Warum die Metallurgie in drei Zweige unterteilt ist
Metallurgie ist die Wissenschaft und Technologie von Metallen. Es geht darum, wie Metalle aus Erzen gewonnen werden, wie ihre innere Struktur kontrolliert wird und wie sie zu nützlichen technischen Teilen geformt werden. Der Einfachheit halber wird das Fachgebiet traditionell in drei Zweige unterteilt: extraktive Metallurgie, physikalische Metallurgie und mechanische Metallurgie. Die drei Zweige verfolgen das gesamte Leben eines Metalls, vom Gestein im Boden bis zum fertigen Bauteil, und bleiben in der Praxis auch dann eng miteinander verbunden, wenn sie getrennt untersucht werden.
Ein Käufer von Ferrolegierungen trifft alle drei Branchen gleichzeitig. Der auf der Rechnung ausgewiesene Ferrosilicium- bzw. Ferromangan-Gehalt ist das Ergebnis der extraktiven Metallurgie. Das Verhalten dieser Legierung in einer Pfanne oder einem Ofen hängt von der physikalischen Metallurgie ab. Die Art und Weise, wie sich das fertige Guss- oder Walzprodukt im Betrieb verhält, hängt von der mechanischen Metallurgie ab.
Extraktive Metallurgie: Vom Erz zum Metall
Die extraktive Metallurgie beschäftigt sich mit der Gewinnung von Metallen aus ihren Erzen. Es beginnt mit der Mineralverarbeitung, bei der das Erz durch Methoden wie Flotation, Schwerkraftabscheidung und Magnetabscheidung zerkleinert, gemahlen und konzentriert wird. Das Konzentrat wird dann durch Pyrometallurgie, Hydrometallurgie oder Elektrometallurgie behandelt. In der Pyrometallurgie werden hohe Temperaturen eingesetzt, beispielsweise beim Schmelzen von Chromerz zu Ferrochrom mit hohem Kohlenstoffgehalt oder bei der Reduktion von Quarz zu Siliziummetall in einem Unterpulverofen. Die Hydrometallurgie nutzt wässrige Chemie, wie z. B. Laugung und Lösungsmittelextraktion für Nickel und Kobalt. In der Elektrometallurgie wird elektrischer Strom verwendet, beispielsweise bei der elektrolytischen Gewinnung von Mangan.
Zu den typischen Prozessschritten gehören das Rösten zur Entfernung von Schwefel, das Schmelzen zur Trennung der Schlacke vom Metall, das Raffinieren zur Anpassung von Kohlenstoff und Silizium sowie das Gießen in Barren oder Granulat. Legierungsqualitäten wie FeMn78C8.0 für Ferromangan mit hohem Kohlenstoffgehalt oder FeSi75 für Ferrosilizium werden durch diesen Zweig definiert, da die Kohlenstoff-, Silizium-, Phosphor- und Schwefelgehalte durch die Reduktions- und Raffinierungsschritte und nicht durch eine spätere Behandlung festgelegt werden.
Physikalische Metallurgie: Struktur und Eigenschaften
Die physikalische Metallurgie untersucht die innere Struktur von Metallen und wie diese Struktur ihre Eigenschaften steuert. Es behandelt Kristallstruktur, Phasendiagramme, Erstarrung und die Umwandlungen, die beim Erhitzen und Abkühlen stattfinden. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm erklärt, warum sich Stahl mit etwa 0,8 Prozent Kohlenstoff ganz anders verhält als Stahl mit 0,2 Prozent Kohlenstoff. Wärmebehandlungsvorgänge wie Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen werden von physikalischen Metallurgen entwickelt, um eine ausgewählte Mikrostruktur zu erzeugen.
In der Gießerei ist die physikalische Metallurgie der Zweig, der die Impfung erklärt. Die Zugabe eines Impfmittels auf Siliziumbasis zu geschmolzenem Grauguss verändert die Keimbildung von Graphit und damit die Größe und Form der Graphitflocken. Standards wie ISO 185 und ASTM A48 klassifizieren Grauguss nach Zugfestigkeit, und die Festigkeit hängt direkt von der Graphitstruktur ab, die die physikalische Metallurgie beschreibt.
Mechanische Metallurgie: Formen und Prüfen
Die mechanische Metallurgie umfasst die Formgebung von Metallen und die Messung ihrer Leistungsfähigkeit. Dazu gehören Gießen, Schmieden, Walzen, Strangpressen, Ziehen und Bearbeiten sowie die plastische Verformung und das Fließen von Metall unter Last. Es umfasst auch mechanische Prüfungen: Zugprüfungen für Festigkeit und Dehnung, Härteprüfungen, Schlagprüfungen für Zähigkeit und Ermüdungsprüfungen für die Lebensdauer.
Dies ist der Zweig, der eine korrekte Legierung in ein verwendbares Produkt umwandelt. Eine Charge aus duktilem Gusseisen hat zwar die richtige Chemie, aber nur die richtige Form-, Anguss- und Zuführungspraxis führt zu einem einwandfreien Guss. Die mechanische Metallurgie liefert auch die von Käufern verwendeten Akzeptanzkriterien wie Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härtegrenzen, die in einer Einkaufsspezifikation festgehalten sind.
Häufig gestellte Fragen
F: Welche drei Arten der Metallurgie gibt es?
Die drei Arten sind extraktive Metallurgie, physikalische Metallurgie und mechanische Metallurgie. Die extraktive Metallurgie gewinnt Metalle aus Erzen, die physikalische Metallurgie kontrolliert Struktur und Eigenschaften und die mechanische Metallurgie formt Metalle und testet ihre Leistung.
F: Was ist der Unterschied zwischen extraktiver und physikalischer Metallurgie?
Die extraktive Metallurgie arbeitet mit Erz, Schlacke und geschmolzenem Metall, um ein Metall oder eine Ferrolegierung mit der erforderlichen chemischen Zusammensetzung herzustellen. Die physikalische Metallurgie arbeitet anschließend mit dem festen Metall und verknüpft seine Kristallstruktur und Phasen mit Eigenschaften wie Härte, Festigkeit und Duktilität.
F: Zu welcher Branche gehört die Wärmebehandlung?
Die Wärmebehandlung gehört hauptsächlich zur physikalischen Metallurgie, da ihr Zweck darin besteht, die Mikrostruktur und damit die Eigenschaften zu verändern. Die dafür verwendeten Öfen und Handhabungsgeräte werden in der Regel der mechanischen Metallurgie und Verfahrenstechnik zugerechnet.
F: Welcher Zweig ist für die Qualität von Ferrolegierungen am wichtigsten?
Die extraktive Metallurgie entscheidet über die chemische Zusammensetzung der Ferrolegierung, die in den meisten Einkaufsspezifikationen angegeben ist. Die physikalische Metallurgie und die mechanische Metallurgie entscheiden dann darüber, ob diese Legierung im Ofen oder Guss des Kunden die vorgesehene Leistung erbringt.
F: Ist die Pulvermetallurgie eine vierte Art?
Die Pulvermetallurgie wird normalerweise als Herstellungsweg und nicht als separater Zweig behandelt. Es kombiniert extraktive Ideen bei der Herstellung von Pulver, physikalische Metallurgie beim Sintern und mechanische Metallurgie beim Pressen und Testen des fertigen Teils.
