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Metallurgie



Metallurgie (gleichbedeutend Hüttenwesen) bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung und Nutzung von Metallen, sowie metallurgisch wichtigen Halbmetallen und Nichtmetallen aus Erzen, Erden, Salzen und Altstoffen.

Die Entnahme metallurgisch wertvoller chemischer Elemente aus ihren natürlichen Vorkommen ist Aufgabe bergmännisch betriebenen Abbaus, der durch das Hüttenwesen seinen Sinn erhält. Metallurgie lässt sich zudem nie auf die bloße Stoffgewinnung beschränken, sie benötigt auf Dauer Märkte für ihre Produkte. Um auf diesen zu bestehen, müssen die Verfahren der Verhüttung den wachsenden Stoffmengen angepasst werden, die Weiterverarbeitung muss dem jeweiligen Stand der Technik entsprechen.

Inhaltsverzeichnis

Von der Frühgeschichte bis zum Stand der Technik

Das Wort Metallurgie ist griechischen Ursprungs (μέταλλον métallon „das Gefundene“) und lässt auf eine bereits anerkannte „technische Kunstfertigkeit“ schließen. Sinngemäß übersetzt bedeutet Metallurgie oder Metallurge „mit Gefundenem (Metall) werken“ bzw. ein handwerklicher oder industrieller „Metallwerker“ zu sein, in einem „Metallwerk“ zu arbeiten.

Kupfer- oder Bronzewerkzeuge, nach denen Geschichtsepochen benannt wurden, sind erste Zeugnisse zielgerichteten metallurgischen Werkens, dessen Vorstufe – man kann darin ein zudem rares Zwischenprodukt sehen – der zufällig aus erhitztem Gestein ausgeschiedene und als bearbeitbar erkannte Erzklumpen ist. Hiervon ausgehend wird es ein langer Weg, bis mit der Ingangsetzung des ersten Hochofens das „abgestochene“ Roheisen zu einem endlich in großen Mengen verfügbaren Zwischenprodukt für Eisenguss und ab dem 18. Jahrhundert für die Stahlerzeugung wird. Die Stahlzeit und die im 20. Jahrhundert neben sie getretene Erdmetallzeit bestimmen heute in Vielem die Lebensumstände der Menschheit. Es kann noch lange so sein, dennoch bleibt die Geschichte der Metallurgie mit der ihrer Lagerstätten verbunden. Die traditionsreichen deutschen, wie der an Zink reiche Goslarer Rammelsberg, die hessisch-siegerländischen Eisenerzgruben, ebenso die über Jahrhunderte betriebenen Bergwerke im slowakischen Erzgebirge und andere europäische Vorkommen sind weitgehend ausgebeutet. In Berücksichtigung einer weiter wachsenden Erdbevölkerung und deren zunehmenden Bedarfs, werden daher vorausgreifend weltweit neue Vorkommen gesucht und unter noch im 19. Jahrhundert nicht vorstellbaren Bedingungen erschlossen.

Aus alten Erfahrungen und neuen Erkenntnissen ist die Metallurgie auf diese Weise zu einer Technologie (Wissenschaft von den angewendeten Techniken) gewachsen. Zunehmend breiter gefächert, wurde sie schon im 19. Jahrhundert in überschaubare Teilbereiche gegliedert. Die bedeutendsten sind Eisenmetallurgie und Nichteisenmetallurgie, wenn Ausgangsstoffe und Produktionsmengen als Kriterien herangezogen werden.

Den letzten Stand der Technik sichert den Haupt- wie den Nebendisziplinen nicht nur die eigene Forschung. Unterstützung findet sie bei den - 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.

   

Zeittafel

Die folgende Zeittafel stellt die Entwicklung der Metallurgie von der Jungsteinzeit bis zum Beginn der „Moderne“ im Überblick dar.

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 Streitwagen und Waffen, Schwerter, Denkmale, Schmuck (Bronzefibeln), Münzen, Werkzeug (Äxte), Bauwesen (Klammern als Verbinder von Marmorteilen)
bis 1100 v. Chr. Einwanderung von Norden bringt – in Art und Zeitablauf nicht unumstritten – technischen Fortschritt. Dorische Reiterkrieger, bereits mit Eisenwaffen, sollen sich gegen Bronzeschwerter und Streitwagen durchgesetzt haben.
bis 800 v. Chr. Frühe Eisenzeit Hallstattkultur, erste Eisengegenstände im mitteleuropäischen Raum
bis 600 v. Chr. Beginn der Eisenzeit in China
bis 500 v. Chr. Hochblüte hellenisch-römischer Antike
bis 450 v. Chr. Jüngere Eisenzeit, La-Tène-Kultur weiterentwickelte Eisenverwendung
Zeitenwende Römische Verhüttungsanlagen entstehen in erznahen Gebieten, Siegerland
200 n. Chr. Spätantike Zeit Fabricae (Manufakturen) treten in der Metallverarbeitung neben das Handwerk
200–600 n. Chr. Zeit der Völkerwanderung, Ende der Spätantike Weiterentwicklung bei der Verwendung von Eisen (Waffen, technische Gerätschaften). Bronze für Münzen, Kleinbildnisse, Reliefs, Denkmale
um 1180 Beginn der Besiedelung des böhmisch-sächsischen Erzgebirges vorerst nur gezielter Silberbergbau
im 14. Jahrhundert erste „Hochschachtöfen" anstelle bisheriger „Niederschachtöfen“, siehe Hochofen
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

Vom Kupferbeil bis zur Bronzezeit

 

Die Entwicklungsgeschichte der Metallurgie nimmt im Rückblick ihren Anfang vor etwas mehr als 10.000 Jahren, im zu Ende gehenden Neolithikum, der Jungsteinzeit (siehe dazu voranstehende Zeittafel). Neuere Forschungen in Anatolien entdeckten in 12.000 Jahre alten Siedlungen bereits erste metallurgische Ansätze. 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 sie mit einem zufälligen Fund von gediegenem (reinem) 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 längerem Gebrauch und Verwendung harzigen Holzes 1000 °C erreicht und auf einmal Kupfer, oder schon eine natürliche Legierung aus Kupfer und Zinn ausschwitzt und damit zu metallurgischen Überlegungen anregt. Nahe liegend ist diese Vermutung, weil durch Luftzufuhr (blasen) ein mattes Feuer „aufgefrischt“ werden und zugleich heiß genug werden kann, um eine entsprechende Temperatur zu erreichen. Bildliche Darstellungen zeigen den Einsatz von Blasrohren zu dieser erst viel später als „Herdfrischen“ bezeichneten Technik. Der zugeführte Luftsauerstoff oxydiert Schwefelgehalte im Erz, ebenso den für die Bearbeitbarkeit von Eisen hinderlichen Kohlenstoff in flüchtiges, weil gasförmig anfallendes Schwefeldioxyd (SO2), ebenso Kohlendioxyd (CO2), wobei zusätzlich Reaktionswärme entsteht.

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) entstehen mit der Zeit Zentren metallurgischer Weiterentwicklung, die sich durch Handelsstraßen miteinander verbinden. Dies geschieht in Mitteleuropa, in Südspanien, in England, im Karpatenraum und dem Balkan. Diesem Kreis fließt um 3000 v. Chr., zu Beginn der frühen Bronzezeit, Wissen aus dem Kaukasus und aus Anatolien zu, das ebenso nach Mykene, Kreta und Ägypten gelangt und in den dort bereits ausgeprägten Hochkulturen in Kunstwerken und 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 nicht nur Kleinteile und Waffen zu Handelsartikeln der Phönizier macht, sondern auch Großbronzen hervorbringt. Der Koloss von Rhodos wurde schon damals zu den „Weltwundern“ gezählt. Die Verarbeitung von Gold als Wertaufbewahrungsmittel erkennt bereits Pharao Menes aus der ersten Dynastie des „alten Reichs“, er lässt kleine Goldbarren mit einer Art „Garantiestempel“ versehen. Man darf daraus ableiten, dass man bereits 3000 v. Chr. Gold zu schmelzen und zu bearbeiten verstand. Getriebene und gegossene Gebrauchsgegenstände und Schmuckstücke aus Gold und Silber, ferner zahlreiche Teile aus reinem Kupfer wurden von Heinrich Schliemann 1873 bei seiner Suche nach dem homerischen Troja gefunden und im Irrtum als „Schatz des Priamos“ einer weit jüngeren Kultur zugeordnet.

