, die um 2500 v. Chr. in die „frühe Bronzezeit“ übergeht. Sich teilweise überschneidend und in recht präziser Bindung an Erzvorkommen (Böhmisches Erzgebirge) entstehen in diesem Zeitraum auch weitere Gebiete metallurgischer Weiterentwicklung, sowohl in Westeuropa (iberisch), als auch im Karpatenraum, dem um 3000 v. Chr. Wissen aus dem Kaukasus und aus Anatolien zufließt. Dieses und die zugehörige Kunstfertigkeit der praktischer Anwendung (Schmelzen und Gießen), kommt auch aus Ägypten und überzieht von dort aus sowohl Anatolien, als auch die Balkan und Griechenland (Koloss von Rhodos). Für den Mittelmeerraum und die Römerzeit deutet „Aes Cyprium“ (zu deutsch „Erz aus Zypern“) auch auf Zypern als besonders reichen Fundort von Kupfererz hin.

Auch im europafernen asiatischen Raum (China, Japan) wird seit ca. 8000 v. Chr, bereits Kupfer verarbeitet. Mit dem Ende der „späten Kupferzeit“ findet man auch zu auch gut bearbeitbaren Legierungen (mit erniedrigten Schmelzpunkten) (siehe Messing).

Gold als Schmuck war bereits in Troja („Schatz des Priamos“) bekannt, auch die Kelten verarbeiteten es. Als Mittel zur Wertaufbewahrung wird es im Mittelmeerraum ca. 600 v. Chr. (Krösus von Lydien) zu Münzen (Goldstater) geschlagen und damit auch zum Zahlungsmittel. Die ägyptischen Ptolemäer gewinnen Gold in vorchristlicher Zeit in „Minen“ und die Römer Silber in spanischen Silbererzgruben.

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)

Auch Schmelzen und Läuterung (Reinigen der Schmelze von Fremdstoffen), sogar Treibarbeit (Entbleiung), werden bereits in der Bibel beschrieben und (Tubal-Kain 1. Buch Mose 4:22), sowie in 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, wie sie es verstanden mit pyrometallurgischen Techniken zu arbeiten, die von heutigen in ihren Grundsätzen nur wenig abweichen.

Da das griechische Wort „Chalkos“ (χαλκὀς) sowohl Kupfer als auch Bronze bedeuten kann, wird die frühe Bronzezeit gelegentlich auch späte Kupferzeit genannt, doch setzt sich die Kenntnis der gezielten Verbesserung von Kupfergegenständen durch Zulegieren von Zinn und auch Zink relativ 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 man die Giftigkeit der beim Schmelzen auftretenden Bleidämpfe sehr lange nicht beachtete.

Zu den „historischen“ Metallen zählt auch Nickel – und wieder beginnt die Entwicklung in China, wo um 200 v. Chr. unser heutiges „Neusilber“ erstmals als eine weißglänzende Nickel-Kupfer-Legierung unter der Bezeichnung „Packfong“ auftaucht und bis heute als Vorläufer aller Bestecklegierungen gilt.

Mit der Hallstattkultur ging ab 1200 v. Chr. die Bronze- in die frühe Eisenzeit über, ca. ab 450 v. Chr. gefolgt von der La-Tène-Zeit, einer weiteren eisenzeitlichen Epoche, die bis zur Zeitenwende und noch darüber hinaus reicht.

Überlagert wird diese Einteilung nach Kulturepochen, die einander nicht abrupt, sondern mit langen Übergangszeiten folgten, von der nach geschichtlichen Herrschaftsepochen, deren bekannteste sich als die „Antike“ eingeprägt hat. Man sieht ihren Beginn etwa um 1500 v. Chr. u. a. in der kretisch-minoischen Kultur, die im Zuge der „dorischen Wanderung“ von Norden nach Süden um 1100 v. Chr. von der sich über weite Teile des Mittelmeerraums (Magna Graecia) ausdehnenden hellenischen Antike abgelöst wird hellenisch. Sie erreicht ihren Höhepunkt um 500 v. Chr., wird aber zunehmend römisch bestimmt und bleibt so für fast ein Jahrtausend. In der Römerzeit reicht die Bedeutung der Bronze nochmals über figürliche Darstellungen (Standbilder) und Kultgegenstände hinaus. Sie wird im Bauwesen bei der Verbindung von Marmorteilen unentbehrlich (gegossene oder geschmiedete Bronzeklammern), ferner bei Dächern 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, sich aufbauenden Frankenreichs, immer noch weitgehend auf Kultgegenstände, Werkzeuge und vor allem Waffen. Berühmt wurde damals der (Damaszenerstahl mit seinem lange geheim gehaltenen, besonderen Härtungsverfahren).

