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Metallurgie (gleichbedeutend auch Hüttenwesen) bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren und Methoden zur Gewinnung und technischen Weiterverarbeitung von Metallen und ihnen hinsichtlich der angestrebten Zwecke gleichzusetzender chemischer Elemente.

Der erstmalige Gebrauch des Wortes Metallurgie ist nicht eindeutig nachweisbar, es ist aber griechischen 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.

Die Metallurgie befasst sich insbesondere mit der Gewinnung der Metalle aus dem Erz (Verhüttung), dazu gehört auch die Entwicklung und Instrumentalisierung von Verfahren und Prozessen. Der Abbau und die Aufbereitung der Erze sind Aufgabe des Bergbaus, der historisch so eng mit dem Hüttenwesen verknüpft ist, dass sich Übergänge zwischen bloßer Aufbereitung und Verhüttung ergeben.

Am Anfang steht in jedem Fall das historische Kupfer- oder Bronzewerkzeug, dessen Vorstufe der erschmolzene Erzklumpen ist. Ein in relativ großen Mengen verfügbar werdendes Zwischenprodukt ist mit Ingangsetzung des ersten Hochofens das Roheisen, dessen Gewinnung der Stahlerzeugung einige Jahrhunderte vorausgeht. Das Stahlzeitalter und seit dem Ende des 19. Jahrhunderts die „Erdmetallzeit“ bringen Schiffe, Flugzeuge und Automobile hervor.

Da fast alle traditionsreichen deutschen Lagerstätten wie der an Zink reiche Goslarer Rammelsberg, die hessisch-siegerländischen Eisenerzgruben, ebenso die über Jahrhunderte betriebenen Bergwerke im slowakischen Erzgebirge und andere europäische Vorkommen weitgehend ausgebeutet sind, müssen nicht nur parallel zum immer noch steigenden Verbrauch, sondern diesem vorausgreifend, weltweit neue Vorkommen, unter Führung inzwischen global agierender Großunternehmen, gefunden und aufwändig zur Ausbeutung vorbereitet werden. Es ist nicht auszuschließen, dass die rasch wachsende Weltbevölkerung eine Verknappung mittels derzeitiger technischer Mittel zu gewinnender Rohstoffe bedingt. Dies wiederum verlangt nach verbesserten, insbesondere energiesparenden und Nachhaltigkeit bewirkenden 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 schon im 19. Jahrhundert in überschaubare Teilbereiche aufgegliedert wurde. Nimmt man Ausgangsstoffe und Produktionsmengen als Kriterium, sind die Eisenmetallurgie und die Nichteisenmetallurgie die bedeutendsten Teilgebiete.

Den jeweils letzten Stand der Technik sichert den Haupt- wie den Nebendisziplinen nicht nur die eigene Forschung. Unterstützung findet sie bei, den Gesamtprozess vom Ausgangsstoff bis zu gebrauchsfertigen Gütern begleitenden, selbstständigen Wissenschaften, zu denen gleichermaßen bedeutend die Metallkunde, eng verbunden mit der Materialkunde, die Chemie) und vielfältige Techniken, wie beispielsweise der Anlagenbau, zu rechnen sind.

Inhaltsverzeichnis 1 Die Entwicklung der Metallurgie von der Jungsteinzeit bis zum Beginn der „Moderne“, eine Zeittafel 1.1 Vom Kupferbeil bis zur Bronzezeit 1.2 Vorderer Orient, Indien, China, Südostasien, Japan 1.3 Biblische Überlieferungen 1.4 Von der frühen zur späten Bronzezeit und zum Beginn der frühen Eisenzeit 1.5 Die langsamen Fortschritte der Eisenzeit 1.6 Überlagerung metallurgischer Epochen durch Herrschaftseinflüsse 1.7 Vom ersten mittelalterlichen Hochofen bis zum Elektrostahlwerk 1.7.1 Der metallurgische Weg in die wirkliche Eisenzeit 1.7.2 Die Wiederkehr des Kupfers 1.7.3 Die „Erdmetalle“ kommen 2 Stand der Metallurgie zu Beginn des 21. Jahrhunderts 2.1 Gewinnung der Ausgangsstoffe 2.2 Einteilung der Metalle nach metallurgischer Bedeutung 2.2.1 Hauptmetalle 2.2.2 Begleitmetalle 2.3 Metallurgische Grundprozesse 2.3.1 Pyrometallurgie 2.3.2 Hydrometallurgie 2.3.3 Elektrometallurgie 2.3.4 Pulvermetallurgie 2.3.5 Sekundärmetallurgie 2.3.6 Nuklearmetallurgie 3 Verhüttungs- und Weiterverarbeitungstechnik 3.1 Eisen 3.2 Aluminium, Magnesium 3.3 Kupfer 3.4 Edelmetalle 3.5 „Industriemetalle“ und industriell genutzte Metalle 4 Recyclingmetallurgie 5 Ofentechnik 6 Bedeutung der Metallurgie als Wirtschaftszweig 7 Unterstützende Wissenschaften und Techniken 8 Metallurgie und Umweltschutz 9 Namhafte Metallurgen 9.1 Historisch 9.2 Eisenbezogen 9.3 Nichteisenmetalle 9.4 Lehrer und Forscher 9.5 Herangezogene Literatur 9.5.1 Lexika 9.5.2 Fachliteratur 9.5.3 Sonstige Quellen 10 Weiterführende Literatur 11 Fußnoten 12 Weblinks

[Bearbeiten] Die Entwicklung der Metallurgie von der Jungsteinzeit bis zum Beginn der „Moderne“, eine 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	Beile aus Kupfer
bis 2500 v. Chr.	Frühe Bronzezeit	Vordringen der Bronze aus dem Kaukasus in den mittelmeerischen Raum und nach Ägypten.
1700–800 v. Chr.	Bronzezeit	Bronzene Streitwage und Waffen, Schwerter, Denkmale, Schmuck (Bronzefibeln), Münzen, Werkzeug (Äxte), Bauwesen (Klammern als Verbinder von Marmorteilen)
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.	Frühe Eisenzeit	Hallstattkultur, erste Eisengegenstände
bis 600 v. Chr.	Beginn der Eisenzeit in China
bis 500 v. Chr.	Hohe Zeit hellenisch-römischer Antike
bis 450 v. Chr.	Jüngere Eisenzeit, La Tène-Kultur	weiterentwickelte Eisenverwendung
Zeitenwende		Römische Verhüttungsanlagen entstehen in erznahen Gebieten, auch im Siegerland
200 n. Chr.	Spätantike Zeit	Fabricae treten zunehmend an die Stelle des Handwerks, auch in der Metallverarbeitung
200–600 n. Chr.	Zeit der Völkerwanderung, Ende der Spätantike	Ruhige Weiterentwicklung bei Eisen (Waffen, technische Gerätschaften), Bronze weiterhin in Münzen, Denkmälern, Reliefs, Kleinbildnissen
um 1180	Beginn der Besiedelung des böhmisch-sächsischen Erzgebirges	vorerst nur gezielter Silberbergbau.
im 14. Jahrhundert		erste „Hochschachtöfen"
im 15. Jahrhundert		zunehmende frühindustrielle Eisengewinnung und -verarbeitung
im 16. Jahrhundert	Beginn der Moderne	mit Georgius Agricola (XII Libri) treten technische Hilfsmittel zur Erzgewinnung und Verarbeitung an die Stelle bloßer Handarbeit aus böhmischem Silberabbau werden 1519 die ersten Joachimsthaler geprägt.

[Bearbeiten] Vom Kupferbeil bis zur Bronzezeit

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 dazu auch Zeittafel oben). Neuere Forschungen in Anatolien wollen 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 beginnt es mit einem zufälligen Fund von gediegenem Metall, vermutlich Flussgold aus Gebirgen, oder weil ein sehr metallreiches Erz den damaligen Menschen durch sein Gewicht oder einen besonderen, rötlichen Farbton (siehe Rotkupfererz) auffiel. Es ist vorstellbar, dass ein aus solchem Gestein errichteter fester Herd mit natürlichem Zug bei intensivem Gebrauch und Durchsatz harzreicher Hölzer 1000 °C erreichte und auf einmal Kupfer, oder schon eine Legierung ausschwitzte und so metallurgische Überlegungen anregte.

Erste zweckgerichtete Schmelzöfen werden bereits für die frühe Kupferzeit (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 Zentren metallurgischer Weiterentwicklung, die sich durch Handelsstraßen miteinander verbinden. Dies geschieht in Mitteleuropa, in Südspanien (iberisch), in England, im Karpatenraum und dem Balkan. Ihm fließt um 3000 v. Chr., also dem Beginn der frühen Bronzezeit, Wissen aus dem Kaukasus und aus Anatolien ebenso zu, wie es nach Mykene, Kreta und Ägypten 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 Zypern“) 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 als Wertaufbewahrungsmittel erkennt bereits Pharao Menes aus der ersten Dynastie des „alten Reichs“, er lässt kleine Goldbarren mit einem „Garantiestempel“ versehen. Man darf daraus ableiten, dass man bereits 3000 v. Chr. Gold zu schmelzen und zu bearbeiten verstand. Goldschmuck war nicht nur in Troja („Schatz des Priamos“) bekannt und weit früher, als es Heinrich Schliemann datierte. Die Skythen, ein Reitervolk ohne Schrift und Münzwesen, insofern noch keine Hochkultur, stellen bereits sehr kunstfertigen Goldschmuck her, wie man aus ihren erschlossenen Fürstengräbern (Kurgane) weiß. Auch die Kelten verwenden Gold für Schmuckgegenstände und Herrschaftsinsignien. Als Mittel zur kontrollierbaren Wertaufbewahrung wird Gold ungefähr 600 v. Chr. von König Krösus von Lydien zu Münzen geschlagen („Goldstater“) und damit zugleich auch zum Zahlungsmittel. Die ägyptischen Ptolemäer gewinnen in vorchristlicher Zeit Gold bergmännisch in Golderz führenden „Minen“, die Römer beuten die spanischen Silbererzvorkommen aus, um Münzen, Statuen, Gefäße und andere Beweise des Reichtums herzustellen.

[Bearbeiten] Vorderer Orient, Indien, China, Südostasien, Japan

Im vorderen Orient finden sich Bronzen (Königskopf) aus der Zeit des akkadischen Reichs um 2300 v. Chr. Die dazu nötigen Kenntnisse waren demnach vorhanden, doch bevorzugten die nachfolgenden Reiche Abbildungen in Stein oder Alabaster. In Teilen des indischen Subkontinents wird zu Ende des 4. Jahrtausends v. Chr. der Gebrauch von Kupfer und Bronze nachweisbar, zeitgleich mit der „Herausbildung städtischen Lebens“ (Indus-Kulturen). Südostasien kennt Kupfer und Bronze etwa seit 3000 v. Chr. Aus China wird dies erst um 1600 v. Chr. berichtet. Gut bearbeitbare Legierungen (mit erniedrigten Schmelzpunkten), wie goldfarbenes Messing werden erfunden. Weitgehend dokumentiert ist der Einfluss der von 1700 bis 1100 v. Chr. herrschenden Shang-Dynastie, auf die man die bronzenen Trommeln (Dong So) zurückführt, die um 1000 v. Chr. besonders häufig in Vietnam anzutreffen sind.

Japan steht sehr lange unter dem Einfluss Chinas. Erste Belege für metallurgisches Wirken sind Bronzespiegel aus der Periode zwischen 3000 bis 710 v. Chr. Die Yayoi-Zeit ab 350 v. Chr. wird ebenfalls durch Spiegel, ferner Glocken und Waffen sichtbar.

In der Gesamtschau steht der asiatische Raum mit seinen metallurgischen Kenntnissen nicht hinter dem europäischen zurück, wenngleich erst seit 600 v. Chr. von einer beginnenden Eisenzeit gesprochen wird. Karawanenwege, wie die Seidenstraße, vielleicht mehr noch der Handel auf dem Seewege beschleunigen den Austausch von Erkenntnissen und aus diesen entstandenen Produkten von nun an zunehmend. Dazu gehört eine bis ca. 200 v. Chr. in Europa unbekannte, weißglänzende Kupferlegierung, die in China „Packfong“ genannt wird.