Die Skythen, ein Reitervolk ohne Schrift und Münzwesen, insofern noch keine Hochkultur, stellen bereits sehr kunstfertig Goldschmuck her, wie erschlossene Fürstengräber (Kurgane) zeigen. 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“). Damit wird es zugleich 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.

Vorderer Orient, Indien, China, Südostasien, Japan

Im vorderen Orient finden sich Bronzen, beispielsweise die eines Königskopfes, aus der Zeit des akkadischen Reichs (Mesopotamien) um 2300 v. Chr. Obwohl die Kenntnisse vorhanden waren, bildeten die nachfolgenden Reiche ihre Herrscher bevorzugt wieder in Stein oder Alabaster ab.

In Teilen des indischen Subkontinents wird gegen 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. Dokumentiert ist auf diesem Gebiet der Einfluss der von 1700 bis 1100 v. Chr. herrschenden Shang-Dynastie. Auf sie werden die bronzenen Trommeln (Dong Son) zurückgeführt, die um 1000 v. Chr. zahlreich in den südlichen Provinzen anzutreffen sind.

Japan steht kulturell zuerst unter dem Einfluss Chinas und des dort verbreiteten Shintoismus. Um 500 n. Chr. fasst der Buddhismus Fuß. Die Figur des Daibutsu von Nara, aus einer zinnarmen Bronze gegossen, soll 380 t schwer sein. Belege für früheres 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, begünstigen zunehmend den Austausch von Erkenntnissen und aus solchen entstandenen Produkten. Dazu gehört eine 200 v. Chr. in Europa noch unbekannte, weißglänzende Kupferlegierung, die in China „Packfong“ genannt wird.

Biblische Überlieferungen

Sie sind zeitlich nicht immer genau einzuordnen, es sind jedoch 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, Läuterung (Reinigen der Schmelze von Fremdstoffen) und 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, werden verfertigt. Eisen ist nicht unbekannt, wird – nach den Funden zu schließen – noch recht selten 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.

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

Wegen des nicht zwischen Kupfer und Bronze differenzierenden griechischen Wortes „chalkos“ (χαλκὀς) wird die frühe Bronzezeit auch späte Kupferzeit genannt,[1] Die aus Erfahrung gewonnene Kenntnis einer gezielten Verbesserung der Eigenschaften von Kupfergegenständen durch Zulegieren von Zinn und Zink setzt sich nach heutigen Maßstäben relativ schnell durch. Messing als Kupfer-Zink-Legierung ist entweder chinesischer oder persisch-indischer Herkunft.

Figürliche Funde beweisen die fast gleichzeitige Entwicklung bei Blei. Der verbreitet vorkommende Bleiglanz wird zuerst nur als Silberträger gesucht, bei dessen Gewinnung anfallendes Blei gilt als „Abfall“. Sein niedriger Schmelzpunkt von nur 334 °C begünstigt, einmal erkannt, Überlegungen, die zu vielfältiger Nutzung führen. Man kennt sehr frühe figürliche Gegenstände (Hallstattfunde), gefolgt von Gebrauchsgegenständen - (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.

Der lange Weg in die 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 als zweite Stufe die La-Tène-Zeit, eine eisenzeitliche Epoche, die bis zur Zeitenwende und noch darüber hinaus reicht. Waffen, Werkzeuge und Gebrauchsgegenstände werden erstmals aus Eisen gefertigt.

Der Übergang von der Bronze- zur Eisenzeit ist ein aus heutiger Sicht langsamer Fortschritt, denn abgesehen von in die Zeit um 5000 v. Chr. zurückdatierten Einzelfunden aus Ägypten tragen erst ab 1600 v. Chr. (Hyksos) sich wiederholende Einfälle von mit Eisenwaffen kämpfenden Reitervölkern zur Verbreitung des Eisens bei. Interessant ist in diesem Zusammenhang die Verwendung des aus dem Indogermanischen stammenden Wortes „ehern“, also „von großer Dauerhaftigkeit“ (vergleiche „Aera“). Nördlich der Alpen verstand man darunter „Eisernes“, für Italiker und Iberer war es „Bronzenes“.

Eisen für Waffen gelangt ab 660 v. Chr. auf Handelswegen aus Asien bis nach Nordafrika, findet sich jedoch, was erstaunlich ist, erst 700 Jahre später (100 n. Chr.) im Süden Afrikas. Die mittelamerikanischen Hochkulturen geben Belege für die Verwendung von Eisen erst für die Zeit um 500 n. Chr.

Wie Herrschaftseinflüsse die metallurgische Entwicklung Europas beeinflussen

Die Darstellung metallurgischer Entwicklung im Zuge von Kulturepochen, die keineswegs abrupt, sondern mit oft langen Übergangszeiten aufeinander folgten, wird von geschichtlichen Herrschaftsepochen überlagert. Am nachhaltigsten hat sich uns die Antike eingeprägt. Ihr Beginn wird etwa um 2500 v. Chr. gesehen und mit der frühen Bronzezeit gleichgesetzt. Deutlicher wird der Einfluss mit dem Beginn der in Ursprung und Auswirkung umstrittenen „dorischen Wanderung“ um 1100 v. Chr. In deren Verlauf setzen sich von Norden kommende, berittene „Krieger mit Eisenwaffen“ gegen noch mit Bronzeschwertern und zweirädrigen Streitwägen kämpfende 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 wird als gediegenes Metall gefunden, insbesondere leicht zugängliches Flussgold, oder als silberhaltige Ablagerung, 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 der aus Mykene und frühen Schichten Trojas überlieferten 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, danach wird sie vom bereits um 1000 v. Chr. beginnenden Aufstieg der Etrusker und ab 700 v. Chr. von dem Roms bestimmt. Dabei bleibt es für fast ein Jahrtausend, in dem es 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 im Wagenbau. Eisen ist immer noch vergleichsweise mühsam herzustellen. Seine Verwendung beschränkt sich bis in die Zeit der Merowinger (Merowech), die Begründer des die Römer und ihre west- und ostgotischen Nachfolger ablösenden Frankenreichs, 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 nicht nur dem römischen Reich und damit der Spätantike genannten Zeit ein Ende gesetzt. Die bereits erlangten Kenntnisse des Bronzegießens gehen – Glockenguss ausgenommen – für einige Jahrhunderte wieder verloren. Erst die Erfindung des Schießpulvers brachte die alte Kunst in Erinnerung. „Stückgiesser“ sollen 1372 die ersten Kanonen aus Erz – also aus Bronze – gegossen haben.

Vom mittelalterlichen Hochofen zum Elektrostahlwerk

Europa liegt lange hinsichtlich der „industriell“ betriebenen Gewinnung und Verarbeitung von Metallen, nicht allein von Eisen, hinter China und Ägypten zurück. Die bei Ausgrabungen in Ägypten gefundenen, vermutlich 5000 Jahre alten, noch gut konservierten Eisengegenstände lassen keine sicheren Schlüsse auf die Art der Eisengewinnung zu. Immerhin ist alten wie neueren Nachschlagewerken (Meyer, Brockhaus) zu entnehmen, dass bereits um 1200 v. Chr. die Philister (Talbewohner im Unterschied zu den bergbewohnenden Israeliten) Kenntnisse in der Eisengewinnung besitzen. Bronze kann noch in einem aus Lehm gefertigten 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) 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 sogenannten Wolfs- oder auch Stücköfen, Vorläufern des heutigen Hochofens. Sie liefern auf der Sohle (Boden des Ofens) flüssiges Roheisen, der darüber befindliche „Wolf“ gibt beim Glühen und Frischen Kohlenstoff ab und wird zu Stahl oder schmiedbarem Eisen.

 

Obwohl in zeitgenössischen Aufzeichnungen von ersten Hochschachtöfen (Hochöfen im heutigen Sprachgebrauch) bereits im 14. Jahrhundert und von 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 – anstelle der früheren „Stückgiesser“ – verarbeiten es als „Formguss“ zu Geschützen und Kanonenkugeln, später zu verschiedensten „Gusswaren“ wie den eine ganze Industrie begründenden Siegerländer Ofenplattenguss.

Georgius Agricola (1494–1555), Mineraloge, Geologe und Verfasser des für Erzabbau und -verhüttung grundlegenden Werks „De re metallica libri XII“ („zwölf Bücher vom Berg- und Hüttenwesen“), gibt mit genauen Beschreibungen und Stichen technischer Einrichtungen und Verfahren, wie beispielsweise „Fahrkunst“, „Wasserkunst“, Stollenbau, Schmelzofenbau, oder Röst- und Treibarbeit, seinen Nachfolgern heute noch gültige Grundlagen für eine „moderne“ Metallurgie.