Bei Gold und Silber, die aus Funden von gediegenem (elementarem) Metall („Flussgold“, „Silberadern“) stammten oder auf Handelswegen wie auch Kriegszügen erlangt wurden, verfeinerte man über die über weit mehr zwei Jahrtausende hinweg (Mykene, Troja) überlieferte Kunstfertigkeit der Bearbeitung zu Kult- und Schmuckgegenständen.

Europa lag hinsichtlich der Gewinnung und Verarbeitung, nicht allein von Eisen, Jahrhunderte hinter China und Ägypten zurück. Bei Ausgrabungen wurden in Ägypten 5000 Jahre alte, noch gut konservierte Eisengegenstände gefunden. Selbst bei Zweifeln hinsichtlich der Art der Gewinnung 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.

Von der Bronze- zur 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 eine Temperatursteigerung von für Bronzen ausreichenden 1100°C auf die für die Eisengewinnung nötigen mehr als 1600°C möglich. Man gewinnt zwar in der Bronzezeit 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 und verwendet es besonders für Waffen, Rüstungen und Werkzeuge. Dieser erste Schritt in die Eisenzeit bringt aber noch keine nennenswerten Eisenmengen hervor. Eine Verbesserung führte zu den Wolfs- oder Stücköfen, Vorläufern des 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.

Vom ersten Hochofen bis zum Elektrostahl

Ofenplattenguss (um 1700)

Von einer im technischen Sinne wirklichen „Eisenzeit“ kann man auf alle Fälle erst sprechen, als es im 14. Jahrhundert erstmals gelingt, mit durch Wasserkraft angetriebenen Blasebälgen, dauerhaft Temperaturen deutlich über 1400°C zu erreichen. Damit liess sich der erste auf Holzkohle angewiesene Hochofen in Gang setzen, der auch Roheisen in nennenswerten Mengen erzeugte, die man als „Formguss“ zu Geschützen (durch mittelalterliche Büchsenmeister) und Kanonenkugeln, später auch zu verschiedenerlei „Gusswaren“ verarbeitet (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 den Kohlenstoff – aber auch andere unerwünschte, oxidierbare Beimengungen des Roheisens, wie (das Prozesswärme liefernde) Silizium, soweit verbrannt, dass es schmiedbar wird. 1878 wird das Verfahren von Sidney Thomas und Percy Gilchrist durch eine basische Auskleidung der „Birne“ entscheidend verbessert. 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 phosphorhaltiges „Thomasmehl“ zum ersten „Kunstdünger“ für die Landwirtschaft. (Ein nächster Schritt ist hier im 20. Jahrhundert die Ammoniaksynthese nach Haber-Bosch). Die Blasstahlverfahren finden ihre letzte Verbesserung mit dem LD-Verfahren, das zum Frischen sehr reinen Sauerstoff einführt. Der Hochofen verliert seine Alleinstellung als Roheisenlieferant für die Stahlerzeugung 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 hiesigen Rohstoff, Schrott, angepasst ist. Die Primärstahlerzeugung wandert daher immer mehr zu den Rohstoffen, wie man am geplanten Hochofenwerk von ThyssenKrupp in Brasilien sehen 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 eogar 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 in metallischer Form nicht vorkommen, sondern nur in Verbindungen vorkommen, 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 der Anfang. Friedrich Wöhler reduziert 1828 erstmals Aluminium als ein graues Pulver, das 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 10 Mio t Rohaluminium erzeugt (das energiereiche Russland strebt die Marktführerschaft an).