[Bearbeiten] Biblische Überlieferungen

Sie sind zeitlich nicht immer genau einzuordnen, behandeln aber Fakten, die in sehr alten Schriftstücken festgehalten wurden.

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), Treibarbeit (zur Entbleiung), werden fachlich korrekt an verschiedenen Stellen der alttestamentarischen Bibel beschrieben. Mit (Tubal-Kain 1. Buch Mose 4:22) und Maleachi werden frühe Metallurgen und ihre pyrometallurgischen Techniken beschrieben. Sie weichen von den heutigen in ihren Grundlagen nur wenig ab. Schmuck- und Gebrauchsgegenstände aus Gold, Silber und Bronze können hergestellt werden, auch Eisen ist bekannt und wird verwendet.

In Jeremia 6, Vers 27–30 wird ein Metallurge zum Richter über Abtrünnige, die er in einem Vergleich mit ungenügend getriebenem als „verworfenes Silber“ bezeichnet. Im 2. Buch Mose, 32:1-4, wird vom „Goldenen Kalb“ überliefert, dass es aus eingeschmolzenem Schmuck der sich von Jahwe abwendenden Israeliten gegossen worden sein soll.

[Bearbeiten] 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^[1], doch setzt sich die Kenntnis der gezielten Verbesserung der Eigenschaften von Kupfergegenständen durch Zulegieren von Zinn und auch Zink im Zeitverlauf durch. (Messing als Kupfer-Zinklegierung soll sowohl chinesischer, wie 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. Man kennt sehr frühe figürliche Gegenstände (Hallstattfunde), gefolgt von täglichen Zwecken Dienendem (römische Zeit mit Gefäßen, Röhren, Platten). Bleiguss erlangt noch eine späte Blüte in Denkmälern der Barockzeit, wobei die Giftigkeit der beim Schmelzen auftretenden Bleidämpfe sehr lange nicht beachtet wurde.

Ein weiteres „historisches“ Metall ist Nickel. Als Bestandteil von Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) findet es sich erstmals um 200 v. Chr.“ in China. Bis heute ist das nickelhaltige Neusilber Basistyp für Bestecklegierungen.

[Bearbeiten] Die langsamen Fortschritte der Eisenzeit

Bereits in der mittleren Bronzezeit ab 1200 v. Chr. beginnt die allmähliche Verdrängung der Bronze durch Eisen, dessen Gewinnung möglich wurde – wenngleich nach heutigen Maßstäben auf noch recht einfache Weise – weil man die erforderlichen Grundprinzipien erlernt hatte. Sichtbar wurde dies in der um 700 v. Chr. voll ausgeprägten Hallstattkultur, die 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 allein Waffen, sondern Werkzeuge und Gebrauchsgegenstände werden nun aus Eisen gefertigt.

Historisch interessierend ist im Zusammenhang die Verwendung des aus dem Indogermanischen stammenden Wortes „ehern“, also „von großer Dauerhaftigkeit“ (vgl. „Aera“). Nördlich der Alpen verstand man darunter „Eisernes“, für Italiker und Iberer war es „Bronzenes“.

Ein langsamer Fortschritt, denn von in die Zeit um 5000 v. Chr. zurückdatierten Einzelfunden aus Ägypten 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 ab 660 v. Chr. auf Handelswegen aus Asien bis nach Nordafrika, findet sich aber erst 700 Jahre später (100 n. Chr.) im Süden des Kontinents. Die mittelamerikanischen Hochkulturen geben Belege für die Verwendung von Eisen sogar erst für die Zeit um 500 n. Chr.

[Bearbeiten] 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 setzen sich von Norden kommende, berittene „Krieger mit Eisenwaffen“ gegen einen noch mit Bronzeschwertern und zweirädrigen Streitwagen kämpfenden Gegner durch. Sie bringen aber nicht nur auf diesem Gebiet Fortschritte (Balkan- oder „Karpatentechnik“). Der bis dahin vorherrschende kretisch minoische Einfluss, Plätze wie Mykene und Tiryns einschließend, wird nach vielen lokalen und regionalen Kriegen schließlich von der sich über weite Teile des Mittelmeerraumes ausdehnenden (Magna Graecia) hellenischen Antike abgelöst (Tempelbau mit Hilfe von Bronzeklammern und dorischen, ionischen und korinthischen Kapitellen).

Gold und Silber findet man als gediegenes Metall, insbesondere leicht zugängliches Flussgold, oder als silberhaltige Ablagerungen, sowie aus sichtbar silberreichen Erzadern. Als wertvolles Gut werden Gold und Silber nicht nur zum Handelsgegenstand, sondern zur Beute auf Kriegszügen. Der so gewollte oder erzwungene regionale und überregionale Austausch trägt zur Verfeinerung aus Mykene und frühen Schichten Trojas überlieferter Kunstfertigkeit bei der Herstellung von ornamentalem Schmuck und Kultgegenständen bei. Von großer Bedeutung sind ab 700 v. Chr. die ersten Münzprägungen aus Gold oder Silber. Sparta als Ausnahme führt um 660 v. Chr. Eisen in Barrenform als „Inlandswährung“ ein.

Die hellenisch bestimmte Antike erreicht einen Höhepunkt um 500 v. Chr. in Neugriechenland, wird aber von da an 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 gilt, 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 immer noch vergleichsweise mühsam darzustellen 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, noch auf 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 unter Kaiser Konstantin zu einem christlichen Reich. Noch nicht völlig von der Bronzekultur gelöst (Denkmale) wird das weströmische Teilreich zuerst 476 durch Odoaker und wenig später 486 durch den Merowinger Chlodwig I. besetzt. 565 n. Chr. wird dem römischen Reich und damit der Spätantike genannten Zeit ein Ende gesetzt.

[Bearbeiten] Vom ersten mittelalterlichen Hochofen bis zum Elektrostahlwerk

Europa liegt lange hinsichtlich der „industriell“ betriebenen Gewinnung und Verarbeitung, nicht allein von Eisen, hinter China und auch 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. die Philister (Talbewohner im Unterschied zu den bergbewohnenden Israeliten) Kenntnisse in der Eisengewinnung besitzen.

[Bearbeiten] 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 die für die Eisengewinnung nötigen mehr als 1600 °C möglich. In der Bronzezeit werden zwar 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 sogenannte „Luppen“, ungeformte Klumpen aus schmiedbarem (weil kohlenstoffarmem) Eisen gewonnen und 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.

Obwohl in alten Aufzeichnungen von ersten Hochschachtöfen im 14. Jahrhundert und frühindustrieller Eisenerzeugung im 15. Jahrhundert berichtet wird, kann von einer im technischen Sinne zu Recht so genannten „Eisenzeit“ erst gesprochen werden, als es gegen Ende des 16. Jahrhunderts erstmals gelingt, mit durch Wasserkraft angetriebenen Blasebälgen dauerhaft Temperaturen von mehr als 1400 °C zu erreichen. Damit ließ sich der erste konzeptionell echte, aber noch auf Holzkohle angewiesene, Hochofen in Gang setzen, der Roheisen in nennenswerten Mengen erzeugen konnte. Mittelalterliche Büchsenmeister verarbeiten es als „Formguss“ zu Geschützen und Kanonenkugeln, später zu verschiedensten „Gusswaren“, wie der, eine ganze Industrie begründende, Siegerländer Ofenplattenguss).

Georgius Agricola (1494-1555), Mineraloge, Geologe und Verfasser des für Erzabbau und -verhüttung grundlegenden Werks „de re metallica, zwölf Bücher zu Bergbau und Hüttenwesen“, gibt mit genauen Beschreibungen und Stichen technischer Einrichtungen und Verfahren („Fahrkunst“, „Wasserkunst“), Stollenbau, Schmelzofenbau, Röst- und Treibarbeit, um nur einiges zu nennen) seinen Nachfolgern heute noch gültige Grundlagen für eine „moderne“ Metallurgie.

Ein nicht mehr mit Holzkohle, sondern mit Koks (engl. Coakes) betriebener Hochofen geht 1781 in England in Betrieb, 1796 folgt Gleiwitz. 1837 werden erstmals die heißen Gichtgase nutzbar gemacht (Faber-du-Faur-Verfahren). Da das frühe Roheisen mit bis zu 10 % Kohlenstoffgehalt weder schmiedbar noch schweißbar ist, werden verschiedene Methoden des „Frischens“, also des Kohlenstoffentzugs, entwickelt. Vom historischen Ansatz „Herdfrischen“ ausgehend, über den arbeitsintensiven „Puddelofen“, findet sich eine 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 der Kohlenstoff und mit ihm noch andere unerwünschte, oxydierbare Beimengungen des Roheisens, wie (das Prozesswärme liefernde) Silizium – so weit 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 eine nochmalige Verbesserung mit dem LD-Verfahren, das zum Frischen 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 oxydhaltigem Schrott zu kohlenstoffarmem 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 Stählen oder Gusseisensorten.

An die Stelle des auf maximalen Durchsatz ausgelegten Hochofenwerks (Duisburg-Meiderich, mit Kohlevorkommen und Binnenhafen), das wegen seines großen Rohstoffbedarfs wenigstens einen Standortvorteil nutzen muss, sei es ein Erzvorkommen, lokaler Kohleabbau, oder sehr gute Infrastruktur, tritt in erz- und kohlearmen Regionen das Elektrostahlwerk (Mini-Stahlwerk), das nicht nur kleiner ist, sondern sich auch an die verfügbaren Mengen seines Rohstoffs Schrott anpasst. Die Roheisenerzeugung wandert mit dem angeschlossenen Stahlwerk zu den Basisrohstoffen ab, sei es zum Erz oder zur Kohle. Beispiel: Das Hochofenwerk von ThyssenKrupp in Brasilien (Belo Horizonte).

[Bearbeiten] Die Wiederkehr des Kupfers

Seit der Mitte des 19. Jahrhunderts und der einsetzenden Industrialisierung beginnt in Europa eine Art neuer Zeit für Kupfer und Kupferlegierungen: Nicht mehr die Bronzen stehen nun im Vordergrund. Die Wiederkehr des Kupfers wird unter anderem bestimmt von einer neuen Legierung auf Kupferbasis, sie heißt „Gun Metal“ oder „Kanonenbronze“ und ist eine damaligen militärischen Anforderungen gerecht werdende Kupfer-Zinn-Zink-Blei-Legierung, hauptsächlich für Geschütze. Später und bis heute wird sie als Maschinenbronze oder Rotguss bezeichnet und als solcher besonders für Armaturen eingesetzt.

In gleicher Weise von Bedeutung für den Verbrauch von Kupfer ist die Wiederentdeckung des historischen Messings als besonders vielseitige Guss - wie Knetlegierung (Patronenhülsen, Kartuschen, Bleche), Drähte und daraus hergestellte Drahtgeflechte). Aus feinen Messingdrähten gefertigte Siebe für Haus und Gewerbe trugen die Bezeichnung Leonische Waren. Heute sind es die in hochspezialisierten Werken hergestellten „Kabelbäume“, nach denen die moderne Elektronik nicht nur in Kraftfahrzeugen und Großflugzeugen verlangt.

Der zivile Bereich benötigt mit der Einführung der Telegrafie, später des Telefons, größere Entfernungen überbrückende, hoch leitfähige Kupferdrähte. Gleiches gilt für die Ankerwicklung, seit Werner von Siemens 1866 das dynamo-elektrische Prinzip entdeckte und durch die damit ermöglichte Anwendung des Elektromagneten gegen Ende des 19. Jahrhunderts kleine, schnelllaufende Elektroantriebe (Elektromotoren) für Arbeitsmaschinen verfügbar waren und Dampfmaschine und Treibriemen allmählich ersetzten. Zugleich war für weitere Erfinder der Anstoß zur Starkstromerzeugung und damit wieder Bedarf für die zur Übertragung nötigen Freileitungen aus Kupfer gegeben.