 

Ein nicht mehr mit Holzkohle, sondern mit Koks betriebener Hochofen geht 1781 in England in Betrieb, 1796 folgt das schlesische 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 Henry Bessemer erfundenen „Windfrischen“, bei dem Pressluft von unten durch ein mit saurer (silikatischer) Masse ausgekleidetes, großes birnenförmiges Gefäß (Bessemerbirne) geblasen wird. Dabei wird Kohlenstoff – und mit ihm noch andere unerwünschte, oxydierbare Beimengungen des Roheisens, wie (das Prozesswärme liefernde) Silizium – so weit oxydiert, faktisch verbrannt, dass das derart 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 bei der Stahlerzeugung zum Frischen reinen Sauerstoff einführt und nach gut vierhundert Jahren Geschichte des Hochofens, der indessen bei entsprechenden Bedingungen nach wie vor seine technische Berechtigung behält, zum Stand der Technik wird.

Der klassische Hochofen verliert seine Alleinstellung als Roheisenlieferant für die Stahlerzeugung bereits mit der Einführung des Siemens-Martin-Ofens mit der Martinschen Regenerativfeuerung. In ihm wird bei einer Temperatur von 1700 °C im „Herdfrischverfahren“ Roheisen zusammen mit oxydhaltigem Schrott zu kohlenstoffarmem Stahl (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.

Ein auf maximalen Durchsatz ausgelegtes, herkömmliches Hochofenwerk ist wegen seines großen Bedarfs an Einsatzstoffen auf die Nutzung von Standortvorteilen angewiesen, um wirtschaftlich zu sein. Für den Hochofenbetrieb sind das lokale und regionale Erz- oder Kohlevorkommen sowie die Infrastruktur. Ein bedeutendes deutsches Werk in Duisburg nutzt die örtliche Kohle und zugleich Deutschlands größten Binnenhafen. Ein österreichisches Werk wurde in der Nähe zum Erz am Großschifffahrtsweg Donau errichtet. Ausgebaute Binnen- und Seehäfen ermöglichen es, selbst an erz- und kohlearmen Standorten ein Hochofenwerk zu betreiben. Das Elektrostahlwerk (Mini-Stahlwerk), dem eine bloße Verkehrsanbindung zu Land oder Wasser genügt, tritt dennoch zunehmend an dessen Stelle. Es kann sich elastisch an die jeweils verfügbaren Mengen seines Rohstoffs Schrott anpassen und anders als ein Hochofen diskontinuierlich und bei geringerer Umweltbelastung arbeiten. Im Gegenzug wandert die klassische Roheisenerzeugung im Hochofen samt dem angeschlossenen Stahlwerk zu den Basisrohstoffen, vornehmlich Lagerstätten mit hochwertigem Eisenerz ab (Brasilien, Belo Horizonte). Der so erreichte Vorteil begünstigt den global orientierten Transport der Produkte.

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 im Vordergrund. Die Wiederkehr des Kupfers wird nachdrücklich von einer neuen Legierung auf Kupferbasis bestimmt, 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 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 tragen 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 entdeckt und durch die damit ermöglichte Anwendung des Elektromagneten gegen Ende des 19. Jahrhunderts kleine, schnelllaufende Elektroantriebe (Elektromotoren) für Arbeitsmaschinen verfügbar sind und Dampfmaschine und Treibriemen allmählich ersetzen. Zugleich damit ist für weitere Erfinder der Anstoß zur Starkstromerzeugung und damit wieder ein Bedarf für die zur Übertragung nötigen Freileitungen aus Kupfer gegeben.

Für öffentliche und individuelle Heizungsanalgen und Wasserversorgung (Armaturen) entsteht Bedarf an Kupferrohren. Für wassergekühlte Verbrennungsmotoren in Automobilen wird ein Röhrenkühler aus Kupfer (Kühler) verwendet.

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 erweist sich bei öffentlichen Verkehrsmitteln als vorteilhaft.

Die „Erdmetalle“ kommen

Neben die sich den Erfordernissen der Moderne (Stahlkonstruktionen, Eiffelturm) anpassenden „Eisenzeit“ tritt 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. Die der gleichen Gruppe angehörenden Seltenerdmetalle sind industriell keineswegs unbedeutend. Cer in Form seines Mischmetalls ist für die Metallurgie ein wichtiges Element dieser Gruppe, 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“, wegen der damaligen Kosten seiner Darstellung. 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, findet erst im Zeitalter der Raumfahrttechnik 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 andere Elemente beiordnen, die zwar nicht in die gleiche Gruppe gehören, sich jedoch metallurgisch insofern 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 in der Natur (Totes Meer) als Chlorid gewonnen wird, weitaus reichlicher aber weltweit aus 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 Ilmenit vor und dies eher 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 zunehmend 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.

Stand der Metallurgie zu Beginn des 21. Jahrhunderts

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 Lagerstätten gehören außer offenen Erzvorkommen („Ausbisse“) die nicht nur Erz, sondern „Gediegenes“ enthaltenden, geologisch so bezeichneten „Sande“ und „Seifen“. Sie werden 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 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 Stand der Technik darstellende Gewinnung von Magnesium aus dem Abbau von Magnesit (Australien) über die Zwischenstufe Magnesiumchlorid, das zum geringeren Teil weiterhin aus seinem Anteil am Meerwasser zu gewinnen ist.
  • der offene Abbau von Bauxit, einem rötlichen Sedimentgestein, das – zu reiner Tonerde umgewandelt – Grundstoff der Aluminiumerzeugung ist.
  • als Zukunftsaufgabe mit großem metallurgischen Nutzen gilt der zwar schon seit Jahrzehnten prospektierte, technisch 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.

Einteilung der Metalle nach metallurgischer Bedeutung

Eine gebräuchliche Einteilung geht vom prozentualen Anteil an den Elementen der Erdkruste aus, also ohne Berücksichtigung des Nickel-Eisen-Erdkerns. Die besagt indessen nichts über die metallurgische Bedeutung. Beryllium hat einen Anteil von nur 0,006 % und doch kann ohne seinen Zusatz als Oxydationshemmer das mit 1,95 % reichlich vorhandene Magnesium nicht geschmolzen und vergossen werden.

Die Praxis hält sich eher an die Unterscheidung zwischen Hauptmetallen – das heißt Metallen, die verbreitet die Basis von Legierungen sind – und Nebenmetallen. Aluminium ist ein Hauptmetall geworden, erst im 20. Jahrhundert 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 und Magnesium. Da sie niemals metallisch, sondern nur in Form nichtmetallischer Verbindungen, als Salze, Carbonate und Silikate vorkommen, wurden sie an früherer Stelle (Abschnitt Die „Erdmetalle“ kommen), auch wegen der Vergleichbarkeit des Gewinnungsprozesses, den Erdmetallen beigeordnet.

Besonders gilt das für Silizium, das mehrere Funktionen hat. Es ist 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“ (im Prozessablauf) 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, wie etwa bei Motorenteilen (z. B. Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe), aber auch bei schwerem Kokillenguss.

Bei sehr spezialisierten Kupferlegierungen (Siliziumbronze) ist es ein Legierungsbegleiter und in der Halbleitertechnik hat es eine eigene Position errungen. In einem aufwändigen Verfahren der „Reinstmetallurgie“ (das heißt erzielter Reinheitsgrad eines Metalls im Bereich 99,999, sogenanntes „Fünfneunermetall“) hergestellt, ist es Grundlage für Chips, die in in der Computertechnik unverzichtbar sind. Der deutsche Anteil an der Weltproduktion ist beachtlich (beispielsweise Chipfertigung in Dresden/„Elbe-Valley“). Auch bei der Herstellung von Solarzellen wird Silizium als Halbleiter eingesetzt.


Eine weitere Möglichkeit der Einteilung trennt die Schwer- von den Leichtmetallen. Schwermetalle weisen eine Dichte größer 5 auf. Platin steht mit der Dichte 21,45 an der Spitze. Kupfer 8,93, Eisen 7,86, Zink 7,14 folgen mit Abstand. Bei den Leichtmetallen führt als leichtestes Lithium mit 0,54 gefolgt von Magnesium mit 1,74 und Aluminium mit 2,70. Titan mit Dichte 4,5 wird noch den Leichtmetallen zugeordnet.