Die Erdmetallzeit bezieht sich zwar, dem periodischen System gemäß, nur auf Aluminium, wenn wir von Scandium absehen. 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, die zwar nicht in die gleiche Gruppe gehören, sich aber vergleichbar darstellen, nämlich nur als Verbindung und nie als Erz, metallurgisch den Erdmetallen zuzuordnen. Magnesium einschließend, das in geringerem Maß als Chlorid vorkommt, weitaus reichlicher aber weltweit als Magnesit und unter Hinzunahme von Titan, das aus Monazitsanden gewonnen wird, können wir sagen, dass mit den Erdmetallen die „Leichtmetallzeit“ begonnen hat. Anders als in vorausgegangenen historischen Epochen der Metallurgie ist sie aber nur eine Ergänzung der „Eisenzeit“, wird diese wohl kaum jemals so verdrängen, wie einst das Eisen die Bronze.

Neuzeitliche Metallurgie

Gewinnung der Ausgangsstoffe

Tagebau am Erzberg (Österreich)

In ihrer Grundlage unterscheidet sich die neuzeitliche Metallurgie und damit ist wörtlich genommen nichts anderes gemeint, als die mit der technischen Entwicklung seit dem Beginn des 19. Jahrhunderts verbundene, nicht von ihren historischen, vermutlich mehr als 6.000 Jahre alten Wurzeln, nämlich möglichst metallreiche Erze und Mineralien gezielt aus ihren Lagerstätten zu gewinnen, diese „auszubeuten“. „Gediegenes“, also reines Metall, ist die Ausnahme, weit seltener als „höffige“ (eine gute Erzausbeute versprechende) Lagerstätten. Die zu den Geowissenschaften gehörige „Lagerstättenkunde“ (Prospektion) behandelt hier die Entstehung der Vorkommen, die Wissenschaften rund um den Bergbau beschäftigen sich mit Erkundung und Abbau solcher 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“. Man unterscheidet sie zumeist nach der Art ihrer Entstehung. 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, 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, und der offene Abbau von Bauxit, einem rötlichen Sedimentgestein, das – zu reiner Tonerde umgewandelt – Grundstoff der Aluminiumerzeugung ist. Erwähnt sei noch 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 man es in einem elektrochemischen Reduktionsverfahren im Lichtbogenofen mit Kohleelektroden „carbothermisch“ gewinnt. 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: z. B. 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 unterscheidet man in der Metallurgie ferner zwischen Eisen- und Nichteisenmetallen, 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 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- bzw. 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 z. B. 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, z. B. 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 unterscheidet man 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 man unterschiedliche Dampfdrücke zur Trennung in Fraktionen nutzt (z. B. Zinkgewinnung aus abgeröstetem Zinkerz in Muffelöfen).

Hydrometallurgie

Hydrometallurgie bedeutet ursprünglich Vorbereitung von Erzen zur Verhüttung durch kalte oder warme Trennverfahren (Kalt- bzw. 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 gewinnt man auch aus armen Erzen die mit geringer als 1 % enthaltenen Elemente (z. B. Edelmetalle). 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(siehe 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 man mit Gemischen stets die erforderliche Reaktionstemperatur erniedrigt, werden auch die Alkalimetalle aus ihren Salzlösungen gewonnen. Für das zunehmend bedeutender werdende Erdalkalimetall Magnesium schlägt Bunsen bereits 1852 die Elektrolyse im Gemisch mit Flussspat vor. Heute gewinnt man es im Prinzip noch auf die gleiche Weise, 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 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 Gusswerkstoff für den Flugzeugbau. Heute wird für Leichtbauzwecke im Motoren- und Aggregatebau verbreitet Druckguss aus Magnesiumlegierungen eingesetzt.

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. Magnesiumpulver, besonders in pyrophorem Zustand, wird durch „Abreiben“ vom Blockmetall gewonnen.

Sekundärmetallurgie

Vornehmlich Stahlwerker wenden diesen Begriff an, der aber weniger eine eigenständige Metallurgie darstellt, 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, z. B. durch Anlegen eines Vakuums (mit sich daraus ergebender Entgasungswirkung). Es handelt sich hier demnach nur um Sonderformen der Schmelzebehandlung, wie sie auch bei anderen Metallen (z. B. in der Primäraluminiumerzeugung) und Legierungen üblich sind.

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 legt 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 dann aus den vorbehandelten Einsatzstoffen zu nutzbaren Metallen und insbesondere deren Legierungen gelangt.