Für öffentliche und individuelle Heizung und Wasserversorgung (Armaturen) bildet sich Bedarf an Kupferrohren. Der wassergekühlte Verbrennungsmotor in Automobilen verlangt nach dem Röhrenkühler aus Kupfer (Kühler).

Im Schiffbau findet das korrosionsfeste und Muschelbewuchs abwehrende Kupfer unterhalb der Wasserlinie Anwendung (Fouling), oberhalb dominiert dagegen Messing bei Ausrüstungsgegenständen, Beschlägen und Instrumenten. Die dabei bewiesene Resistenz gegen Witterungseinflüsse lässt zahlreiche Einsatzmöglichkeiten im Bauwesen wie im Verkehr entstehen. Die bakterizide Eigenschaft von Messingklinken und -griffen zeigte sich bei öffentlichen Verkehrsmitteln von Vorteil.

[Bearbeiten] Die „Erdmetalle“ kommen

Zur sich den Erfordernissen der Moderne (Stahlkonstruktionen, Eiffelturm) anpassenden „Eisenzeit“ gehört seit dem Ende des 19. Jahrhunderts etwas metallurgisch völlig Neues, die „Erdmetallzeit“. Die Bezeichnung Erdmetalle tragen die sie bestimmenden Elemente deshalb, weil sie als metallführendes Erz nicht vorkommen, sondern nur in Verbindungen, die als Erden bezeichnet werden. Meist ist dies die oxydische Form, bei Aluminium, dem bekanntesten aller Erdmetalle der Gruppe IIIa des periodischen Systems der Elemente, der Bauxit Bauxit. Die der gleichen Gruppe angehörenden Seltenerdmetalle sind zwar industriell keineswegs unbedeutend, doch ist von ihnen Cer in Form seines Mischmetalls das für die Metallurgie wichtigste Element, weil es zur Gefügebeeinflussung, nicht nur von Stählen, verwendet wird.

Bescheiden ist bei Aluminium der Anfang. Friedrich Wöhler reduziert es 1828 erstmals als ein graues Pulver, obschon Aluminium als Element schon 1825 von Hans Christian Ørsted entdeckt wird. 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 Bezeichnung als „Erdmetall“ kommt an erster Stelle dem Aluminium zu. Das ebenfalls zur Gruppe IIIa gehörende Scandium, ist mit der Dichte 2,98 ein weiteres Leichtmetall, aber erst im Zeitalter der Raumfahrttechnik von Interesse. Bor ist ein Nichtmetall, das nur in Form oxydischer Verbindungen vorkommt, in der Metallurgie findet es Verwendung bei der Härtung von Stählen, als Zusatz bei Aluminium-Legierungen und als Neutronenbremse in der Nukleartechnik. Als Erdmetall lassen sich dem Aluminium aber andere Elemente beiordnen, die zwar nicht in die gleiche Gruppe gehören, sich aber insoweit vergleichbar darstellen, als sie in der freien Natur nie als Minerale und in Erzlagerstätten vorkommen, sondern nur als chemische Verbindungen, meist Chloride, Silikate, Carbonate. Ein Beispiel gibt Magnesium, das zwar als Chlorid vorkommt (Totes Meer), weitaus reichlicher aber weltweit als Magnesit. Cer und andere Seltenerdmetalle werden aus Monazitsand, einem mineralischen Verwitterungsprodukt, gewonnen. Eine Ausnahmestellung nimmt Titan ein. Es kommt als Erz in Form von Rutil, Anatas oder Ilmenitvor, ist aber selten. 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 zählt es noch zu den Leichtmetallen.

Mit den Erdmetallen und ihnen erschließungstechnisch verwandten Elementen beginnt die „Leichtmetallzeit“. Als metallurgische Epoche muss sie in jedem Fall gesehen werden und tritt neben die noch immer dominierende „Eisenzeit“. In einem überschaubaren Zeitraum werden die Leichtmetalle das Eisen nicht so verdrängen, wie dieses die Bronze verdrängte und diese zuvor das Kupfer und das wiederum das Steinbeil und den Faustkeil.

[Bearbeiten] Stand der Metallurgie zu Beginn des 21. Jahrhunderts

[Bearbeiten] Gewinnung der Ausgangsstoffe

„Gediegenes“, also reines Metall zu finden stellt immer schon eine Ausnahme dar. Es wird das Metall im Erz gesucht. Die zu den Geowissenschaften gehörige Lagerstättenkunde behandelt die Entstehung der Vorkommen. Die Wissenschaften rund um den Bergbau (Prospektion) 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 findet man dort nur noch Kupfer, Zinn und Blei). Bekannt ist auch der historische Goldabbau in Österreich („Rauriser Tauerngold“). Weitere für Tagebau typische europäische Beispiele finden sich im schwedischen Falun (Blei, Zink, Kupfer), im Österreichischen Erzberg (Eisen) und davon nur unweit entfernt in Mittersill (Wolfram). Zu den wichtigen offenen Lagerstätten gehören auch Erz oder gelegentlich sogar noch „Gediegenes“ enthaltende, geologisch so bezeichnete „Sande“ und „Seifen“. Sie werden zumeist nach der Art ihrer Entstehung unterschieden. Metallurgisch am bedeutsamsten sind die residualen, nach Verwitterung von Umgebungsgestein übrig gebliebenen (beispielsweise Magnetit oder Magneteisenerz) und die alluvialen, von zu Tal gehendem Wasser angeschwemmten (z. B. 1848 in Kalifornien sehr goldreich am American River entdeckt), sowie, geologisch vergleichbar, die zinnhaltigen, marinen, küstennahen Seifen Malaysias und Indonesiens mit 30 % Anteil an der Weltproduktion, ebenso der Cer enthaltende Monazitsand Westaustraliens) sowie die titanhaltigen Ilmenitsande (black sands). Als „Rückstandsgesteine“, den „Sanden“ nahe stehend, gelten auch die Nickel-Laterit-Erze, die sich, geologisch bedingt, nur in niederen, äquatornahen 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 („Totes Meer“) zu gewinnen ist.
• der offene Abbau von Bauxit, einem rötlichen Sedimentgestein, das – zu reiner Tonerde umgewandelt – Grundstoff der Aluminiumerzeugung ist.
• Zukunftsaufgabe mit großem metallurgischen Nutzen ist der zwar schon seit Jahrzehnten prospektierte, technisch aber immer noch nicht befriedigend gelöste Tiefseebergbau von Manganknollen mit bis zu 27 % Mangan und weiteren Metallen, darunter bis zu 1 % Nickel. Mehr noch gilt dies für die seit 2007 unter dem Nordpol in 4000 m Tiefe vermuteten, Lagerstätten von Mineralien, Erdöl und Erdgas.

[Bearbeiten] Einteilung der Metalle nach metallurgischer Bedeutung

Eine gebräuchliche Einteilung geht vom prozentualen Anteil an der Erdkruste (nicht dem NiFe-Erdkern) aus, doch besagt dies nichts über die metallurgische Bedeutung. Beryllium hat einen Anteil von nur 0,006 %, Magnesium dagegen von 1,95 %, bedarf aber bei der Weiterverarbeitung unbedingt des selteneren Partners als Oxydationshemmer. Die Praxis hält sich eher an die Unterscheidung zwischen Haupt- und Nebenmetallen. Aluminium ist ein Hauptmetall geworden, spät als solches erkannt, weil es gleich dem Silizium in der Natur nicht metallisch vorkommt. Das Tonmineral Bauxit (früher oft 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 Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium. Da sie niemals metallisch, sondern nur in Form nichtmetallischer Verbindungen, wie Salze, Carbonate, Silikate vorkommen, wurden sie an früherer Stelle (Abschnitt Die „Erdmetalle“ kommen), auch wegen der Vergleichbarkeit des Gewinnungsprozesses, den Erdmetallen beigeordnet.

Besonders gilt dies 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 unter anderem für die Stahlberuhigung nach dem Frischen verwendete Ferrosilizium (FeSi). Gleich wie Aluminium und Mangan wirkt es desoxydierend (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, sei es im (Sandguss, aber auch bei schweremKokillenguss), wie Motorenteilen (Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe).

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 Weltproduktion ist beachtlich. (Chipfertigung: beispielsweise Dresden/„Elbe-Valley“).

Eine weitere Möglichkeit 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) folgen mit Abstand. 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.

Verbreitet ist ferner 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 historischen Basismetallen gleichgestellt.

Eine schon einleitend genannte Unterscheidung sieht an erster Stelle das mengenmäßig bedeutendere Eisen und seine Metallurgie, dem erst mit Abstand die Nichteisenmetalle folgen.

[Bearbeiten] Hauptmetalle

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, werden in neuester Zeit wieder Kupferbleche für Dachbedeckung und Regenrinnen verwendet. Sie wirken im Neuzustand dekorativer als feuerverzinkte Eisenbleche. Die mit der Zeit entstehende Patina (Grünfärbung) wurde schon früher geschätzt. Fälschlich als (giftiger) Grünspan bezeichnet, besteht sie jedoch aus ungiftigem 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 zwar alle als Kupferlegierungen bezeichnet, aber zwischen Bronzen und Sonderbronzen (vergleiche Berylliumbronze) sowie Messingen (Alpha- oder Beta-Messing mit 63/58 % Zink), gibt es doch deutliche Unterschiede in den Eigenschaften. Ein leicht erkennbares Beispiel gibt das farblich völlig vom gewohnten Kupferton abweichende „Neusilber“, früher auch als Weißkupfer und noch in neuerer Zeit auch mit dem in seinem Ursprungsland China entstandenen Begriff „Packfong“ bezeichnet.

Kupfer ist zudem Träger zahlreicher als „Vorlegierung“ in nichteisenmetallurgischen Prozessen zugesetzter Elemente. Bei Gusseisen ist Kupfer ein in vielfacher Hinsicht wertvolles Legierungselement.

Zinn ist seit der Bronzezeit wichtigstes Begleitmetall des Kupfers, als Reinzinn wird es nur noch wenig verarbeitet (Geschirrzinn, Zinnfiguren), es ist aber unverzichtbar für die Weißblechherstellung (Konservendosen). Lötzinn ist eine Zinnlegierung mit einem Schmelzpunkt von unter 330 °C. Ebenso wie Blei ist auch Zinn wichtiger Bestandteil von Lagerwerkstoffen (Gleitlager).

Blei ist geschichtlich (Römerzeit) ein Hauptmetall, heute wird es wegen seiner Giftigkeit für trinkwasserführende Systeme (Bleirohre) nicht mehr verwendet. Es wird mit als Ursache für den Untergang des Römerreichs angesehen.^[2] Ebenfalls giftig sind auf der Grundlage von Bleioxyd hergestellte Farben („Bleiweiß“, Bleimennige) und solche verwendende Spielzeuge für Kinder.

Blei-Antimon-Legierungen als Schriftmetalle sind als Folge moderner Drucktechnik weitgehend bedeutungslos geworden. Unverzichtbar ist Blei vorläufig noch für Akkumulatoren und als Bestandteil bleihaltiger Lagermetalle. Hier ist es besonders Bleibronze, eine Kupfer-Blei-Zinn-Legierung mit bis zu 26 % Bleianteil, die für hoch beanspruchte Gleitlager in Automobilmotoren verwendet wird.

Bei Messing-Knetlegierungen ist Blei ein die Zerspanung begünstigender Zusatz (maximal 3 %). Mit bis zu 7 % ist es Legierungsbegleiter von Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen (Maschinenbronze.

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 ManganträgerFerromangan oder FeMn50 bezeichnet), 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 Feinzink- Gusslegierungen mit Kupfer- und Aluminiumanteilen. Als wichtiger Begleiter findet sich Zink bei Kupferlegierungen (siehe oben), besonders seit mehr als zwei Jahrtausenden bei Messing.

Aluminium wird zwar auch als Rein- oder Reinstmetall verwendet, seine eigentliche Bedeutung als Knet- und 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 wird vor allem im Flugzeugbauund zuerst bei 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 und anderen, 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 einer Basisschmelze aus Reinaluminium als „Legierungsmittel“ oder „Vorlegierung auf Aluminiumbasis“ zugefügt werden.