Verbreitet ist ferner eine Einteilung in „Basismetalle“ und „Legierungsbegleiter“, was zahlreiche Elemente einschließt, die oft nur in Spuren zugefügt werden und dennoch von Bedeutung sind. Kupfer, Eisen, Blei, Zinn, Zink, Nickel gelten – 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. Erst mit Abstand folgen die Nichteisenmetalle.

Hauptmetalle

     

Kupfer wird als Hauptmetall entweder auf dem „trockenen Weg“ für die reicheren Erze, oder dem „nassen Weg“ für die ärmeren Erze gewonnen. Der zu Reinkupfer führende Verfahrensgang ist mehrstufig. Er beginnt mit dem Rösten des Erzes, dem die Rohschmelze mit weiteren Arbeitsgängen folgt, entweder im Schachtofen („deutscher Weg“), oder im Flammofen („englischer Weg“). Das Produkt ist nun Schwarzkupfer mit mehr als 85 % Kupfergehalt. Dessen weitere Raffination erfolgt heute nur noch selten im Flammofen. Üblich ist vielmehr Schwarzkupferplatten elektrolytisch zu raffinieren. Das dabei anfallende Reinkupfer ist ein wasserstoffhaltiges Kathodenkupfer, auch als Blistercopper (blasiges Kupfer) bezeichnet. Hochrein und sauerstofffrei ist es „Leitkupfer“ (Reinkupfer mit definierter elektrischer Leitfähigkeit) für die Elektroindustrie.

Die Masse des verfügbaren Raffinadekupfers wird – zumeist legiert – zu Knet- oder Gießmaterial. Zu Blechen verwalzt, fällt Reinkupfer besonders im Bauwesen auf. Gegenüber Witterungseinfluss sehr stabil, werden zunehmend Kupferbleche für Dachbedeckung und Regenrinnen verwendet. Die mit der Zeit entstehende Patina (Grünfärbung) wurde schon früher geschätzt. Fälschlich als giftiger Grünspan bezeichnet, besteht sie tatsächlich aus ungiftigem Kupfersulfat und -carbonat.

Als Kupferlegierung ist die Glockenbronze mit 20–24 % Zinn seit Jahrhunderten bekannt. Zwar werden alle Legierungen mit dem Hauptbestandteil Kupfer als Kupferlegierungen bezeichnet, zwischen Bronzen und Sonderbronzen (vergleiche Berylliumbronze) sowie Messingen (Alpha- oder Beta-Messing mit 63/58 % Zink), gibt es deutliche Unterschiede im Aussehen und den mechanischen Eigenschaften. Ein Beispiel gibt das farblich völlig vom rötlichen Kupferton abweichende „Neusilber“, früher auch als Weißkupfer und noch in neuerer Zeit auch mit dem in seinem Ursprungsland China entstandenen Begriff „Packfong“ bezeichnet.

Reinkupfer ist Träger zahlreicher als „Vorlegierung“ in nichteisenmetallurgischen Prozessen zugesetzter Elemente. Bei Gusseisen ist Kupfer ein positive Eigenschaften bedingendes Legierungselement.

Zinn ist seit der Bronzezeit wichtigstes Begleitmetall des Kupfers. Als Reinzinn wird es nur noch wenig verarbeitet (Geschirrzinn, Zinnfiguren), unverzichtbar ist es für die Weißblechherstellung (Konservendosen). Lötzinn ist eine Zinnlegierung mit einem Schmelzpunkt von unter 330 °C. Ebenso wie Blei ist 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 als eine der Ursachen für den Untergang des Römerreichs angesehen.[2] Ebenfalls giftig sind auf der Grundlage von Bleioxyd hergestellte Farben („Bleiweiß“, Bleimennige) und Kinderspielzeuge, an oder in denen dieses enthalten ist.

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 obschon bei der Stahlherstellung unverzichtbar, mengenmäßig Nebenmetalle bleiben. Die bekanntesten sind Mangan (Spiegeleisen mit 50 % ferner als Manganträger Ferromangan oder FeMn50. In ihrer Bedeutung vergleichbar sind 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 gibt es als Reinmetall (erzielter Reinheitsgrad im Bereich 99,99, sogenanntes „Vierneunermetall“) oder als Reinstmetall (im Bereich 99,999), seine eigentliche Bedeutung als Knet- und Gusswerkstoff wird aber von zahlreichen legierungsbildenden Begleitelementen bestimmt, zu denen 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 Flugzeugbau eingesetzt, zuerst bei Junkers/Dessau. Aladár Pácz gelingt 1920 die gefügebeeinflussende „Veredelung“ der eutektischen Aluminium-Silicium-Zweistofflegierung (rechtlich geschützt als „ALPAX“, „SILUMIN“) mittels Zugabe von weniger als 150 ppm Natrium. Daraus wird im Bereich von 7–13 % Silizium-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 erlangen 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 die Begleitelemente nach Art und Menge bestimmen. Soweit nicht als Fertiglegierung vorliegend, können sie einer Basisschmelze aus Reinaluminium als „Legierungsmittel“ oder „Vorlegierung auf Aluminiumbasis“ zugefügt werden.

Begleitmetalle

Neben dem Begriff „Begleitmetalle“ (synonym: „Legierungsbegleiter“) gibt es den umfassenderen Begriff „Begleitelemente“. Diese werden regelmäßig zur Herstellung von Legierungen verwendet. Der Anteil dieser Begleitelemente liegt zwischen Zehntelprozenten und weniger und dem zweistelligen Prozentbereich. 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 neu entwickelter Legierungen potentiell zu verbessern.

Beispiele für weitere wichtige Begleiter sind das Nichtmetall Phosphor in übereutektischen AlSi-Kolbenlegierungen, oder Beryllium, ein Leichtmetall mit einer Dichte von 1,84, 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 prozentige Vorlegierung) und im ppm-Bereich (ebenfalls über Vorlegierung dosiert) bei Aluminiumlegierungen zur Güteverbesserung sowie zur Verringerung der Oxydation der Schmelze zugesetzt, was bei Magnesiumlegierungen unabdingbar ist. Die Jahresweltproduktion wird mit 364 t angegeben (Quelle: Google alerts).

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 sowohl Stollenabbau, als 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 und gegebenenfalls Magnetscheidung. Bei Gewinnung im Tagebau ist zumeist vorher Abraum unterschiedlicher Mächtigkeit zu entfernen.

Die weitere Verarbeitung der aufbereiteten Stoffe vollzieht sich mit den im folgenden beschriebenen Grundtechniken.

Pyrometallurgie

Pyrometallurgie ist die thermische Weiterbearbeitung von Erzen oder bereits gewonnenem Metall, sei es oxydierend, also unter Sauerstoffzufuhr erhitzt (Abrösten), oder reduzierend in sauerstofffreier Ofenatmosphäre. Zuzuordnen ist hier die Feuerraffination (Oxydieren und Verschlacken unerwünschter Elemente), ferner die Seigerung, worunter die Entmischung einer Schmelze unter Ausnutzung von Dichteunterschieden im Schmelzgut zu verstehen ist (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).

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 in geringerer als einprozentiger Konzentration enthaltenen Elemente gewonnen, beispielsweise Edelmetalle. In diesen Fällen wird die Hydrometallurgie als „Elektrometallurgie auf nassem Wege“ bezeichnet.

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, die gleichzeitig als als Kathode fungiert, 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 bei der Elektrolyse des Tonerde-Kryolith-Gemischs der fortlaufende Ersatz 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) können alle Alkalimetalle aus ihren Salzlösungen gewonnen werden. 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, direkt aus natürlichen magnesiumchloridhaltigen Salzen (Carnallit, Bischofit), oder aus dem Magnesiumchlorid-Anteil (bis zu 0,4 %) salzhaltigen Meerwassers. Technisch bedeutender ist die bereits genannte Umwandlung von Magnesit MgCO3 oder Bitterspat (große Vorkommen unter anderem in Australien) in einem chemischen Prozess zuerst zu Magnesiumchlorid. Eine nachfolgende Elektrolyse, die (seit Bunsens Erkenntnissen) praktisch dem Verfahren der Aluminiumgewinnung gleicht (Pionier auf diesem Gebiet: G. Pistor, 1920), führt zu reinem Magnesium. 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).