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

a) Gattieren (Zusammenstellung des Schmelzmaterials) des Einsatzes, auch unter dem Gesichtspunkt der gewünschten Eigenschaften der Ausbringung.

b) 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).

c) 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.)

d) Schmelzebehandlung durch oxidierend/reduzierendes Raffinieren (siehe Sekundärmetallurgie), Legieren bzw. Legierungskorrekturen einschließend

e) 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 aus einem Gemenge (Gattierung) aufbereiteter, d. h. in einem Röstprozess (Oxidation von Sulfiden, Erhitzung und damit Entfernung flüchtiger Bestandteile, z. B. hoher Wassergehalt der Minette) für den Hochofengang vorbereiteter, oxidischer, oxidhydratischer oder carbonatischer Erze ((Magnetit, Hämatit, Limonit (Salzgitter), Siderit (Österreich), auch aus Pyrit-(Schwefelkies)-Abbränden der Schwefelsäureherstellung) mit Hilfe von Zuschlägen (Möller) von Kalkstein und Koks (in den Anfängen wurde ausschließlich Holzkohle eingesetzt, heute ist dies nur noch für „Sonderroheisen“-Sorten der Fall). 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 verstanden wird und dieses verarbeitete Eisenerz auch die Zuordnung zu einer bestimmten Roheisenqualität bedingt, so z. B. Hämatitroheisen mit mehr als 0,1 % Phosphor oder Gießereiroheisen mit bis zu 0,9 % Phosphor. Außer von der Partiezugehörigkeit wird der Abstich qualitativ auch von der Erstarrungsart bestimmt. Bei langsamer Abkühlung (Masselguss) erhält man graues Gusseisen, das nach Art der Graphitausscheidung differenziert wird (lamellar, vermikular, sphäroidal). Bei rascher Erstarrung erhält man 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 vor 60 Jahren mit der normalspurigen „Torpedopfanne“ mit 100 t Fassung). Hier kann von Charge (englisch Batch) gesprochen werden, nämlich der Beschickung eines Gefässes, einer Pfanne oder eines Ofens mit einer durch sein Fassungsvermögen bestimmten Menge. Bei der Weiterverarbeitung, die in diesem Falle auch als diskontinuierlich bezeichnet wird, lassen sich jeder Charge ihre sie kennzeichnenden Chargeneigenschaften zuordnen. Die Chargenarbeit hat besondere Bedeutung für das Recycling von 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 Kupol- oder Elektroofen mit definiertem Schrott, eigenem Rücklauf und Legierungszusätzen dann zu Gusseisensorten (siehe auch oben). Für „Leichtbau aus Eisen“ gilt Bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit (kurz ADI, engl. für austenitisches, duktiles Gusseisen) 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 Temperende 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- bzw. 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 in der Form des 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.

Nachdem sich die 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, z. B. hoch und niedrig legierter Stahl, legierter Kalt- bzw. 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 z. B. 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 Lunkerfreiheit (durch Erstarrungsschrumpfung bedingte Hohlräume) durch exotherme (wärmeabgebende) Auskleidung der Kokillen bewirkt wurde. 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 Stranggussprodukt sind hingegen die Stranggussmasseln für Stahlgießereien (siehe oben). Die Stranggussprodukte werden danach vorwärmend (warme Verarbeitung) oder kühlend (abschreckend; kalte Verarbeitung) behandelt. Außerdem werden sie entweder einer natürlichen oder künstlichen Alterung (Umwandlung des Mischkristallgefüges) unterzogen. Die höchstwertigen Produkte werden durch eine Erwärmung erzielt, gefolgt von abschreckender Härtung und nachfolgendem „Anlassen“, d. h. Wiedererwärmen für Warmverarbeitung (dazu ausführlicher in „Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens“, Verband deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf). Schließlich werden die Produkte an ein Walzwerk weitergegeben.

Wirtschaftlich bedeutend sind besonders die Baustähle (T- und I-Träger, Monierstahl), ferner Schienen, Drähte, Bleche (einseitig verzinnt werden sie zu Weißblech für Dosenfertigung), ferner viele Spezialstähle, wie die Edelstähle (siehe oben nichtrostender Stahl) oder Hartstähle (Panzerplatten) für militärische und zivile Zwecke.

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

Aluminium, Magnesium

Metallurgisch gesehen unterscheidet sich die Produktion von Eisen und Aluminium nicht allzu sehr, sie werden überwiegend davon bestimmt, wo es möglich ist, „schweres Eisen“ durch „leichtes Aluminium“ zu ersetzen (siehe auch Eisen).