[Bearbeiten] Begleitmetalle

Der Begriff Begleitmetalle (synonym: Legierungsbegleiter), ist umfassender als „Begleitelemente“ zu definieren, da Halb- und Nichtmetalle mit einzuschließen sind und wird nur bei der Herstellung von Legierungen benutzt. Ihr Anteil beträgt oft nur Zehntelprozente, kann aber ebenso 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 weitere wichtige Begleiter geben 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 Bronzen (Berylliumbronze) für funkenfreie Werkzeuge im Bergbau, als Desoxydationszusatz für Leitkupfer (hier über eine 5 %ige Vorlegierung) und im ppm-Bereich (ebenfalls über Vorlegierung dosiert), bei Aluminiumlegierungen zur Güteverbesserung und bei Magnesiumlegierungen – unabdingbar – zur Verringerung der Oxydation der Schmelze zugesetzt.

[Bearbeiten] Metallurgische Grundprozesse

Die im Abschnitt „Gewinnung der Ausgangsstoffe“ hinsichtlich Vorkommen und Gewinnung beschriebenen Elemente durchlaufen nach dieser ersten Prozessstufe eine weitere, die der Aufbereitung, bevor sie durch Verhüttung zu rein oder legiert nutzbaren Metallen und Halbmetallen werden.

Eine erste Scheidung oder Sichtung wird noch dem Bergbaubereich zugerechnet, der auch ein Tagebau sein kann. Die darauf folgende Verarbeitungsstufe gilt bereits als „hüttenmännische“ Arbeit. Die erforderlichen Maßnahmen sind dabei so vielfältig wie die Ausgangsstoffe selbst. Grundsätzlich unterschieden wird in trockene und nasse Verfahren, jeweils mit dem Ziel einer „Anreicherung“. Im Stollenabbau gefördertes „Haufwerk“, bedarf der Trennung des werthaltigen, erzreichen vom wertlosen erzarmen, „tauben“ Material, das als Gangart bezeichnet wird. Für die Trennung wird das Gestein durch Mahlen weiter zerkleinert, es folgen Sieben, Sichten, gegebenenfalls Magnetscheidung. Bei Gewinnung im Tagebau ist zumeist vorher Abraum unterschiedlicher Mächtigkeit zu entfernen.

Die weitere Verarbeitung der aufbereiteten Stoffe erfolgt gemäß sich jeweils anbietenden Grundtechniken:

[Bearbeiten] Pyrometallurgie

Unter Pyrometallurgie versteht man eine thermische Weiterbearbeitung von Erzen oder bereits gewonnenem Metall, sei es oxydierend, also unter Sauerstoffzufuhr erhitzt, (Rösten, Abrösten), oder reduzierend in sauerstofffreier Ofenatmosphäre. Dem zuzuordnen ist auch die Feuerraffination (Oxydieren und Verschlacken unerwünschter Elemente), ferner die Seigerung, nämlich Entmischung einer Schmelze unter Ausnutzung von Dichteunterschieden im Schmelzgut (Beispiel: Oberhalb seiner Löslichkeitsgrenze in Kupfer seigert Blei aus einer Kupferlegierungsschmelze aus, sinkt auf den Boden des Schmelzgefäßes). Ähnlich verhält es sich bei der Destillation, die bei vorgegebener Temperatur unterschiedliche Dampfdrücke der Stoffe zur Trennung in Fraktionen nutzt (Beispiel Zinkgewinnung aus abgeröstetem Zinkerz in Muffelöfen).

[Bearbeiten] 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 es, im Abbau gewonnenes Erz weiter anzureichern. Gleichen Zwecken dient das Auslaugen und Auskochen. Die Extraktion durch Säuren, Laugen, organische Lösungen und Bakterien gehört ebenfalls zur Hydrometallurgie. Durch chemische Fällungsverfahren oder mittels Elektrolyse werden ferner aus armen Erzen die mit geringer als 1 % enthaltenen Elemente (beispielsweise Edelmetalle) gewonnen. Die Hydrometallurgie wird daher im gegebenen Fall auch als „Elektrometallurgie auf nassem Wege“ bezeichnet.

[Bearbeiten] Elektrometallurgie

Die Elektrometallurgie umfasst elektrothermische und carbothermische (siehe Siliziumherstellung), sowie elektrolytische Verfahrenstechniken. Bei der bekanntesten Schmelzflusselektrolyse wird 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 kontinuierlichen Prozess der Metallentnahme und Gemischzuführung von Tonerde, wie der in besonderen Tonerdefabriken aufbereitete und getrocknete Bauxit genannt wird. Zur Produktionskontinuität 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 nachfolgender Elektrolyse, die (seit Bunsens Erkenntnissen) praktisch 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), im Fahrzeugbau (Volkswagen), in der Fotografie (Magnesiumpulverblitzlicht) und in der zivilen, wie militärischen Pyrotechnik (Raketen, Leuchtkugeln, Stabbrandbomben) verwendet. Im Zweiten Weltkrieg wurde Magnesium in Deutschland zu einem wichtigen, zudem von Einfuhren völlig unabhängigem Werkstoff. Heute wird es zunehmend für den Leichtbau bei Motoren und Aggregaten verwendet. Vorwiegend sind es im Druckgießverfahren hergestellte Teile, zum Teil ist es „Hybridguss“ (Aluminiumlegierung und Magnesiumlegierung werden in einem Gussstück zonenweise eingesetzt, um Gewicht zu sparen).

[Bearbeiten] Pulvermetallurgie

Der Begriff Pulvermetallurgie wird zwar verbreitet in Fachliteratur und Praxis 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 Feinstgranulat umzuwandeln. In Pulvermühlen lässt sich die Mehrzahl der Nutzmetalle – von Aluminium bis Zink – zu Pulvern mit Korngrößen von 0,1 - 500 µm zermahlen. Wegen der von allen Metallpulvern, wenn auch mit unterschiedlichem Gefahrenpotential, ausgehenden Explosionsgefahr im Kontakt mit Luftsauerstoff nimmt man eine Inertisierung oder auch Phlegmatisierung vor. Stabilisatoren, die von Wachs bis zu Phthalaten reichen, setzen die Explosionsempfindlichkeit herab. Magnesiumpulver ist wegen seines hochpyrophoren Verhaltens ein Sonderfall. Es kann nicht durch Mahlen, sondern nur durch „Abreiben“ von Blockmetall gewonnen werden.

Bedeutend sind Metallpulver, in diesem Fall korrekt anorganische Pigmente genannt, als Bestandteil von Metallic-Lacken bei Automobilen. Ein anderes Einsatzgebiet ist das Verpressen in Stahlformen unter sehr hohem Druck (2000 bar und mehr). Aus so verpressten reinen Metallpulvern, häufiger legierungsähnlichen Gemischen, können metallische Formteile hergestellt werden. Bei heißisostatischer Verpressung, der eine Erhitzung der Pulver bis zur Erweichungsgrenze vorangeht, werden die Eigenschaften gegossener Teile erreicht.

Im Formenbau werden Metallpulver bei kurzfristig verlangter Herstellung von Werkzeugen – Formen – für Pilotprojekte genutzt.

[Bearbeiten] Sekundärmetallurgie

Vornehmlich Stahlwerker wenden diesen Begriff an. Er bezeichnet jedoch keine eigenständige Metallurgie, sondern verschiedene, alternativ oder in Abfolge anwendbare, die Schmelzen verbessernde metallurgische Maßnahmen. Als „Pfannenmetallurgie“ dienen sie der Steigerung der Stahlqualität, etwa 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. In der Bewertung handelt es sich hier um Sonderformen der Schmelzebehandlung, wie sie auch bei anderen Metallen (beispielsweise in der Primäraluminiumerzeugung) üblich sind.

[Bearbeiten] 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 Zweiten Weltkriegs. In den USA wurde in den allein für diesen Zweck errichteten „Hanford works“ in großem Maßstab Nuklearmetallurgie betrieben, um genügend Plutonium für den Bau der „Atombombe“ herzustellen. Heute ist die zivile 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 (siehe auch bei „Uran“).

[Bearbeiten] Verhüttungs- und Weiterverarbeitungstechnik

Metallurgie und Hüttenwesen gelten bis heute als synonyme Begriffe und die Gewinnung und Aufbereitung der Erze wird als ein der „Verhüttung“ vorausgehender Prozess gesehen.

Der Fortschritt in Technik und Wissenschaft legt eine neue Gliederung nahe, in der die Metallurgie als übergeordnete, auch als Hüttenkunde vermittelte Wissenschaft, sich der Gewinnungs- und Aufbereitungstechnik und diese sich wiederum der Chemie bedient. Im enger verstandenen Hüttenwesen – einem Begriff, der an erster Stelle auf thermische Verfahren begründet ist –  gelangt man in bereits geschilderter Abfolge von den vorbehandelten Einsatzstoffen zu nutzbaren Metallen und Legierungen, Halb- und Fertigprodukten. Soweit Erstellung und Verarbeitung zur Grundlage eigenständiger Industrien wurden (Eisenindustrie, Kupferindustrie, Aluminiumindustrie), gebraucht man auch den Sammelbegriff „Industriemetalle“.

Der Arbeitsablauf in einer auf Verarbeitung von Erzen ausgerichteten Hütte, gleich ob Eisen oder Nichteisenmetalle zu gewinnen sind, besteht gewöhnlich 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.
4. Schmelzebehandlung durch oxydierend/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).

[Bearbeiten] 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.

Die klassische Eisenhütte erzeugt im Hochofen ausschließlich Roheisen. Er wird dazu mit einem Gattierung genannten Gemenge beschickt, dessen Erzanteil zuvor aufbereitet wurde. Ein Röstprozess oxydiert die Sulfide, die damit einhergehende Erhitzung entfernt weitere flüchtige Bestandteile, auch einen überhöhten Wassergehalt, wie beispielsweise bei der lothringische Minette (Minette bedeutet „kleines Erz“ weil der Gehalt an Eisen verhältnismäßig gering, etwa 20-40 %, ist). Den für den Hochofengang vorbereiteten, oxydischen, oxydhydratischen 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, das heißt der Ofen erkaltet nie; solange es seine Auskleidung zulässt, wird beschickt und abgestochen. Der Abstich weist sogenannte 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 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.

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, oxydierenden 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 (unter anderem 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 oxydierend 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 oxydierende (verbrennende) Frischen schließt sich die Entfernung überschüssigen, bereits an Eisen gebundenen Sauerstoffs (Desoxydation, „Beruhigung“) durch Zusatz leicht oxydierbarer Elemente an. Üblich sind Aluminium oder Silizium, dieses als Ferrosilizium (FeSi), das bei der carbothermischen Siliziumherstellung gewonnen wird (siehe oben). Oxydation und Desoxydation 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 und Eigenschaften unterschieden wird, beispielsweise hoch und niedrig legierter Stahl, legierter Kalt- oder Warmarbeitstahl, nichtrostender Stahl (NIROSTA mit mehr als 12 % Chrom), magnetischer, weichmagnetischer und „nichtmagnetischer“ Stahl und andere (Vollständige Auflistung beispielsweise unter „Stahl“ in „Giessereilexikon“.^[3]

Die Masse der Stähle, daher auch „Massenstahl“, wird dem Walzwerk zugeführt. Früheres Ausgangsmaterial des Verwalzens 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, zwischen „kontinuierlich“ (Strangtrennung mit „fliegender Säge“) oder diskontinuierlich (durch die Anlage vorgegebene maximale Stranglänge), weiterhin zwischen vertikalem, horizontalem oder Bogenstrangguss und schließlich zwischen „einsträngigen“ oder „mehrsträngigen“ Anlagen. 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). Besonders hochwertige Walzprodukte erzielt man mit einer Erwärmung, gefolgt von abschreckender Härtung und nachfolgendem „Anlassen“, das heißt Wiedererwärmen für den Walzprozess (dazu ausführlicher in „Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens“, Verband deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf).