Pulvermetallurgie

Hauptartikel: 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 bis 500 µm zermahlen. Wegen der von allen Metallpulvern, mit unterschiedlichem Gefahrenpotential, ausgehenden Explosionsgefahr im Kontakt mit Luftsauerstoff wird eine Inertisierung oder Phlegmatisierung vorgenommen. 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.

Sekundärmetallurgie

Hauptartikel: 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, allgemeiner als „Uddeholm-Verfahren“ bekannt. Durch Düsen am Boden einer Pfanne werden dabei inerte oder reaktive Gase in die Stahlschmelze eingeführt. In der Bewertung handelt es sich hier um Sonderformen der Schmelzebehandlung, wie sie in vergleichbarer Weise bei anderen Metallen (beispielsweise in der Primäraluminiumerzeugung) üblich sind.

Nuklearmetallurgie

Die Nuklearmetallurgie befasst sich mit den radioaktiven Elementen, deren Bekanntestes heute Uran ist. Es wird mittels hydrometallurgischer Verfahren aus dem uranhaltigen Mineral Pechblende gewonnen. Lange gegenüber dem Radium vernachlässigt, das schon im frühen 20. Jahrhundert für medizinische Zwecke verwendet wurde (Nuklearmedizin), erlangte es seine heutige Bedeutung erst im Laufe des Zweiten Weltkriegs. In den USA wurde in den allein für diesen Zweck errichteten „Hanford-Werken“ 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“).

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.

Eine durch die Fortschritte in Technik und Wissenschaft ermöglichte, anders ausgerichtete Gliederung sieht die Metallurgie als übergeordnete, als Hüttenkunde vermittelte Wissenschaft, die sich der Gewinnungs- und Aufbereitungstechnik und diese sich wiederum der Chemie bedient. Vom somit enger verstandenen Hüttenwesen – einem Begriff, der an erster Stelle auf thermische Verfahren begründet ist –  führt die Entwicklung in bereits geschilderter Abfolge von den vorbehandelten Einsatzstoffen zu nutzbaren Metallen und Legierungen, Halb- und Fertigprodukten. 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 ebenso kontinuierlicher Metallentnahme (Beispiele: 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 (siehe unten) oder mittels kontinuierlichem Nachchargieren und Sammeln des erschmolzenen Metalls in einem nur den Chargen-, nicht den Partiecharakter (siehe ebenda) ausgleichenden Mischer.
  4. Schmelzebehandlung durch eine oxydierend oder reduzierend vorgenommene Raffination (siehe Sekundärmetallurgie), einschließlich Legieren oder Legierungskorrekturen
  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)

„Industriemetalle“

Von „Industriemetallen“ wird gesprochen, wenn ein Metall wegen seiner Bedeutung eine eigene Industrie begründet hat. Dies ist zumindest bei Eisen, Kupfer, Nickel, Blei, Zink und Aluminium gegeben. Weiter gefasst ist der Begriff „industriell genutzte Metalle“, der alle metallurgisch genutzten Elemente einschließt, gleich ob sie eigenständig, also unlegiert, oder als Legierungsbegleiter auftreten.

Eisen

Am Beispiel Eisen ist die Spannweite der „Verhüttung“ besonders sichtbar. Der Eisen-Verhüttung liegt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zugrunde, auf dem die Eisentechnologie als Wissenschaft aufbaut und danach ihre Techniken entwickelt hat.

 

Die klassische Eisenhütte erzeugt im Hochofen ausschließlich Roheisen. Der Hochofen 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, etwa einen zu hohen Wassergehalt, wie bei der lothringischen Minette (Minette bedeutet „kleines Erz“, weil der Gehalt an Eisen verhältnismäßig gering ist, etwa 20–40 %). Für den Hochofengang werden die oxydischen, oxydhydratischen oder carbonatischen Erze Magnetit, Hämatit, Limonit (Salzgitter), Siderit (Österreich), ferner die Pyrit-(Schwefelkies)-Abbrände der Schwefelsäureherstellung) dadurch vorbereitet, dass ihnen Zuschläge (Möller) von schlackenbildendem Kalkstein und Koks beigegeben werden. 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. Von diesen wird die Zuordnung zu einer bestimmten Roheisenqualität bestimmt. 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 von der Erstarrungsart bestimmt. Bei langsamer Abkühlung (Masselguss) entsteht graues Gusseisen, unterschieden nach Art der Graphitausscheidung (lamellar, vermikular, sphäroidal). Bei rascher Erstarrung entsteht manganhaltiges, weißes Gusseisen; eine Übergangsform ist meliertes Gusseisen. Nicht zur Verwendung als Gusseisen bestimmtes Roheisen wird vom Hochofen in einen der Vergleichmäßigung dienenden Mischer entlassen und von dort an das Stahlwerk weitergeleitet. Erstmals erfolgte ein Flüssigmetalltransport über größere Entfernung 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 Gusseisensorten mit definierten Eigenschaften zu erhalten (siehe auch oben). Hohe Festigkeitswerte erbringt, nach E. Bain benannt, bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit. Es ermöglicht als Austempered Ductile Iron, kurz ADI, den „Leichtbau aus Eisen“. Seit Anfang des Jahrhunderts eine 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 kontrolliert bei 900 °C und wird bis zum Temperzeitende auf 750 °C abgesenkt. Beispiele für Temperguss sind Fittings, Schlüssel oder 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“, das heißt mittels Pressluft- oder Sauerstoffzufuhr so lange oxydierend behandelt, bis der unerwünschte Kohlenstoff verbrannt wird und sein Anteil kleiner als 2 % ist. 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 Lunkerfreiheit (durch Erstarrungsschrumpfung bedingte Hohlräume) mittels einer exothermen (wärmeabgebenden) Auskleidung der Kokillen herbeiführt wurde, 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 der 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.[4]

Zu den wirtschaftlich bedeutenden Stahlerzeugnissen gehören Baustähle (T-, Doppel-T, auch I-Träger, Bewehrungsstahl), 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 werden sie als Weißblech bezeichnet und für die Dosenfertigung verwendet. 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, werden nach dem Guss – hierin gleich anderem Formguss – mittels Wärme behandelt, um die Teile zu entspannen und das Gefüge zu verbessern (Entspannungsglühen, Lösungsglühen). Zusätzliche Legierungselemente (Chrom, Nickel, Molybdän, Cobalt) können solchen Stahlschmelzen vor dem Vergießen als Vorlegierungen beigegeben werden. Friedrich Krupp erkannte bereits 1811 den Einfluss festigkeitssteigernder Zusätze (Krupp-Stahl) und führte auf dieser Grundlage die Gussstahlfertigung in Deutschland ein (Geschützrohre sind daher seit 1859 aus Stahlguss).

Aluminium, Magnesium

Metallurgisch gesehen unterscheidet sich die Weiterverarbeitungstechnik von Eisen und Aluminium nicht allzu sehr. Die Nachfrage ist es, die dem einen oder anderen den Vorzug gibt. 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. Je nach Verwendungszweck werden weitere Legierungselemente zugesetzt und dann als Knet- oder als Gusslegierung weiterverarbeitet.

Gusslegierungen werden entweder flüssig in eine Formgießerei verbracht oder zu Masseln vergossen, was zwar Wärmeverlust bedeutet, jedoch 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. Neben den schon genannten Anwendungsgebieten findet sich Magnesium 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.

Kupfer

Die metallurgische Geschichte der Kupfergewinnung, -verhüttung und -weiterverarbeitung ist älter als die des Eisens ( dazu ausführlich in den Abschnitten „Die Wiederkehr des Kupfers“), sowie unter „Kupfer“ bei Hauptmetalle).

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, wird es besonders für Formguss (Armaturen, Beschlagteile) verwendet. 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 dem bereits genannten Gun Metal (einer Kupfer-Zinn-Zink-Blei-Legierung) noch eine Reihe von Sondermessingen und -bronzen wie die Aluminiumbronze. Mit 10 % Aluminium ist sie ein wertvolles, wegen der Oxydationsneigung des Aluminiumanteils jedoch 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 Weißkupfer oder 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.