Bauxit

Als wesentlicher Unterschied zu einer Eisenhütte bezieht eine Aluminiumhütte ihren Rohstoff Tonerde aus einer eigenständigen, auf die Umarbeitung von Bauxit zu Aluminiumhydrat spezialisierten Vorfertigung. Deren Produkt, calcinierte Tonerde, 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.

Alle Aluminiumlegierungen werden zur Weiterverarbeitung entweder flüssig in eine Formgießerei verbracht, oder man vergießt sie zu Masseln, was Wärmeverlust bedeutet, aber lange Transportwege und Vorratshaltung ermöglicht. Der größere Teil der Legierungen geht flüssig in eine der Primärhütte angeschlossene Hüttengießerei 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-Titanium- 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 weitestgehend 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 für seewasserresistente Legierungen eingesetzt, denen seit dem Zweiten Weltkrieg auch Titan zugemischt wird (erste geschützte Bezeichnung war Hydronalium). Später wurde das Metall außerdem für eloxierbaren Gebrauchsguss – meist in Sand oder Kokille – vergossen; dabei wurde es auch in der Druckgießtechnik Warmkammerverfahren vergossen, worin es sich von Aluminium (üblicherweise Kaltkammerverfahren) unterscheidet. Daneben werden verarbeitete Magnesium-Druckgusslegierungen mit Aluminium und Zink als Begleitelementen hergestellt. 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. 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 z. B. 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. Metallurgisch sehr bedeutsam ist die wiederentdeckte Kupferlegierung Messing. Bei seinem 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.

Hinzugekommen sind als wichtig gewordene Kupferlegierungen u. a. Gun Metal (Rotguss), eine CuSnZnPb-Legierung, sowie Aluminiumbronze, (die man früher als Reinaluminium herzustellen verstand). 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 Neusilber (CuNiZn) (bekannt vor allem als Bestecklegierungen: Alpaka, Argentan, Constantan, Packfong, Weisskupfer).

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 deutschem bzw. englischem Weg, 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 Gussmessing, Sondermessing, Aluminiummessing, besonders aber 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 als Blockmetall vergossen, wo immer möglich aber unter Wärmeerhalt vertikal, wie horizontal im Strang vergossen.

Edelmetalle

Treibarbeit zur Silbergewinnung

Obwohl heute, nach dem Ende der Edelmetallwährungen mit Goldstücken und Silbertalern weniger bedeutend als vor 100 Jahren, gibt es doch noch vielfältige industrielle Verwendung für Edelmetalle und einen bergmännischen Abbau ihrer Erze und 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, arbeitet man mit den üblichen Methoden des Röstens, Laugens, Chlorierens und Abtrennens (Treibarbeit). 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

Hier muss zuerst Zink hervorgehoben werden, 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- bzw. 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).

Wichtige weitere Industriemetalle treten oft mehr legierungsbegleitend denn als eigenständige Metalle auf. Sie sind neben Magnesium (siehe oben), das heute zwischen Aluminium und dem Superleichtmetall Lithium eingeordnet wird, bei den Kupferlegierungen Nickel und Zinn. Dabei hat sich Zinn, aus reduzierend verhütteten oxidischen Erzen gewonnen, nicht nur als Bronzebegleiter, sondern, mit Antimon gehärtet, bei inzwischen bereits historisch gewordenen Schriftmetallen bewährt. Das gilt auch für die vor Erfindung des Porzellans verbreitete Nutzung als Geschirrzinn, ferner als 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 von Bronzen, Messing und von hochfesten 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.

Datei:Pechblende.jpg

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 radioaktives (strahlendes) Schwermetall mit einer sehr hohen Dichte. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts wurde es von M. Klaproth entdeckt und als Pechblende bezeichnet, ein Jahrhundert später als radioaktiv erkannt (A. H. Becquerel) und daraus die Elemente Polonium und Radium isoliert (Pierre und Marie Curie).