Zu den wirtschaftlich bedeutenden Stahlerzeugnissen zählt man Baustähle (T-, Doppel-T, auch I-Träger, Monierstahl), ferner Schienen, Drähte, die im Walzprozess oder bei kleinen Durchmessern in der Drahtzieherei hergestellt werden. Stahlbleche, glatt oder profiliert (Wellblech) sind ein vielseitig genutztes Walzprodukt. Einseitig verzinnt bezeichnet man sie als Weißblech für die Dosenfertigung. Zahlreich sind die Stähle mit besonderen Eigenschaften, unter anderem Edelstähle, nichtrostender Stahl, Hartstähle (Panzerplatten) für militärische und zivile Zwecke.

Spezialstähle (unter anderem 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).

[Bearbeiten] 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, oft wird sie nur davon bestimmt, inwieweit es möglich ist, „schweres Eisen“ durch „leichtes Aluminium“ zu ersetzen (siehe auch Eisen).

Im Unterschied zu einer verbundenen Eisenhütte bezieht eine Aluminiumhütte ihren Rohstoff Tonerde aus einer auf die Umarbeitung von Bauxit zu calcinierter Tonerde spezialisierten, räumlich und wirtschaftlich getrennten Vorfertigung, einer „Tonerdefabrik“. Die von dort bezogene Tonerde wird im Gemisch mit Kryolith in hunderten von Zellen einer Schmelzflusselektrolyse eingesetzt und jede Zelle liefert 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. Ein Teil wird zu Rein- und Reinstaluminium (Glanzwerkstoffe, Folien), überwiegend wird es jedoch 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, weitere Legierungselemente zugesetzt, mit denen sie sich sie schließlich als Knet- oder als Gusslegierungen ausweisen.

Gusslegierungen werden entweder flüssig in eine Formgießerei verbracht, oder zu Masseln vergossen, was zwar Wärmeverlust bedeutet, aber lange Transportwege und Vorratshaltung ermöglicht. Der deutlich größere Teil des erzeugten Hüttenaluminiums geht indessen als Knetlegierung flüssig in eine der Primärhütte angeschlossene Hüttengießerei (cast-house) und wird dort zu Barrenguss (Flachbarren und Rundbarren). 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-Titan-Bor-Legierung zugeführt. Die Walzbarren erreichen Gewichte bis 40 t, Rundbarren werden in Vielfachkokille mit einer Stückzahl, die dem Durchmesser entspricht (achtfach und mehr), abgegossen. Das Gussprodukt ist erst einmal „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. Dem Bandgießen technisch verwandt sind die modernen Verfahren der Drahtherstellung.

Alles metallurgisch zu Aluminium Gesagte kann auf das noch leichtere und deshalb auch für Luft- und Raumfahrt sehr interessante Magnesium übertragen werden. Das aus der Schmelzflusselektrolyse gewonnene Reinmagnesium lässt sich legieren und kann gleich Aluminium als Guss- oder Knetwerkstoff weiterverarbeitet werden. Da geschmolzenes Magnesium an Luft sehr schnell oxydiert (Magnesiumbrand) wird es unter einem inerten Schutzgas und mit einem Berylliumzusatz von mehr als 10 ppm geschmolzen. Anwendungsgebiete für Magnesium wurden schon genannt, darüber hinaus findet es sich in der Eisengießerei als Entschwefelungsmittel bei der Herstellung von Gusseisen mit Kugelgraphit. Als Legierungselement führt es zu selbstaushärtenden Legierungen (siehe Duraluminium). Eigenschaftsbestimmend ist es als Zusatz für seewasserresistente Aluminium-Magnesium-Legierungen, denen seit dem Zweiten Weltkrieg noch Titan zugegeben wird (Hydronalium). Nach 1950 werden solche Legierungen zunehmend für eloxierbaren Gebrauchsguss verwendet (Maschinen für die Lebensmittelindustrie, Beschlagteile), und das sowohl im Sand- wie im Kokillengießverfahren. In der weitgehend automatisierten Druckgießtechnik werden sowohl Aluminium-Magnesium-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). Die aus Gründen der Gewichtseinsparung wieder verstärkte Verwendung von Magnesium wurde bereits erwähnt, nochmals ist auf das Hybridverfahren zur „geschichteten Formfüllung“ aus magnesiumfreien wie magnesiumreicheren Legierungen hinzuweisen, das sich an thermischer und mechanischer Beanspruchung bestimmter Zonen des Automobilmotors orientiert.

Unverändert ist Magnesium in der zivilen wie militärischen Pyrotechnik wichtiger Bestandteil aller Erzeugnisse.

[Bearbeiten] Kupfer

Die metallurgische Geschichte der Kupfergewinnung, Verhüttung und Weiterverarbeitung ist älter als die des Eisens (vergleiche dazu unter „die Wiederkehr des Kupfers“).

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, vorrangig der Bronzen. Die Glockenbronze in der Zusammensetzung 80 Teile Kupfer, 20 Teile Zinn ist allgemein bekannt. Seit dem Guss der ersten Kirchenglocken im 6. bis 8. Jahrhundert wird sie kaum verändert in überlieferter Technik vergossen (sehr wirklichkeitsnahe Beschreibung bei F. v. Schiller „Das Lied von der Glocke“). Metallurgisch ebenso bedeutsam wie die zahlreichen, zweckgerichteten Bronzelegierungen sind die zusammenfassend als Messing bezeichneten Kupfer-Zink-Legierungen. Mit seinem unter 1000 °C liegenden Schmelzpunkt ist Messing vielfältig einsetzbar. Mit 63 % Kupfer, Rest Zink, verwendet man es besonders für Formguss (Armaturen, Beschlagteile). Mit 58 % Kupfer, max. 3 % Blei, Rest Zink, wird es zu Halbzeug (Bleche, Profile, Drähte). Auch im Druckgießverfahren wird es verarbeitet.

Zu den im 19. Jahrhundert wirtschaftlich bedeutend gewordenen Kupferlegierungen gehören neben Gun Metal), einer Kupfer-Zinn-Zink-Blei-Legierung, Sondermessinge und -Bronzen, wie die Aluminiumbronze. Mit ca. 10 % Aluminium ist sie ein wertvolles, aber wegen der Oxydationsneigung 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, unter anderem als Alpaka und Argentan (siehe Packfong). Konstantan und Nickelin (eine Kupfer-Nickel-Legierung mit Manganzusatz) sind sehr korrosionsfeste Legierungen für Heizwiderstände.

Reinkupfer wird auch heute noch in Flammöfen als Schwarzkupfer aus seinen Erzen auf trockenem Wege gewonnen. Dabei werden alle Fremdelemente durch Oxydation entfernt, gleich dem „Verblasen“ von unedleren Bestandteilen durch Sauerstoffzufuhr in einem Bessemer-ähnlichen Prozess. Die weitere Raffination des Schwarzkupfers erfolgt lange auf fachsprachlich so bezeichnetem deutschem Weg im Schachtofen oder auf englischem Weg im Flammofen. Heute wird Kupfer fast 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 gleich wie bei Eisen und Aluminium den Marktforderungen an. Verlangt wird ein breites Spektrum von Kupferlegierungen. Der Bedarf an Messing wird nur in besonderen Fällen mit Primärlegierungen (siehe unten Recyclingmetallurgie) befriedigt, mehrheitlich sind es in einer Messinghütte (Messingwerk) aufgearbeitete Messingsammelschrotte (Altmetall), denen frische Fertigungsabfälle aus spanloser wie spanender Bearbeitung zugegeben werden. Geschmolzen wird im Induktionsofen. Abgegossen wird teils zu Masseln, mehrheitlich aber im vertikalen oder horizontalen Stranggießverfahren (Stranggießen) zu Walz- und Knetmaterial. Eine bei bei Kupfer, Messing und Aluminium schon länger, inzwischen auch bei Stahl angewendete besondere Fertigungstechnik ist die Herstellung von Drähten mittels des Properziverfahrens und des davon abgeleiteten Gießradverfahrens.

[Bearbeiten] Edelmetalle

Die Gewinnung von Gold und Silber, seit dem Jahr 600 v. Chr. auch als geprägtes Zahlungsmittel (Goldstater, Goldmünzen, Silbertaler) erfolgt zum Teil in den nahezu mythischen Minen der Königin von Saba. In Deutschland beginnt sie mit dem Flussgold (Rheingold). Es wird nach einem zeitgenössischen Bericht aus dem 12. Jahrhundert mittels heute noch geläufiger Goldwäsche-Technik aus dem Fluss gewaschen).

Wirtschaftlich bedeutend ist der Silberabbau im österreichischen Tirol mit Zentrum in Schwaz, wo im 15. und 16. Jahrhundert jährlich 30 t Silber gewonnen wurden. Überboten wird das erst durch die etwa zeitgleiche Unterwerfung und Ausplünderung der mittelamerikanischen Kulturen, als viele Schiffsladungen Gold und Silber nach Europa gelangen. Von 1494 bis 1850 sollen an die 4.700 t Gold aus Südamerika gekommen sein, das Silber nicht gerechnet, das in Form von Silbertalern und Silberpesos zur Grundlage umlaufender Münze wird. Die Golddeckung seiner Währung garantierte die besondere Solidität eines Staatswesens. Dies gilt so lange, bis noch während des Ersten Weltkriegs und in den Jahren danach die großen, als Folge der Kriegführung überschuldeten Wirtschaftsnationen, eine nach der anderen, den Goldstandard ihrer Währung, also die Garantie Papiergeld jederzeit in Gold umzutauschen, aufgaben oder aufgeben mussten. Es kursierten keine Goldmünzen mehr und auch die Silbermünzen verschwanden in den nächsten Jahrzehnten, Papiergeld trat an deren Stelle (volkswirtschaftliches Axiom: „Schlechtes Geld verdrängt das gute Geld“).

Ein Ausgleich dafür findet sich nun im Hortungsbedürfnis der Staaten und auch der Privaten. Dazu kommt eine wachsende Nachfrage nach Edelmetallen für zum Teil ganz neue industrielle Produktionen. Beides sichert den Betrieb der Minen und die hüttenmäßige Weiterverarbeitung. Für 1997 wird die Weltgoldgewinnung mit ca. 2.200 t angegeben. 70 % davon werden besonders in Asien als Wohlstndssymbol zu Schmuck verarbeitet, auch für Zahngold gilt dies, und nur noch 10 % gehen in Münzmetalle ein. Vergleichend wird in Statistiken für 1999 eine Weltsilbergewinnung von 17.300 t genannt. Davon 36 % für Schmuck, fast alles Übrige verarbeitet die Elektronikindustrie. Zu den zunehmend intensiver gesuchten Edelmetallen gehören seit einem Jahrhundert nicht nur Platin und Palladium, sondern die gesamte Gruppe der Platinmetalle, einschließlich des in der Frühzeit der Glühbirne für Glühfäden bedeutenden Osmiums, auch des Iridiums. Wie immer wieder verlautbart wird, gibt es für alle Platinmetalle ergiebige Vorkommen im sibirischen Jenissei-Gebiet, in dem aus tektonischen Gründen – gleichen Wirtschaftsmeldungen zufolge – fast alle zukunftsträchtigen Rohstoffe (auch Erdgas und Erdöl) sozusagen „gebündelt“ zu finden sind. Im Jahre 2007 sagt man das erstmals auch der Nordpolarregion nach, doch ist bei 4000 m Tiefe die Problematik der Ausbeutung nicht geringer, als die der längst bekannten Manganknollen.

Goldminen werden heute selbst bei Gehalten von nur wenigen Gramm Gold 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 ist immer noch die Cyanidlaugung des goldhaltigen Erzes, die auch im Jahr 2007 noch im nördlich des rumänisch/siebenbürgischen Alba Iulia gelegenen, bereits von den Römern genutzten Distrikt „Roter Berg“ (Rosia montana) betrieben wird. Für die nächsten zwanzig Jahre sollen jährlich immerhin eine Million Unzen gewonnen werden.