Kupfer aus reicheren Erzen wurde und wird noch heute zum Teil „auf trockenem Wege“ aus zuvor geröstetem Erz in einem Schachtofenprozess als sogenannter Rohstein oder auch Rohkupfer gewonnen und anschließend zu Schwarzkupfer mit 80–96 % Kupfergehalt vorraffiniert. Dazu werden alle Fremdelemente durch Oxydation entfernt, vergleichbar dem „Verblasen“ von unedleren Bestandteilen durch Sauerstoffzufuhr. Ein dem Bessemerverfahren ähnlicher Prozess setzte sich allerdings hierfür nicht durch. Ärmere Erze wurden dagegen auf „nassem Weg“ verarbeitet. Die Schachtofentechnik bezeichnete man fachsprachlich lange als „deutschen Weg“. Der „englische Weg“ ist ähnlich, erfolgt aber im Flammofen. Auch bei ihm werden Verunreinigungen durch Luftzufuhr (Zug oder Gebläse) entfernt. Beide Verfahren sind kombinierbar, wobei die endgültige Raffination des Schwarzkupfers zu „Raffinadekupfer“ stets dem Flammofen vorbehalten bleibt und noch zwei weitere Prozesse einschließt. Es sind dies sowohl das „Dichtpolen“ (SO2-Abscheidung mittels Rühren mit grünen Holzpfählen), wie das sich mittels gleicher Technik anschließende „Zähpolen“ zur Eliminierung von noch verbliebenen Kupferoxyden. Stand der Technik ist heute indessen die elektrolytische Kupfergewinnung, mit dem Ergebnis eines sehr reinen, aber wasserstoffhaltigen Kathodenkupfers (Elektrolyseprinzip: Wasserstoff und die Metalle schwimmen mit dem Strom). Zum gleichen Ergebnis führt auch 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. Die Schmelzen werden entweder zu Blöcken (Masseln) für Formguss (Messingarmaturen, Druckgussteile), oder sie werden im Stranggießverfahren (Stranggießen, horizontal oder vertikal) zu Walz- und Knetmaterial. Eine 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.

Zink

Zink wird bergmännisch abgebaut, die Erze werden abgeröstet und das Metall wird im Destillationsverfahren in Retorten gewonnen.

Qualitätsmäßig wird zwischen Rohzink, genormtem Hüttenzink und genormtem Feinzink unterschieden. 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.

Nickel

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

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 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. Dauernder Hautkontakt, etwa bei Brillengestellen, oder Schmuck (beides im Druckgießverfahren gefertigt), kann zu einem Nickelekzem (Nickelkrätze) führen.

Blei

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, mit einer Zulegierung von 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 Radiologen) 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).

Industriell genutzte Metalle

Lithium

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

Zinn

Zinn, aus reduzierend verhütteten, oxydischen Erzen gewonnen, ist namengebendes Legierungselement aller Zinnbronzen. Es ist auch wichtiger Bestandteil von Rotguss. 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).

Titan

Titan wird nicht nur als Begleiter von Legierungen (beispielsweise hochfesten Aluminiumlegierungen) oder Spezialstählen eingesetzt. Wegen seiner relativ niedrigen Dichte von 4,5 ist es Basis von für Luft- und Raumfahrt, auch für Medizintechnik entwickelten Leichtlegierungen, die im Feingussverfahren zu Präzisionsteilen werden. Titanaluminid-Werkstoffe erlauben Anwendung bei hohen Temperaturen. AlTi-, AlTiC- und AlTiB-Vorlegierungen dienen bei Aluminiumknet-, sowie Gusslegierungen zur Gefügebeeinflussung (Kornfeinung).

Wolfram

Wolfram, das aus dem Abbau von Scheelit- und Wolframiterzen gewonnen wird, ist als Begleitelement von Stählen bekannt. Weniger, dass es zur Entwicklung dauerhafter und kostengünstiger Glühlampen des klassischen Typs (Glühbirne) beiträgt. Es ersetzt mit einem Schmelzpunkt von 3387 °C Glühfäden aus Osmium oder Tantal (die Markenbezeichnung OSRAM ist ein Kunstwort aus der ersten Silbe von Osmium und der letzten von Wolfram). Die Verbindung Wolframcarbid, chemisch WC, gehört mit einer Mohs-Härte 9,5 zu den härtesten Stoffen und wird daher als Beschichtung von Schneidwerkzeugen oder direkt als Schneidstoff in Hartmetallen eingesetzt.

Uran

  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 Martin Klaproth entdeckt und als Pechblende 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 darin enthaltenen, stark strahlenden Elemente Polonium und Radium. Nicht die geringen Anteile dieser beiden Elemente im Uran machen es zum radioaktiven Alphastrahler, sondern der Gehalt an den Isotopen 235 und 238. Soweit diese nicht abgereichert, sondern angereichert werden (Zentrifugentechnik), entsteht „waffenfähiges Uran“ als ein erster, jedoch weitere starke Anreicherung erfordernder Ausgangsstoff für Kernwaffen (siehe auch unten).

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 weltweit beträgt 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, wird Uran sehr unterschiedlich verwendet. In der Rüstungsindustrie dient es wegen seiner Härte gleichermaßen für Panzerplatten, wie für panzerbrechende Munition. Es findet sich ferner als Strahlenschutzmaterial, als Stahlzusatz und in der Luftfahrtindustrie.

„Angereichert“ wird Uran genannt, wenn in einem aufwändigen Prozess der Anteil des Isotops 235 auf 4 % 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.

Edelmetalle

 

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

Wirtschaftlich bedeutend ist der bereits industriell betriebene Silberabbau im österreichischen Tirol mit Zentrum in Schwaz, wo im 15. und 16. Jahrhundert jährlich 30 t Silber gewonnen werden. 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 Silber- und Goldmünzen Zahlungsmittel wird (Münzregal) oder in den Staatsschatz eingeht. Die Ausgabe von Papiergeld war nur möglich, weil jederzeit der Umtausch gegen Gold (Goldwährung) oder Silber (Silberwährung) möglich war. Die Golddeckung seiner Währung garantierte die besondere Solidität eines Staatswesens und in dieser Zeit zeigen sich die staatlichen Münzen als industrielle Betriebe. Noch während des Ersten Weltkriegs und in den darauf folgenden Jahren müssen die großen, auf Grund der Kriegführung überschuldeten Wirtschaftsnationen, eine nach der anderen, den Goldstandard ihrer Währung – also die Garantie, Papiergeld jederzeit in Gold umzutauschen – aufgeben. Es kursierten keine Goldmünzen mehr und auch die Silbermünzen verschwanden in den nächsten Jahrzehnten. Papiergeld und Münzen aus Nickel oder Kupfer traten an deren Stelle (volkswirtschaftliches Axiom: „Schlechtes Geld verdrängt das gute Geld“).

Nicht nur geblieben, sondern gestiegen ist dagegen das Hortungsbedürfnis der Staaten und der privaten Anleger. Dazu kommt eine wachsende Nachfrage nach Edelmetallen für zum Teil ganz neue industrielle Produktionen. Beides sichert den Betrieb der Goldbergwerke und die hüttenmäßige Weiterverarbeitung. Für 1997 wird die Weltgoldgewinnung mit ca. 2.200 t angegeben. 70 % davon werden zu Schmuck verarbeitet, der nach den Methoden klassischer Halbzeugfertigung (Blockguß und Verwalzen) hergestellt wird. Lediglich 10 % gehen in Sonderprägungen von Münzmetallen ein, wozu die Rohlinge aus den auf entsprechende Stärke gewalzten Goldblechen erst ausgestanzt und anschließend mit Stempeln und Matrizen unter hohem Druck geprägt werden.

Vergleichend wird in Statistiken für 1999 eine Weltsilbergewinnung von 17.300 t genannt. Davon 36 % für Schmuck, ein weiterer Teil für Bestecke und Tafelgeräte, den beträchtlichen Rest verarbeitet die Elektronikindustrie.

Zu den metallurgisch genutzten 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. Neueren Meldungen der Wirtschaftspresse zufolge (unter anderem „Frankfurter Allgemeine Zeitung)“, gibt es für alle Platinmetalle ergiebige Vorkommen im sibirischen Jenissei-Gebiet, in dem aus tektonischen Gründen – so die Meldungen – fast alle zukunftsträchtigen Rohstoffe (zudem Erdgas und Erdöl) sozusagen „gebündelt“ zu finden sind. Im Jahre 2007 sagen die gleichen Quellen dies erstmals auch der Nordpolarregion nach. Bei 4000 m Meerestiefe ist die Problematik der Ausbeutung nicht geringer als die der längst bekannten unterseeischen 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, umweltschädliches Aufbereitungsverfahren ist immer noch die Cyanidlaugung des goldhaltigen Erzes. Im Jahr 2007 wird sie ungeachtet der davon ausgehenden Umweltgefährdung noch im Distrikt „Roter Berg“ (Roşia Montană) betrieben, der nördlich der rumänisch/siebenbürgischen Stadt Alba Iulia gelegenen ist und bereits von den Römern genutzt wurde. Für die nächsten 20 Jahre sollen jährlich immerhin eine Million Unzen gewonnen werden (Stand 2007).