Uran mit drei natürlichen Isotopen wird als Uranpecherz bergmännisch gewonnen. Die Produktionsmenge beträgt ca. 30.000 t jährlich. Die Weiterverarbeitung des Erzes orientiert sich an chemisch-metallurgischen Prinzipien der Laugung, Fällung und Filtration mit dem Zwischenprodukt Yellowcake. Metallisches Uran wird in seiner abgereicherten (d. h. nicht strahlenden) Form nur in einem schmalen Sektor angewandt – in der Rüstungsindustrie für Panzerplatten und für panzerbrechende Munition. Angereichert hingegen ist es Ausgangsstoff der nuklearen, CO₂-freien Energiegewinnung im Kernkraftwerk. Plutonium entsteht dort als Beiprodukt, es kann im „nuklearen Kreislauf“ wieder zu Brennelementen oder zu nuklearen Sprengkörpern verarbeitet werden. Isoliertes Radium (auch Isotopen) findet Einsatz in der Medizin (Radiologie|Strahlenheilkunde). Alle radioaktiven Elemente sind instabil (Maßstab: Halbwertszeit). Endstufe des atomaren Zerfalls ist stets Blei.

Recyclingmetallurgie

Ursprünglich unterscheidet man zwischen einem „Hüttenwerk“ und einer (Umschmelz-)„Hütte“. Im Hüttenwerk wird Metall erstmalig dargestellt, in der Umschmelzhütte vorhandenes Metall auf- oder umgearbeitet. Hieraus wird in Analogie zu bestehenden Beispielen in anderen Bereichen die „Primärhütte“, mit ihrer „Primärerzeugung“ von „Primärmetall“. Die „Sekundärhütte“ betreibt eine „Sekundärerzeugung“ von „Sekundärmetall“ und erfüllt dabei den Anspruch an Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit, sie betreibt Recycling, also 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 sich aus einer einstigen „Kupferhütte“ eine beide Sparten betreibende Werksgruppe gebildet hat. Für eine Kupferraffinerie ist es auch normal, dass zur Wiedergewinnung des wertvolleren Kupfers aus Schrotten die weniger wertvollen Begleitelemente als ihre Oxide entfernt werden, was deren weitere Nutzung durch Reduktion aber nicht ausschließt.

Bei Aluminium ist es inzwischen durchaus üblich, dass Primärerzeuger auch Sekundärlegierungen herstellen, die qualitativ den primären nicht nachstehen, aber zu nur 5 % der primären Energiekosten produziert werden können. International tätige Konzerne bauen in Europa derzeit ein Netz von Recycling-Hütten auf.

In Umkehrung ursprünglich gegebener Verhältnisse können dagegen die „Recycler“ heute sowohl aus sortenreinen Knetlegierungsabfällen Walzbarren in einer der primären Erzeugung gleichen Qualität gießen als auch mit zugekauftem Reinaluminium Legierungen herstellen, die als „Primärlegierungen“ bezeichnet werden dürfen.

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

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 dem Oxidieren (Röstarbeit) und dem Reduzieren/Desoxidieren durch entsprechende Flammen- oder Ofenführung. Ferner spielt sie eine wichtige Rolle beim Erschmelzen der Metalle, der Vereinheitlichung diskontinuierlich erbrachter Chargen (Mischer), dem Raffinieren und Legieren, dem Vergießen (Warmhalte- bzw. 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, in dem auch Erze abgeröstet werden können, es folgt der geschlossene Herd mit natürlichem Zug oder Luftzufuhr mittels Blasebalg, entweder als historischer Niederschachtofen oder viel später als Hochofen. Davon abgeleitet ist der Kupolofen, als heute üblicher Gießereischachtofen (Grauguss) mit Heißwind. Den bisher genannten Schachtofensystemen ist gemeinsam, dass Schmelzgut, Schlackenbildner (Kalkstein) und Brennstoff in direktem Kontakt stehen. Die Weiterentwicklung führt zu Öfen, bei denen der Brennstoff nicht mehr im Kontakt mit dem Schmelzgut steht, sondern darauf nur noch seine heißen Verbrennungsgase (Flammofen) einwirken. Andere Systeme nutzen von der Ofendecke abgestrahlte Wärme, (auch durch in dieser eingelassene Heizwiderstände) zum Erhitzen der Schmelze. Der Ofenraum ist nun eine geschlossene Wanne (Wannenofen) oder ein drehbarer Zylinder (Drehtrommelofen, Kurztrommelofen). Nächster Entwicklungsschritt 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).