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 sind vielseitig. Sie liefern Feingoldbarren (24 Karat) zur Wertaufbewahrung, Edelmetalllegierungen (verbreitet ist 14-karätiges Gold) für Schmuck, mehr aber noch für technische Zwecke, besonders in der Elektronik. Dafür zerlegen sie Altgold, Schmuck, Rücklauf aus der Elektronik, also Materialien unterschiedlichster Zusammensetzung, wieder in ihre Einzelbestandteile (unter anderem Trennung des Goldes von begleitendem Silber). Der Metallwert trägt in allen Fällen die Kosten der stofflichen Wiedergewinnung (Recycling).

[Bearbeiten] „Industriemetalle“ und industriell genutzte Metalle

Von „Industriemetallen“ wird gesprochen, wenn ein Metall wegen seiner Bedeutung eine eigene Industrie begründet hat. Dies ist zumindest bei Eisen, Kupfer, Aluminium und Zink gegeben. Weiter gefasst ist der Begriff „industriell genutzte Metalle“.

Eine Anzahl industriell genutzter Metalle tritt mehr legierungsbegleitend, denn eigenständig auf.

Zink ist nach dieser Definition ein Industriemetall, es wird bergmännisch abgebaut, die Erze werden abgeröstet und das Metall wird im Destillationsverfahren in Retorten gewonnen.

Qualitätsmäßig unterscheidet man zwischen Rohzink, genormtem Hüttenzink und ebenfalls nach Norm angebotenem Feinzink. Zink wird auf vielen Gebieten eingesetzt. Es bestimmt den Legierungscharakter bei Messing, ist Legierungsbegleiter bei Rotguss und vielen Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Feinzinklegierungen mit einem Aluminiumanteil werden im Druckguss verarbeitet. Auch zu Halbzeug wird Feinzink verarbeitet.

Die Korrosionsbeständigkeit von Zinküberzügen auf Eisen und damit dessen Schutz vor Rost bedingt einen ständigen, hohen Bedarf der Verzinkereien. Man unterscheidet elektrolytische Verzinkung (mit geringerer Haltbarkeit) von Feuerverzinkung, bei der die zu verzinkenden Teile durch ein Tauchbad aus geschmolzenem Feinzink geführt werden.

Für das Leichtmetall Lithium ist noch nicht entschieden, ob es wie Aluminium und Magnesium ein eigenständiges, besonders leichtes Industriemetall wird, oder ein Legierungsbegleiter bleibt.

Nickel hat eine eigene Industrie begründet (beispielsweise die russische Norilsk Nikel). Ungeachtet seiner historischen, für China schon vor der Zeitenwende nachgewiesenen Verwendung gewinnt es erst im 19. Jahrhundert wieder Bedeutung.

Zur Nickelgewinnung dienen überwiegend Kiese, also sulfidische Erze, die in einer ersten Stufe abgeröstet und im Flammofen geschmolzen werden („Rohstein“). Von Kupfer und Eisen befreit wird es zum „Feinstein“ und dieser wird entweder elektrolytisch raffiniert (Reinnickel) oder nach dem Mond-Verfahren (Carbonylnickel) zu Reinstnickel.

Verwendet wird Nickel für hochwertige Gusslegierungen auf Nickelbasis, überwiegend aber als eigenschaftsbestimmendes Legierungselement (z. B. für Chrom-Nickel-Stähle und als Bestandteil von Bronzen (seine Stellung als Legierungsbegleiter teilt es sich hier mit Zinn).

Nickel findet sich findet sich ferner in Messingen und hochfesten Aluminiumlegierungen. Als Überzug von Gussteilen gewährleistet es Korrosionsschutz (Vernickelung) und nicht zuletzt bestimmt es mit ca. 25 % Anteil die „Silberfarbe“ von Münzen, Besteck und Haushaltsgeräten. Nickel ist nicht giftig, aber seine Aerosole können gefährdend sein, auch kann dauernder Hautkontakt (Brillengestelle, Schmuck) zu einem Nickelekzem führen.

Zinn aus reduzierend verhütteten, oxydischen Erzen gewonnen, ist die Grundlage aller Zinnbronzen. Legiert mit Blei und härtendem Antimon gehört es zu den inzwischen historisch gewordenen Schriftmetallen („Bleisatz“). Gleiches gilt für die vor Erfindung des Porzellans verbreitete Nutzung als Geschirrzinn. Aus einseitig verzinntem Eisenblech (Weißblech fertigt man Dosen für Dauerkonserven. Zinn ist auch Legierungsbasis sogenannter „Weißmetalle“, unter anderem des „Britanniametalls“ (einer Sn90Sb8Cu-Legierung).

Blei ist mit einem Schmelzpunkt von nur 327 °C verarbeitungsgünstig und mittels Oxidation und folgender 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. Viel verwendet wird es als Akkublei für Starterbatterien, als Schrotblei, als Bleidruckgusslegierung und für Bleibronzelager. Außerordentliche Bedeutung hat Blei seit Jahrzehnten als Schutz gegen Gammastrahlung. Im Umgang mit radioaktivem Material ist eine 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, unter anderem weil außer problematischen schwefelsauren Rückständen in den Batterien die oberhalb des Schmelzpunkts (Dampfdruck) einsetzenden Bleidämpfe sehr giftig sind (siehe Recyclingmetallurgie).

Titan wird nicht nur als Begleiter von Legierungen (beispielsweise hochfesten Aluminiumlegierungen) oder Spezialstählen, sondern mit seiner relativ niedrigen Dichte von 4,5 kg/dm³ auch als Basiselement von Leichtlegierungen eingesetzt. AlTi-, AlTiC- und AlTiB-Vorlegierungen finden bei Aluminiumknet- sowie Gusslegierungen zur Gefügebeeinflussung (Kornfeinung) Verwendung.

Wolfram, das aus dem Abbau von Scheelit- und Wolframiterzen gewonnen wird, ist als Begleitelement von Stählen bekannt. Weniger, dass es zur Entwicklung dauerhafterer und kostengünstigerer Glühlampen des klassischen Typs (Glühbirne) beiträgt. Es ersetzt mit einem Schmelzpunkt von 3387 °C Glühfäden aus Osmium oder Tantal (Die Markenbezeichnung OSRAM ist eine Kombination aus OSmium und WolfRAM).

Als Wolframcarbid, chemisch WC, gehört es mit der Mohs-Härte 9,5 zu den härtesten Stoffen und wird daher als Beschichtung von Schneidwerkzeugen oder direkt als Schneidstoff in Hartmetallen eingesetzt.

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 die geringen Anteile dieser beiden Elemente im Uran machen es zum radioaktiven Alphastrahler, sondern auch der Gehalt an Isotopen, der es, solange nicht abgereichert, mit Isotop 235 und 238 zu „waffenfähigem Uran“, also dem Ausgangsstoff für die Atombombe werden lässt.

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“ (das heißt in seiner nicht spaltbaren Form, worunter man den Entzug der Isotope 235 und 238 versteht), wird Uran sehr unterschiedlich verwendet. In der Rüstungsindustrie sowohl für Panzerplatten als auch für panzerbrechende Munition. Es findet sich auch 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 im „nuklearen Kreislauf“ erneut zu Brennelementen verarbeitet werden, oder der Herstellung von nuklearen Sprengkörpern dienen.

[Bearbeiten] Recyclingmetallurgie

Eine „Metallhütte“ und ein „(Um-)schmelzwerk“ unterschieden sich ursprünglich sehr klar von einander, heute verwischt dies der Sprachgebrauch häufig und wird dabei durch die technische Entwicklung unterstützt.

In einer Metallhütte wird Eisen, Kupfer, Zink oder ein anderes Industriemetall 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 entsprechend 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, denn Schrott wurde schon immer umgeschmolzen. Die Rückführung in den metallurgischen Kreislauf wird verbreitet als Recycling bezeichnet. „Nachhaltigkeit“ und „verlängerter Lebenszyklus“ sind andere Ausdrücke für sparsamen Umgang mit wertvollen Rohstoffen.

Zwei Kriege haben mit ihrer zeitweisen Knappheit an primärem Metall die sekundäre Erzeugung der Primären gleichwertig werden lassen, besonders deutlich bei Kupfer, wie Aluminium. Aus einer „norddeutschen Kupferhütte“ ist eine beide Sparten betreibende Werksgruppe entstanden, deren Aufgabenbereiche verzahnt sind. Wo fehlende sortenreine Trennung der Kupferschrotte einfaches 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“, sie also oxydiert. Die entstandenen Oxyde können, sofern wertvoll genug, ihrerseits durch Reduktion wieder zu reinen Metallen werden und in den metallurgischen Kreislauf zurückkehren.

Bei Aluminium ist es seit Jahren üblich, dass Primärerzeuger, die Rohaluminium aus der Elektrolyse gewinnen und es weiterverarbeiten, auch „Sekundärlegierungen“ aus Rücklaufmaterial und sortierten Schrotten herstellen, die qualitativ den primären Legierungen nicht nachstehen, dies aber bei nur 5 % der Energiekosten des primär gewonnenen Metalls. Internationale, in der Primärerzeugung tätige Konzerne bauen deshalb schrittweise auch ein eigenes Netz von Recycling-Hütten auf.

In Umkehrung ursprünglich gegebener Verhältnisse können auch die zu „Recyclern“ gewordenen einstigen Umschmelzhütten heute nicht nur Sekundärlegierungen in den Markt bringen, sondern auch aus sortenreinen Knetlegierungsabfällen Walzbarren in einer der primären Erzeugung gleichen Qualität gießen. Mit zugekauftem, primärem Reinaluminium stellen sie sogar Legierungen her, die als „Primärlegierungen“ bezeichnet werden dürfen.

In der Stahlerzeugung findet das Recycling von Schrotten heute überwiegend im Elektrolichtbogenofen statt, der seine Effizienz aus dem frischenden Sauerstoff abgebenden „Eisenoxydgehalt“ der Schrotte bezieht.

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 Zinkdampf durch 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, mehrheitlich solcher aus Automobilen. Deren „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. Qualitativ ist es Werkblei, kann aber durch Seigerungstechnik oder Elektrolyse weiter raffiniert und neu legiert werden. Über Bleiglätte (PbO) gelangt man zu den (giftigen) Farben basisches Bleicarbonat und Bleitetraoxyd.

[Bearbeiten] Ofentechnik

Die Ofentechnik^[4] dient zunächst der Erfüllung aller metallurgischen Aufgaben, die sich im Zuge der Verhüttung metallischer Ausgangsstoffe im Rahmen thermischer Prozesse ergeben. Es beginnt mit der Metallgewinnung aus Erzen. Sulfidische Erze, wie Pyrit (Schwefelkies) werden oxydierend behandelt (Röstarbeit). Oxydische Erze wie Hämatit erschmilzt man durch Reduzieren und Desoxydieren. Dies durch entsprechende Zuschläge, sowie reduzierende (luftunterschüssige) Flammen- oder Ofenführung. Dem folgt die Weiterverarbeitung der gewonnenen Metalle, die Vereinheitlichung diskontinuierlich erbrachter Chargen im Mischer, das Raffinieren und Legieren, das Vergießen (Warmhalte- oder Gießofen) und die – je nach Legierung und Gießart vorzunehmende Nachbehandlung des Gusses –  Wärmebehandlung ((Stoßöfen, Anlassöfen (Blockvorwärmung), Glühöfen (Entspannungsglühen, Warmauslagerung, Austenitisierung von Stahlguss), Temperöfen (entkohlende Gussteilhärtung in Glühkohle)) und andere Öfen.