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, sogar vorgefertigt als Ketten, Armbänder, Ringe, mehr aber noch als dies für technische Zwecke, besonders in der Elektronik. Um den Marktbedürfnissen zu entsprechen, zerlegen sie Altgold, Schmuck, Rücklauf aus der Elektronik, also Materialien unterschiedlichster Zusammensetzung, wieder in die Einzelbestandteile (insbesondere ist das die Trennung des Goldes von begleitendem Silber), bevor sie es entweder selbst zu Zwischen- oder Endprodukten (beispielsweise Ketten und Ringe) weiter verarbeiten, oder veräußern. Der durch das Recycling erzielte Wert der Metalle trägt in allen Fällen die Kosten der stofflichen Wiedergewinnung.

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. Ihr Produkt sind „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 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 zeitbedingte 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 sowie Aluminium. Aus einer „norddeutschen Kupferhütte“ ist eine beide Sparten betreibende Werksgruppe entstanden, deren Aufgabenbereiche verzahnt sind. Wo eine sortenreine Trennung der Kupferschrotte fehlt und ein 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, also solche, die Rohaluminium aus der Elektrolyse gewinnen und es weiterverarbeiten, auch „Sekundärlegierungen“ aus Rücklaufmaterial und sortierten Schrotten herstellen, die qualitativ den primären Legierungen nicht nachstehen, 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. Häufig fällt verzinkter Eisenschrott an, dessen Zinküberzug durch Erhitzen bis zur Verdampfungstemperatur des Zinks (907 °C) freigesetzt wird. Das verdampfte Zink wird durch Abkühlung niedergeschlagen, oder der Zinkdampf durch Einblasen von Sauerstoff zu Zinkoxyd oxydiert, das als „Zinkgrau“ und „Zinkweiß“ zur Grundlage von Anstrichen („Malerfarben“) dient („Vorstreichfarbe“).

Ein bedeutender Industriezweig ist die Wiederaufarbeitung von Bleiakkus aller Art, mehrheitlich solcher aus Automobilen. Deren „Altakkus“ fallen in großen Mengen an, können jedoch nicht wie beliebiger Schrott eingeschmolzen werden, sondern verlangen eine Vorbehandlung, die sie von Säureresten und Ablagerungen befreit. Qualitativ wird es dann zu 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.

Ofentechnik

   

Die Ofentechnik[5] 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 werden durch Reduzieren und Desoxydieren erschmolzen. Dies geschieht durch entsprechende Zuschläge sowie reduzierende (luftunterschüssige) Flammen- oder Ofenführung. Dem folgt die Weiterverarbeitung der gewonnenen Metalle. Sie beginnt mit der Vereinheitlichung diskontinuierlich erbrachter Chargen im Mischer. Es schließen sich das Raffinieren und Legieren, das Vergießen (Warmhalte- oder Gießofen) und die Wärmebehandlung an, die je nach Legierung und Gießart vorzunehmende Nachbehandlung des Gusses. Letztere erfolgt mit Hilfe von Stoßöfen, Anlassöfen (Blockvorwärmung), Glühöfen (Entspannungsglühen, Warmauslagerung, Austenitisierung von Stahlguss) und Temperöfen (entkohlende Gussteilhärtung in Glühkohle).

Geschichtlich steht am Anfang dieser Entwicklung allein der offene Herd, der aus einem Gemenge von Erz und Brennstoff flüssiges Metall austreten lässt. Es folgt der geschlossene Herd mit natürlichem Zug oder mit höhere Temperaturen bringender Luftzufuhr mittels Blasebalg. Schon um 1500 v. Chr. wird aus dem ägyptischen Theben über große mit menschlicher Kraft bediente zweitaktige (Blasen – Saugen), lederne Blasebälge als Hilfe 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 (11 m misst er beim 60 m hohen Ofen B der Salzgitter Flachstahl GmbH) 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. Sie regenerieren diese damit zugleich (siehe auch Recyclingmetallurgie) und benutzen zum „Frischen“ (die Verbrennung des Kohlenstoffs) den Sauerstoff aus den Rostanteilen des Schrotts (Rost als Fe2O3 enthält Sauerstoff und ersetzt insofern die Gebläseluft). Der Elektro-Niederschachtofen, als Lichtbogenofen ausgelegt, liefert aus Erz-Pellets und Kohlenstoff als reduzierender Zugabe Elektro-Roheisen im Direktreduktionsverfahren.

Vom Hochschachtofen abgeleitet ist der Kupolofen (abgeleitet von lateinisch cupola, 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 in diesem Fall eine geschlossene, feststehende Wanne (Wannenofen) oder ein drehbarer Zylinder ( 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 sind die Cowper genannten Winderhitzer bei Hochöfen und der Siemens-Martin-Ofen mit Regenerativfeuerung System Martin.

Ferner wird zwischen brennstoffbeheizten Öfen (Holz, Kohle/Koks, Öl, Gas) und elektrisch beheizten Öfen wie Widerstandsöfen, Induktionsöfen unterschieden, mit und ohne Rinne mit Netz- (NF) oder Mittelfrequenz (MF) betrieben, 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.[6] In modernen Elektroöfen wird die Schmelze entweder nur in einem bestimmten Ofenbereich – der „Rinne“ – induktiv erhitzt oder die Schmelze selbst wird zur Sekundärspule, die ebenfalls induktiv von einem außen liegenden, verbreitet niederfrequenten (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 sind sehr lange Zeit als Schmelzgefäß ausschließlich handgefertigte, „klassische“ Ton-Graphittiegel eingesetzt worden, die mit einem Zusatz aus hochwertigem Hauzenberger Graphit die historischen, aus einem Ton-Sandgemenge bestehenden „hessischen Tiegel“ abgelöst haben. 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 gilt eine Besonderheit: Wegen der oxydativen Reaktion mit Eisen sind nur geschlichtete, das heißt 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 sich ein Unternehmen dennoch für eine eigene zentrale Schmelzanlage, kann es einen (Dreh-)Trommelofen wählen, 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 als solchen, die selbst Rohaluminium elektrolytisch gewinnen, und den Sekundärerzeugern, die Umschmelzhütten oder -werke genannt werden, kaum unterschieden (siehe oben). Beide setzen Chargenunterschiede ausgleichende Mischer ein (mit bis zu 30 t Fassung), die notwendiges Raffinieren und Legieren zulassen. Anschließend wird das Flüssigmetall entweder an eine angeschlossene Gießhütte (cast-house) weitergegeben oder an Formgießereien verkauft. Zusätzliche Vereinfachung ergibt sich in diesem Fall daraus, die Transportpfanne in der belieferten Gießerei unmittelbar 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, die Energieersparnis ist im Umweltsinne beträchtlich, da Zwischenerstarrung und Wiederaufschmelzen entfällt.

Eine Besonderheit kennzeichnet die 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 bei den Sekundärerzeugern zusätzlich noch eine Sortierung und Aufbereitung, etwa durch Magnetscheider, bevor der aus vielen Quellen kommende Schrott werterhaltend eingeschmolzen 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 „Recyclingmetallurgie“).

Bedeutung der Metallurgie als Wirtschaftszweig

Da Metalle stets zum Zweck der Weiterverarbeitung gewonnen werden, auch wenn sie zeitweilig als Wertaufbewahrungsmittel galten und noch gelten (vor allem 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.[7]

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
41 Mio. t (evtl. Hüttenaluminium + Recycling) laut F.A.Z.[8]
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 leicht zurückgehen kann. Die Arbeitsproduktivität hingegen steigt.

Die Rohstahlerzeugung der damals 25 EU-Staaten 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 europäische 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.[9]

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 eine ziemlich gleiche Menge aus Recycling gemeldet. Als Verbrauch in 2006 werden ungefähr 2,8 Mio. t genannt. Mehr als 2 Mio. t werden zu Halbzeug, für Formguss gibt der GDA (Gesamtverband der Aluminium-Industrie) 772.600 t an. Der die Eigenerzeugung weit überschreitende Bedarf wird durch Import und eine weiterhin hohe Recyclingquote gedeckt.

Besonders bei den Nichteisen-Metallen wird von den zuständigen Verbänden 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 ansehnlich, dennoch könnten sie 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.