Aus heutiger Sicht wird unterschieden 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. Induktionsöfen gibt es als Rinnen- wie Tiegelöfen; sie sind als Schmelz-, Speicher- oder Warmhalteöfen einsetzbar.

Vorgaben des Umweltschutzes begünstigen zunehmend die elektrisch beheizten Öfen. Bei 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 (Induktionsofen). 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 Formguss. Heizwiderstände im Ofeninneren, die den Tiegel umgeben, liefern die zum Schmelzen erforderliche Wärme. In Tiegelöfen setzte man als Schmelzgefäß lange handgefertigte, „klassische“ Ton-Graphittiegel („hessische Tiegel“) ein, bis sich isostatisch gepresste Siliciumcarbidmassen als haltbarer erwiesen. Den Stand der Technik geben größere Gießereien vor. Die für Formguss benötigten Metallmengen in täglich zwei- bis dreistelliger Tonnenmenge werden aus einer den Gieß- oder Schöpföfen vorgelagerten, eigenen Schmelz- bzw. 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; bei Magnesiumschmelzen sind nur geschlichtete Eisentiegel zugelassen. Die zentrale Schmelzanlage einer Grossgießerei kann ein Drehtrommelofen, ein Niederschachtofen mit Abschmelzbrücke oder ein Induktionsofen sein.

Auf der Seite der Metallgewinnung entwickelt sich die Ofentechnik bei Eisen vom offenen Herdfeuer über Rennfeuer und den Niederschachtofen weiter zum immer größeren Hoch(schacht)ofen und von dort ausgehend – wieder aufwandsvereinfachend – zum Siemens-Martin- und Elektroofen und zur Möglichkeit, Stahl nicht nur aus Eisenerz, sondern auch aus Schrott zu erzeugen oder zu regenerieren. Der Elektroniederschachtofen, als Lichtbogenofen ausgelegt, liefert aus Erz-Pellets und Kohlenstoff als Reduktionsmaterial „Elektro–Roheisen“ (Direktreduktionsverfahren).

Eine Seitenlinie stellt der brennstoffbeheizte Heißwind-Kupolofen dar, weil er als „kleiner Hochschachtofen“ die Bedürfnisse der Eisengießereien nach schnellem Wechsel der zu verarbeitenden Gusseisensorten ermöglicht.

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, der auch Raffinieren und Legieren zulässt, und übergeben von dort entweder Flüssigmetall an eine angeschlossene Gießhütte oder leiten es an Formgießereien weiter. Der eigentliche Unterschied liegt indes in der Schmelzanlage, die bei den Sekundärerzeugern einer vorgeschalteten Sortierung und Aufbereitung bedarf, bevor das aus vielen Quellen kommende Altaluminium werterhaltend geschmolzen werden kann. Die Schmelzen selbst unterliegen dann einer mit der Primärerzeugung zu vergleichenden Behandlung, wobei sich das Legieren in Anbetracht der bereits vorhandenen Legierungselemente oft auf Korrekturen beschränken kann.

Unterstützende Wissenschaften und Techniken

Wenn man die neuzeitliche Metallurgie mit ihren historischen Anfängen vergleicht, die 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 fortschreitenden Entwicklungen zu 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.

Metallurgie und Umweltschutz muss innerhalb dieses Abschnittes besonders hervorgehoben werden, denn im umweltbewussten 21. Jahrhundert sind beide Stellung und Lösung des Problems zugleich. Die Analytik hat über das hinaus, was metallurgisch von ihr verlangt wird, jetzt noch 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 und gibt damit 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 bestimmende 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: Durch bessere Isolierung aller Ofentypen, verfeinerte und automatisierte Steuerung der Brenner, Rückgewinnung von Wärme (siehe Regenerativfeuerung), Nutzung von Abwärme (Fernheizung) ist bereits vieles von den durch die Zeitumstände gebotenem verwirklicht, oder geht der Verwirklichung entgegen. Rostrote Schornsteinabgase (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 z. B. 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, bzw. 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) erfasst man trocken durch Elektrofilter oder mittels vorgeschalteter Nassabscheidung in einer Abluftreinigungsanlage, die mit Durchsatzmengen von 100.000 m³ pro Stunde heute keine Einzelfälle mehr sind (das getrocknete Filtrat unterliegt gesetzlich bestimmter Verwertungspflicht, die aber häufig die Vorkosten verringernd im eigenen Betrieb erfolgen kann. Besonders gilt dies für 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. Je nach Zusammensetzung sind sie zu erneutem Einsatz als Oxidationsschutz in Schmelzöfen oder auch als „Füller“, sogar als Belag („Pflaster“) im Straßenbau geeignet.