Geschichtlich steht am Anfang der offene Herd, der aus einem Gemenge von Erz und Brennstoff flüssiges Metall austreten lässt. Es folgt der geschlossene Herd mit natürlichem Zug oder höhere Temperaturen bringende 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 bis zu Zehntausend Tonnen weiterentwickelt. Die Grenze der Wirtschaftlichkeit gilt damit indessen als erreicht und die Technik wendet sich wieder verstärkt dem Siemens-Martin-Ofen und den Elektroöfen zu, zumal sie die Möglichkeit bieten, Stahl nicht nur aus Roheisen, sondern auch aus Schrotten zu erzeugen, diese damit zugleich regenerierend (siehe auch Recyclingmetallurgie) und das „Frischen“, die Verbrennung des Kohlenstoffs, den Rostanteilen des Schrotts überlassend (Rost, auch exakt Fe₂O₃, ist sauerstoffabgebend, ersetzt insofern die Gebläseluft). 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 genannten Systemen, ob Herd, Nieder- oder Hochschachtofen ist 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 des Schmelzgutes („Deckenstrahlheizung“). Der Ofenraum ist nun eine geschlossene Wanne (Wannenofen) oder ein drehbarer Zylinder (Drehtrommelofen, Kurztrommelofen). Ein schon recht früh vollzogener Entwicklungsschritt war es, die heißen Verbrennungsgase statt ins Freie, durch einen Rekuperator (Wärmeübertrager) zu leiten, der die Gebläseluft vorwärmt (beispielgebend: Winderhitzer/Cowper bei Hochöfen und Siemens-Martin Ofen mit Regenerativfeuerung).

Unterschieden wird auch 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 zunehmend die elektrisch beheizten Öfen ^[5]. 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 werden sehr lange Zeit als Schmelzgefäß ausschließlich handgefertigte, „klassische“ Ton-Graphittiegel eingesetzt, die mit einem Zusatz aus hochwertigem Hauzenberger Graphit, die historischen, aus einem Ton-Sandgemenge bestehenden, „hessischen Tiegel“ ablösen. Um die Mitte des 20. Jahrhunderts erwiesen sich isostatisch gepresste Siliciumcarbidmassen als noch haltbarer und ersparten zudem die bisherige, „Plätschen“ genannte Handarbeit auf dem Drehteller. Bei Magnesiumschmelzen sind wegen der oxydativen Reaktion mit Eisen übrigens nur geschlichtete, mit einem silikatischen Innenanstrich versehene Eisentiegel zugelassen.

Eine Besonderheit sind die aus Tonmasse hergestellten Retorten, in denen Zink gewonnen wird.

Den heutigen Stand der Technik geben die größeren Nichteisen-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. So beschickt müssen es nicht immer Tiegelöfen sein, auch tiegellose Systeme werden eingesetzt. Entscheidet man sich für eine eigene zentrale Schmelzanlage wird man entweder einen (Dreh)trommelofen wählen, oder einen Niederschachtofen mit Abschmelzbrücke und ausreichend großer Wanne, oder einen Induktionsofen, der über eine bedarfsgerechte Stundenkapazität von Flüssigmetall verfügt (3 t sind beispielsweise für Aluminium eine gängige Größe).

Bei den Herstellern von Legierungen wird, was die Öfen betrifft, zwischen den Primärerzeugern, die selbst Rohaluminium elektrolytisch gewinnen, und den Sekundärerzeugern (siehe oben), auch Umschmelzhütten oder -werke genannt, kaum unterschieden. Beide setzen Chargenunterschiede ausgleichende Mischer ein (mit bis zu 30 t Fassung), die auch Raffinieren und Legieren zulassen. Anschließend wird das Flüssigmetall an eine angeschlossene Gießhütte (cast-house) weitergegeben oder an Formgießereien weitergeleitet. Zusätzliche Vereinfachung ergibt sich in diesem Fall daraus, die Transportpfanne auch als Gieß- oder Schöpfofen einzusetzen und sie nach Leerung gegen eine volle Pfanne zu tauschen. Eine eigene Schmelzanlage, die stets Umweltschutzvorgaben beachten muss, entfällt für den Betrieb damit weitgehend.

Eine Besonderheit kennzeichnet für das Recycling bestimmten Schmelzanlagen: Nach geltendem Stand der Technik leiten 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 ofentechnisch auch bei Umschmelzern einer mit der Primärerzeugung zu vergleichenden Behandlung, wobei sich das Legieren in Anbetracht der bereits vorhandenen, erhaltungswürdigen Legierungselemente oft auf Korrekturen beschränken kann (siehe auch unter „Recyclingmetallurgie“).

[Bearbeiten] 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, einige ausgesuchte Zahlen lassen es jedoch zu, die Metallurgie als überaus bedeutenden Wirtschaftsfaktor zu erkennen. Zahlenangaben für 2000, 2005 und 2006 kommen aus verschiedenen, nicht immer übereinstimmenden Quellen, sind auch durch die expansive Entwicklung in einigen Regionen der Welt (beispielsweise China) zum Teil deutlich überholt, geben aber Anhalt über weltweit erzeugte Mengen wichtiger Metalle, sowie Erzeugung und Verbrauch in der BRD (Hierzu als Quellen: Berichte der Wirtschaftsvereinigung Metalle, Berichte des DIW Berlin, Geschäftsberichte, Mitteilungen in Fachpresse und F.A.Z.)

Metall	Weltjahresproduktion 2006 (in Mio. t)	Bemerkungen	DIW-Prognose 2015 (in Mio. t)
Stahl	1242	-	1366
Kupfer	15	Verbrauch BRD 1,7 Mio. t	> 22
Zink	7	Verbrauch BRD in 2000 724.000 t, bei 367.000 t Eigenerzeugung
Blei	6-7	BRD in 2000 395.000 t, davon 100.000 t aus Batterierecycling
Zinn	0,25
Nickel	1,3	nach SUCDEN (UK)
Uran	0,03
Aluminium	>20	F.A.Z. (1.Oktober 2007): 41 Mio. t (evtl. Hüttenaluminium + Recycling)	33
Magnesium	0,7

Unverkennbar ist, dass sich viele metallerzeugende und metallverarbeitende Prozesse zunehmend zur Automatisierung und zum Einsatz von Robotern anbieten. Das bedeutet, dass die Gesamtbeschäftigtenzahl nicht zugleich mit dem Wachstum der Produktion zunimmt, vielmehr stagnieren, tendenziell sogar leicht zurückgehen kann. Die Arbeitsproduktivität steigt.

Die Rohstahlerzeugung der EU 25 wird für 2006 mit 198 Mio. t angegeben, das sind 15,9 % der Weltproduktion von 1242 Mio. t. Der deutsche Anteil innerhalb der EU 25 beträgt 23,6 %, damit wird unter den stahlerzeugenden Ländern der Welt mit 46,7 Mio. t der 6. Rang erreicht. Größter deutscher Erzeuger ist ThyssenKrupp mit 17 Mio. t. Das europäisches Wachstum auf längere Sicht ist nur 1 % p. a. Im Vergleich beziffert China die Stahlerzeugung für 2006 mit 410 Mio. t, ca. 40 % der Weltproduktion. Als Wachstumsrate wird 8 % genannt (Zahlenquellen: IISI, Stahl-Zentrum, Unternehmen, Pressemeldungen).

Zur Stahlerzeugung und -verwendung in der BRD geben Zahlen aus 2006 Auskunft. Es wurden: 30,36 Mio. t Roheisen produziert, unter Hinzunahme des Schrotteinsatzes 47,2 Mio. t Rohstahl. Davon wurden 45,5 Mio. t zu Strangguss für die Warmverwalzung zu Flach- und Langstählen, darin eingeschlossen 14,6 Mio. t 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.

Bei Aluminium ist Deutschland als Primärerzeuger von nur noch gut 330.000 t p. a. aufgrund der hohen Energiekosten weit zurückgefallen. Für 2005 wurden noch je 700.000 t als Hüttenmetall und aus Recycling gemeldet. Als Verbrauch in 2006 werden ca. 2,8 Mio. t genannt. Mehr als 2 Mio. t werden zu Halbzeug, für Formguss gibt der GDA (Gesamtverband der Al-Industrie) 772.600 t an. Der die Eigenerzeugung weit überschreitende Bedarf wird durch Einfuhren und eine hohe Recyclingquote gedeckt. Wie bei allen Nichteisen-Metallen wird von den Verantwortlichen vor „den ökonomischen Folgen forcierter Klimapolitik und einem Bruch der Wertschöpfungskette der Metallindustrie aus Mangel an primären und sekundären Vorstoffen“ gewarnt. Einige Zahlen zum Vergleich: Die USA erzeugten 2005 2,5 Mio. t Hüttenaluminium, Russland 3,65 Mio. t, China 7,2 Mio. t (in 2006 bereits 7,8 Mio. t). Alle anderen Erzeugerländer (Deutschland eingeschlossen) brachten es auf 8,3 Mio. t Die Weltproduktion zeigt weiter steigende Tendenz. London Metal Exchange (LME) erklärt dazu, dass die Bauxitvorräte der Welt bis weit in das 21. Jahrhundert reichen.

Im Bereich Kupfer erzeugte Deutschlands größte Kupferhütte 2005/2006 mit 3.200 Beschäftigten 551.000 t Kathodenkupfer, 423.000 t Kupferdraht, 450.000 t Halbzeug und weitere 67.000 t bei verbundenen Betrieben. Als Nebenprodukte der Raffination wurden noch 985 t Silber und 35 t Gold gewonnen.

Ende 2006 meldet die Nicht-Eisen-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 scheinen wirklichkeitsnahe: 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 ähnlicher Wert kann für Deutschland zutreffen.

[Bearbeiten] 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. Zu Hilfe kam ihnen die analytische Chemie mit ihren seit Beginn des 19. Jahrhunderts immer präziseren Methoden. Lange noch stützte man sich auf die zeitraubenden Nassanalyse (Lösen, Elektrolysieren oder Ausfällen, Filtrieren, Trocknen, Wägen), bis sie um die Mitte des 20. Jahrhunderts durch Spektrometrie und Flammenphotometrie abgelöst wurde. Eine Analysentechnik, die der praktizierten Metallurgie schnelle Bewertung des Einsatzgutes, wie der Ausbringung ermöglicht. Die Ergebnisse der Analytik zusammen mit durch die Metallkunde physikalisch determinierten Eigenschaften der Metalle und ihrer Legierungen als Knet- und Gusswerkstoffe werden zum Ausgangspunkt weiterer Hilfswissenschaften, unter denen Materialkunde und Lagerstättenkunde hervorzuheben sind.

Die Spektrometrie stützt besonders die Sekundärmetallurgie. Binnen weniger Sekunden wird die Zusammensetzung einer Flüssigmetallprobe angezeigt und dies für bis zu 25 Elemente. Damit werden auch Störelemente, wie etwa Wismut in Messing, Phosphor in Eisen, auch Antimon in Aluminium, 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 nützt allen Gießereien.

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 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, die es möglich machen, von der Zeichnung direkt zu ausgefrästen oder schichtenweise pulvermetallurgisch (Pulvermetallurgie) aufgespritzten Modellen oder Formen für Prototypen zu gelangen, geeignet sogar für Kleinserien. Die auf diese Weise mit geringem Zeitaufwand zu gewinnenden Erkenntnisse verkürzen die Spanne von der Zeichnung bis zur Herstellung der endgültigen Dauerform und dem Anlaufen der Großserie.

Für im Druckgießverfahren in Dauerformen hergestellte Teile aus Nicht-Eisen-Legierungen hat sich eine weitere Hilfsindustrie entwickelt: Man benötigt in ihren Festigkeitseigenschaften optimierte Werkzeugstähle, die eine im fünfstelligen Bereich liegende Zahl von Abgüssen ermöglichen. Die Formen sind im Prozessablauf nicht nur dem unmittelbaren Angriff des zugeführten flüssigen Metalls ausgesetzt, sondern erfahren über die Erstarrungsphase hinweg bis zur Entnahme des Teils einen taktbestimmtem Temperaturwechsel von bis zu 500 °C. Speziell entwickelte „Dauerformschlichten“ sind Erzeugnisse, die mit moderner, automatisierter Sprühtechnik als feiner Überzug aufgetragen werden und die Formen schützen. Je nach Zusammensetzung beeinflussen sie auch den Verlauf der Erstarrung. Grundprinzip jeder Dauerformschlichtung ist es, dass schwarze Schlichten Wärme abführen, schnelle Erstarrung und feinkristallines Gefüge bewirken. Eine weiße Schlichtung wirkt isolierend, verzögert damit 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 Schale ummantelt, das Modell dann ausgeschmolzen oder ausgebrannt und danach der verbliebene, modellgetreue Hohlraum abgegossen. Für Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt (Zinn) werden Dauerformen mit temperaturresistentem und formgebend aufgetragenem Chlorkautschuk hergestellt, eine Methode, mit der feinste Details der Vorlage wiedergegeben werden können.