Unterstützende Wissenschaften und Techniken

Die neuzeitliche Metallurgie wäre ohne Chemie nicht denkbar, im Gegensatz zu den historischen Anfängen, bei denen oft nach der Methode „Versuch und Irrtum“ vorgegangen wurde. Nicht nur dem Einsatz von Chemikern wie de 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 arbeiteten die Laboratorien mit den Methoden der arbeitsintensiven und zeitraubenden Nassanalyse (Lösen, Elektrolysieren oder Ausfällen, Filtrieren, Trocknen, Wägen), bis diese um die Mitte des 20. Jahrhunderts durch Spektrometrie und Flammenphotometrie abgelöst wurde, einer Analysentechnik, die der praktizierten Metallurgie eine schnelle Bewertung des Einsatzgutes wie auch 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 sogenannte Störelemente, wie etwa Bismut in Messing, Phosphor in Eisen oder Antimon in Aluminium nachgewiesen, selbst im niederen ppm-Bereich. 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, sowohl für die Primärerzeugung und das Recycling, als 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 der Rang einer Hilfswissenschaft der Metallurgie zukommt.

Mit speziellem Bezug auf das Gießereiwesen verdient die Formherstellung, sowie die Beeinflussung der Erstarrung der Schmelzen in der Gießform, die Bezeichnung Hilfswissenschaft. Ein Beispiel gibt die Modellbautechnik mittels erodierender, fräsender sowie ferner durch als CNC-Technik bezeichneter Verfahren, die es möglich machen, von der Zeichnung direkt zu ausgefrästen oder schichtenweise pulvermetallurgisch aufgespritzten Modellen oder Formen für Prototypen zu gelangen, die besonders für Kleinserien vorteilhaft sind. 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 wird in einem zweiten Schritt 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 gibt es 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 Kunstharz verwendende Croning-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 und 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) sowie dem Deutschen Kupfer-Institut (DKI) Forschung, Fortbildung und Praxis zusammenführt.

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 fanden sich die Betriebe damit ab, dass metallurgische Tätigkeit in einem gewissen Ausmaß umweltbelastend sein kann und im wörtlichen wie übertragenen Sinne von der Mehrheit als „heiß und schmutzig“ angesehen wird

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 im Gegenteil verringert und verteuert und die vielfältige metallurgische Leistung bei der Erstellung eines Kernkraftwerks negiert wird, bleibt lediglich die Steigerung der Effizienz bei der eingesetzten thermischen Energie als Zwischenlösung. Dies erfolgt im Zuge fortwährender Entwicklung durch Erhöhung des Nutzungsgrades der eingesetzten Brennstoffe, gleich ob in großen Heizkraftwerken, oder individuell betriebenen Anlagen zur Gewinnung von Prozesswärme für metallurgische Zwecke. Für die Industrie bedeutet das eine prozessgerecht automatisierte Steuerung der Brenner, die direkte Rückgewinnung von Wärme (Regenerativfeuerung) und die Vermeidung von Wärmeverlusten durch Isolation, oder die Nutzung von Abwärme (Fernheizung). Vieles ist bereits verwirklicht oder geht der Verwirklichung entgegen. Rostrote Kaminabgase (NOX-Verbindungen), wie sie bei chemischen Prozessen entstehen können, sind Vergangenheit. Beim Recycling von Kunststoffen („Plastik“) oder kunststoffbeschichtetem Metall (Aluminiumdosen) werden alle nichtmetallischen Anteile in einem pyrolytischen Verfahren 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 und 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), die 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 behandelt, 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.

Nicht weniger wichtig ist die Verwertung entsprechend aufbereiteter, durch besondere Behandlung weitgehend entmetallisierter, metallurgischer Krätzen (Abfallprodukte bei der Produktion von Metallschmelzen) und Schlacken, die alle der REACH-Verordnung unterliegen. 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 DDR durch den Uranabbau für die Sowjetunion 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.

Namhafte Metallurgen

   

Nach nur wenigen historischen Vorläufern wurde die Metallurgie vor allem in den letzten 200 Jahren von mehreren namhaften Wissenschaftlern entscheidend weitergebracht. Dazu gehören vor allem:

Historisch

  • Gaius Plinius Secundus (ca. 23–79 n.  Chr.): „Naturalis historia“
  • Georgius Agricola (1494–1555): „de re metallica“

Eisenbezogen

  • Adolf Ledebur (1837–1906): „Handbuch der Eisenhüttenkunde“
  • Wilhelm Borchers (1856–1925): „Elektrometallurgie“
  • Eugen Piwowarsky (1891–1953): „Der Eisen- und Stahlguß“; „hochwertiges Gußeisen“
  • Henry Bessemer (1813–1898), Erfinder des Blasstahlverfahrens (Bessemer-Birne, sauer)
  • Sidney Thomas (1850–1885), Percy Gilchrist (1851–1935), (Thomasbirne, basisch)
  • Pierre-Émile Martin (1824–1915),entwickelte Regenerativheizung (Siemens-Martin-Stahl)

Nichteisenmetalle

Lehrer und Forscher

  • Bernhard Osann (1862–1940): Eisenhüttenkunde
  • Alfred von Zeerleder (1890–1976): Technologie der Leichtmetalle
  • Eugen Piwowarsky (1891–1953): legiertes Gusseisen
  • Wilhelm Borchers (1856–1925): Elektrometallurgie
  • Karl Karsten (1782–1853): Hüttenwesen

Herangezogene Literatur

Lexika

  • Meyers Konversations-Lexikon. 5. Auflage, Bibliographisches Institut, Leipzig und Wien 1897.
  • Josef Bersch (Herausgeber: Lexikon der Metalltechnik. A. Hartlebens Verlag, Wien 1899. (Handbuch für alle Gewerbetreibende und Künstler auf metallurgischem Gebiete)
  • Wissenschaftlicher Rat der Dudenredaktion (Herausgeber), Günther Drosdowski und andere (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 (Herausgeber): 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)

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.
  • Hans 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 (Herausgeber): 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.

Sonstige Quellen

  • Verein Deutscher Gießereifachleute (Herausgeber). Gießerei-Kalender. Gießerei-Verlag, Düsseldorf 1971 u. Folgejahre, ISSN 0340-8175. (erscheint jährlich; ab 1999 unter dem Titel Giesserei-Jahrbuch)
  • Fachzeitschriftenjahrgänge: Aluminium, Gießerei, Erzmetall/World of Metallurgy
  • Sol & Luna. Degussa-Eigenverlag, 1973
  • Auf den Spuren der Antike. H. Schliemanns Berichte, Verlag der Nation, Berlin 1974
  • Faszination Stahl. Heft 13/2007. Herausgeber: Stahl-Informationszentrum, Düsseldorf

Weiterführende Literatur

  • F. Oeters: Metallurgie der Stahlherstellung. Berlin 1989
  • Holleman-Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Walter de Gruyter & Co, Berlin, siehe oben.
  • Eugen Piwowarsky: Hochwertiges Gusseisen. Berlin 1951/1961
  • Endbericht Nachhaltige Metallwirtschaft NMW. (Erörterungen, Zahlen, Tabellen am Beispiel Hamburg)
  • V. Tafel: Lehrbuch der Metallhüttenkunde. Bände I – III, S. Hirzel, Leipzig
  • Heinz Wübbenhorst: 5000 Jahre Gießen von Metallen. Giesserei-Verlag, Düsseldorf 1984, ISBN 3-87260-060-5.
  • Stahl - vom Eisenerz zum Hightech-Produkt. DVD über www.stahl-info.de

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. dazu ausführlicher in: „Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens“, Verband deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf
  5. siehe auch bei Zeerleder, Düsseldorf 1953
  6. Für eine eingehende Darstellung siehe die Fachliteratur, unter anderem: Industrieofenbau, Vulkanverlag, Essen
  7. Zahlenangaben für 2000, 2005 und 2006 kommen aus verschiedenen, nicht immer übereinstimmenden Quellen, sind durch die expansive Entwicklung in einigen Regionen der Welt (beispielsweise China) zum Teil deutlich überholt, geben aber wenigstens 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 Frankfurter Allgemeine Zeitung.
  8. Frankfurter Allgemeine Zeitung, 1. Oktober 2007
  9. Zahlenquellen: IISI, Stahl-Zentrum, Unternehmen, Pressemeldungen

Institute

  • IME Aachen / Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling
  • 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
  • Deutsches Kupferinstitut (DKI), Düsseldorf
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