Es versteht sich von selbst, dass bei allen genannten Vorgängen die präzise Analytik unerlässlich ist.

Was die Wichtigkeit metallurgischer Forschung betrifft, besonders die Umsetzung von Forschungsergebnissen, ist die Eisenmetallurgie in Vielem federführend, aber für Neuheiten besonders zugänglich ist auch das Gießereiwesen als eine der Metallurgie zuzuordnende, wissenschaftlich unterstützte Technik (Gesamtgebiet Gießereiforschung).

Die Bereitstellung von Schmelze „just in time“ und damit verbunden die Automatisierung von Schmelz-, besonders aber von Gießvorgängen ist ohne moderne Elektronik (u. a. Roboterisierung) nicht denkbar, weshalb auch ihr der Rang einer Hilfswissenschaft der Metallurgie zukommt.

Mit speziellem Bezug auf das gesamte Gießereiwesen, eisen- oder nichteisen-metallisch, verdient auch die Formherstellung und die Steuerung der Erstarrung in der Form den Begriff einer Hilfswissenschaft. Als Beispiel gilt u. a. die moderne Modellbautechnik durch erodierende, fräsende, als CNC-Technik bezeichnete Verfahren – von der Zeichnung direkt zur ausgefrästen oder schichtenweise pulvermetallurgisch aufgespritzten Form für Prototypen und Kleinserien, um erst nach hieraus gewonnener Erfahrung die Dauerform für Großserien zu fertigen. Eine besondere Technik ist die Formherstellung für Feinguss. Die Gussmodelle werden hierfür aus Wachs oder Kunststoff hergestellt, mit keramischer Schale umhüllt, das Modell ausgeschmolzen oder ausgebrannt und dann abgegossen. Für Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt (Zinn) werden Dauerformen mit temperaturresistentem und formgebend aufgetragenem Chlorkautschuk hergestellt und können feinste Details der Vorlage wiedergeben.

Nicht minder bedeutend ist der Fortschritt bei der vollautomatischen Herstellung von Sandgussformen, z. B. im Großserien-Motorenbau (DISA-Technik der Fa. DISA Industrie AG). Bei Formstoffbindemitteln (wichtig für Sandguss) war das Croning-(Kunstharz-)Verfahren vor 50 Jahren Schrittmacher, heute setzen die Gießereien unterschiedlichste, betont umweltfreundliche Formstoffbindemittel ein, die zu Recht dem gießereitechnischen Sektor der Metallurgie zuzuordnen sind. Die Herstellung druckgegossener Teile aus Messing, Aluminium- und Magnesiumlegierungen lässt den Bau von Dauerformen (siehe oben) zu einer weiteren Hilfsindustrie werden, die nicht nur die Optimierung der Werkzeugstähle verlangt (hohe Beanspruchung durch Flüssigmetall sowie den taktbezogenen, abrupten Temperaturwechsel), sondern auch ihrerseits Erzeugnisse entwickelt hat, die die Formen schützen wie auch die Erstarrung lenken; das Grundprinzip des Baus von Dauerformen ist, dass schnelle Erstarrung durch wärmeableitende, schwarze Formschlichtung ein feinkörniges Gefüge begünstigt, wohingegen eine weiße Schlichtung die Erstarrung verzögert, Nachspeisung begünstigt und dadurch das Gefüge vergröbert.

Zu den meistgenutzten Helfern in der angewandten Metallurgie gehört, außer der chemischen Analyse, auch die mechanische Prüfung an genormten Probestäben. Die thermische Analyse (TA) zeigt Gefügezustand und die Auswirkung gefügebeeinflussender Elemente (Natrium, Strontium, Antimon, Phosphor) bei AlSi-Legierungen. Fertige Teile kontrolliert man durch Röntgen, Scannen, Sonographie sogar mittels Magnetresonanz.

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

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
• 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)
• 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

Weblinks

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
• Hochschule Aalen; Forschung Metallguss

Weitere Links

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