Sehr große Fortschritte verzeichnet man 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 für Formen und Kerne zwar immer noch spezielle Kunstharze ein, geben aber zunehmend umweltfreundlicheren Bindersystemen den Vorzug, beispielsweise solchen auf Wasserglasbasis. Auch dies ist dem gießereitechnischen Sektor der Metallurgie zuzuordnen.

Zu den meistgenutzten Helfern auf dem breit gefächerten Feld der Metallurgie zählen noch – in Ergänzung der Analytik – die verschiedenen Prüfverfahren. Eines der ältesten ist die mechanische Dehnungsprüfung an genormten Probestäben, sogenannten Zerreissstäben. Die thermische Analyse (TA) zeigt Gefügezustand und die Auswirkung gefügebeeinflussender Elemente. Bei Aluminium-Silizium-Legierungen sind dies Natrium, Strontium, Phosphor, Antimon. Hoch beanspruchte Gussteile werden heute – medizinische Techniken übernehmend – vor der Auslieferung an die Abnehmer bereits mittels Röntgen, Scannen, Sonographie, sogar mit MRT (Magnetresonanz) kontrolliert.

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

[Bearbeiten] Metallurgie und Umweltschutz

Obwohl ohne die moderne Analytik nicht denkbar, muss der Umweltschutz mit seinen Forderungen besonders hervorgehoben werden, denn im umweltbewussten 21. Jahrhundert sind beide Stellung und Lösung des Problems zugleich. Lange hat man sich damit abgefunden, dass Metallurgie umweltbelastend ist, ein im wörtlichen, wie übertragenen Sinne von einer Mehrheit als „heiß und schmutzig“ angesehenes industrielles Wirken.

Die Analytik hat daher über das hinaus, was metallurgisch von ihr verlangt wird, wichtige zusätzliche Aufgaben zu erfüllen, denn nur 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 (Regenerativfeuerung), die Nutzung von Abwärme (Fernheizung). Vieles ist bereits verwirklicht oder geht der Verwirklichung entgegen. Rostrote Kaminabgase (NO_X-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 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, an der Anfallstelle erfolgen kann. Ein Beispiel sind aus den Abgasen von Kupolöfen 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 (Abfallprodukte bei der Produktion von Metallschmelzen) und Schlacken, die als solche seit kurzem REACH unterliegen. Die Abkürzung bedeutet Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung dem Chemiebereich zugeordneter Stoffe. Je nach Zusammensetzung können sie indessen zu erneutem Einsatz als Oxydationsschutz (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.

Noch auf einem weiteren Gebiet treffen sich Metallurgie und Umweltschutz. Bekannt ist die Sanierung der in der ehemaligen DDR durch den Uranabbau für die damalige Sowjet-Union entstandenen Umweltschäden (Halden, Schlammteiche). Unter Tage müssen die aufgelassenen Stollen gesichert werden, sei es durch Verfüllen oder Vermauern. Wenn es keine Umweltgefahren mit sich bringt, können Abraum- und Schlackenhalden auch begrünt werden und landschaftsgestaltend wirken. Im Braunkohletagebau ist Rekultivierung nach Auskohlung verbreiteter Standard, in Ostdeutschland wird es seit 1990 nachgeholt. Rekultivierung und gleichzeitiger Schutz vor einer Auslaugung mit der Folge einer Kaliüberfrachtung von Gewässern wird auch bei den in Hessen und Thüringen besonders auffallenden Halden aus dem Abbau von kali- und magnesiumhaltigen Salzen mit erheblichem Aufwand versucht. Umgekehrtes gilt aber auch, die Selbsthilfe der Natur. Im Eisenerzabbau wurde bis ins 20. Jahrhundert manche ausgebeutete Grube sich selbst überlassen und nur die das inzwischen längst wieder bewaldete Gelände hügelig verformenden Pingen (Grubeneinbrüche) bezeugen die ehemalige Erzgewinnung.

[Bearbeiten] Namhafte Metallurgen

[Bearbeiten] Historisch

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

[Bearbeiten] 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, erstmals Stahlerzeugung im Siemens-Martin-Ofen)

[Bearbeiten] 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)

[Bearbeiten] Lehrer und Forscher

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

[Bearbeiten] Herangezogene Literatur

[Bearbeiten] Lexika

• Josef Bersch (Hrsg.): Lexikon der Metalltechnik. A. Hartlebens Verlag, Wien 1899. (Handbuch für alle Gewerbetreibende und Künstler auf metallurgischem Gebiete)
• Wissenschaftlicher Rat der Dudenredaktion (Hrsg.), Günther Drosdowski u.a. (Bearb.): Der Große Duden in 10 Bänden; Bd. 7: Duden Etymologie. Herkunftswörterbuch der deutschen Sprache. Nachdruck der Ausg. von 1963, bearb. von: Paul Grebe, Bibliographisches Institut / Dudenredaktion, Mannheim 1974, ISBN 3-411-00907-1. (In Fortführung der „Etymologie der neuhochdeutschen Sprache“ von Konrad Duden)
• Der neue Brockhaus: Lexikon und Wörterbuch in 5 Bd. und einem Atlas. 5., völlig neubearb. Aufl., Brockhaus Verlag, Wiesbaden 1975, ISBN 3-7653-0025-X.
• Johannes Klein (Bearb.): Herder-Lexikon: Geologie und Mineralogie. 5. Aufl., Herder Verlag, Freiburg im Breisgau 1980, ISBN 3-451-16452-3. (mehrteiliges Werk)
• Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.): Römpp-Chemie-Lexikon. 9., erw. und neubearb. Aufl., Paperback-Ausg., Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1995–1995, ISBN 3-13-102759-2. (mehrteiliges Werk, insgesamt 6 Bd.)
• Ernst Brunhuber, Stephan Hasse: Gießerei-Lexikon. 17., vollst. neu bearb. Aufl., Schiele & Schön Verlag, Berlin 1997, ISBN 3-7949-0606-3.
• Hermann Kinder, Werner Hilgemann. dtv-Atlas zur Weltgeschichte. Von den Anfängen bis zur Gegenwart. Orig.-Ausg., dtv, München 2000, ISBN 3-423-03000-3. (Sonderausgabe des im dtv in zwei Bänden 1964 und 1966 erstmals erschienenen dtv-Atlas Weltgeschichte)
• Ekkehard Aner: Großer Atlas zur Weltgeschichte. 2. Aufl., erw. Ausg. des Standardwerks von 1956, Westermann Verlag, Braunschweig 2001, ISBN 3-07-509520-6.
• Microsoft Encarta Enzyklopädie Professional 2003 auf DVD. (Elektronische, multimediale Enzyklopädie; siehe auch: Microsoft Encarta)

[Bearbeiten] Fachliteratur

• Hermann Ost: Lehrbuch der chemischen Technologie. 21., von B. Rassow bearbeitete Auflage, Jänecke Verlag, Leipzig 1939. (Kapitel „Metallurgie“)
• Alfred von Zeerleder: Über Technologie der Leichtmetalle. 2. Aufl., Verlag des Akademischen Maschinen- Ingenieur-Vereins an der E. T. H., Zürich 1951.
• Hans Schmidt: Das Gießereiwesen in gemeinfasslicher Darstellung. 3., umgearb. u. erw. Aufl., Gießerei-Verlag, Düsseldorf 1953.
• H. Riedelbauch: Partie- und Chargenfertigung in betriebswirtschaftlicher Sicht; in: ZfhF – Zeitschrift für handelswissenschaftliche Forschung, Westdeutscher Verlag, Köln u.a., Heft 9/1959, S. 532-553.
• Ernst Brunhuber: Schmelz- und Legierungstechnik von Kupferwerkstoffen. 2., neubearb. Aufl., Schiele & Schön Verlag, Berlin 1968.
• Guss aus Kupfer und Kupferlegierungen. Deutsches Kupfer–Institut, Düsseldorf 1970 (= Auflage: A-10434-7.2.).
• Mervin T. Rowley (Hrsg.): Guss aus Kupferlegierungen. Schiele & Schön Verlag, Berlin 1986, ISBN 3-7949-0444-3. (dt. Übersetzung; engl. Originaltitel: Casting copper base alloys)
• DKI-Workshop. Deutsches Kupfer–Institut, Berlin. (Schriftenreihe; Tagungsbände – unter anderem 1993, 1995)
• Arnold Frederik Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie / Holleman-Wiberg. 102., verb. und stark erw. Aufl., Verlag Walter de Gruyter & Co., Berlin u.a. 2007, ISBN 3-11-017770-6.

[Bearbeiten] Sonstige Quellen

• Verein Deutscher Gießereifachleute (Hrsg.): Giesserei-Kalender. Giesserei-Verlag, Düsseldorf 1971 u. Folgejahre, ISSN 0340-8175. (erscheint jährlich; ab 1999 u.d.T.: Giesserei-Jahrbuch)

• Fachzeitschriften - Jahrgänge (Aluminium, Gießerei, Erzmetall/World of Metallurgy)
• Sol & Luna. Degussa-Eigenverlag, 19

[Bearbeiten] Weiterführende Literatur

• F. Oeters: Metallurgie der Stahlherstellung. Berlin 1989
• Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin: Walter de Gruyter & Co, Berlin, siehe oben.
• E. Piwowarsky: Hochwertiges Gusseisen. Berlin 1951/1961
• Nachhaltige Metallwirtschaft Hamburg. Endbericht des BMBF-Projekts (pdf 242 S.)
• V. Tafel: „Lehrbuch der Metallhüttenkunde“, Bände I - III, S. Hirzel, Leipzig

[Bearbeiten] Fußnoten

1. ↑ . Zwar wird „Chalkos“ synonym für Bronze und Kupfer benutzt, Funde haben aber gezeigt, dass zumindest regional für Gegenstände, die zuerst aus reinem Kupfer gefertigt wurden (Leitfund: Kupferbeile), relativ bald wegen der größeren Härte etwa ab 2500 v. Chr. Bronze als nützlicher erkannt wurde. Vermutlich sind die ersten Bronzen eine Zufallsentdeckung gewesen, indem Zinnerz und Kupfererz zusammen erhitzt wurden
2. ↑ Damals (ein periodicum) 9/97, S.33, Prof. Josef Eisinger (Physiologie, Biophysik): Im antiken Rom wurde dem Wein Blei zugesetzt und rief typische Krankheiten hervor. Das wirkte sich umso mehr aus, als ab der Kaiserzeit das Trinken von Wein durch alle Schichten üblich war.
3. ↑ Gießereilexikon. Berlin: Schiele & Schoen, 1997. ISBN 3-7949-0606-3
4. ↑ s. a. bei Zeerleder, Düsseldorf 1953
5. ↑ . Für eine eingehende Darstellung siehe die Fachliteratur unter anderem: Industrieofenbau, Vulkanverlag, Essen

[Bearbeiten] Weblinks

Institute

• IME Aachen
• IfG Institut für Gießereitechnik e.V.
• Studium des Hüttenwesens (jetzt: Metallurgie) an der Montanuniversität Leoben
• Universität Duisburg; Institut für angewandte Materialtechnik
• Technische Universität Bergakademie Freiberg
• Technische Universität Clausthal (Harz)

Weitere Links

• Verein deutscher Giessereifachleute VDG
• Gesellschaft für Bergbau, Metallurgie, Rohstoff- und Umwelttechnik e.V.
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute VDEh
• Informationen über Stahl für Metallografen
• Wirtschaftsvereinigung Metalle
• Gesamtverband der Aluminiumindustrie