Eigenschaften von Eisen

Eisen ist das zweithäufigste Metall in der Erdkruste und kommt nur in gebundener Form vor. Auch Meteorite sind bekannte, jedoch nicht technisch nutzbare Eisenquellen. Wir leben auf einem Eisen-Planeten, der – als ganze Kugel betrachtet – aus ca. 40 % Eisen besteht.

Seine sehr wichtige Stellung in der Technik verdankt Eisen der Fähigkeit mit vielen anderen Elementen vielfältige Legierungen mit einstellbaren Eigenschaften zu bilden. Wichtige physikalische und mechanische Kennwerte des reinen Eisens sind in Tab.1 aufgelistet.

Tab.1 Kennwerte von reinem Eisen
(bei RT, Angaben zu mechanischen Eigenschaften sind Orientierungswerte) 

Kenngröße Wert
 Ordnungszahl  26
 Dichte  7,87 g/cm3
 Schmelztemperatur    1.535 °C (1.808 K)
 Elektrische Leitfähigkeit  10·106 S/m
 Wärmeleitfähigkeit  80 W/m·K
 E-Modul  210.000 MPa
 Zugfestigkeit  200 MPa
 Bruchdehnung  40 %
 Härte   60 HB
 Normalpotential -0,44 V 

Anhand der Tabelle können wir feststellen, dass Eisen schwer, hochschmelzend sowie weich und verformbar ist. Bemerkenswert ist der hohe E-Modul, der durch einen Anteil an Atombindungen verursacht wird. Diese hohe Steifigkeit macht aus Eisenwerkstoffen interessante Konstruktionswerkstoffe.

Eisen ist bis 769 °C ferromagnetisch. Nur wenige technische Metalle weisen diese Eigenschaft auf. Zudem ist die Temperatur (Curie-Temperatur), bis zu der das Eisen ferromagnetisch ist, sehr hoch.
Eisen bildet mit vielen anderen Elementen Mischkristalle bzw. intermetallische Verbindungen. Daraus ergibt sich eine große Vielfalt von Legierungen.

Allotrope Modifikationen

Eisen ist ein polymorphes Metall. Dies bedeutet, dass allotrope Modifikationen von Eisen (Abb. 1) existieren, die unterschiedliche Gittertypen aufweisen.

 

 

 

 

 

 

Abb. 1 Gitterumwandlung und allotrope Modifikationen von Reineisen

Die Gitterumwandlungen finden im festen Zustand bei bestimmten Temperaturen statt. Im Temperaturbereich von -273 °C (0 Kelvin) bis zu 911 °C hat Eisen das kubisch-raumzentrierte Gitter und wird als Alfa-(α)-Eisen bezeichnet. Bei 911 °C kommt es zu einer Gitterumwandlung, die Eisenatome ordnen sich um, und es entsteht das kubisch-flächenzentrierte Gitter, das bis zu einer Temperatur von 1392 °C existiert. Eisen mit diesem Gitter heißt Gamma-(γ)-Eisen. Bei 1392 °C kommt es wieder zu einer Umordnung der Eisenatome, und bis zur Schmelztemperatur weist das Eisen das kubisch-raumzentrierte Gitter auf, das jedoch größere Gitterparameter hat als das krz-Gitter aus dem niedrigeren Temperaturbereich. Diese letzte Gitterumwandlung spielt in der Praxis eine untergeordnete Rolle.

In der Abbildung ist das β-Eisen nicht aufgeführt. Als β-Eisen wird das nichtmagnetische α-Eisen (mit dem krz-Gitter) bezeichnet, das im Temperaturbereich von ca.770 °C bis 911 °C existiert.
Bei der α-γ-Gitterumwandlung kommt es zur Verringerung des spezifischen Volumens um ca. 1 %, was in der Praxis berücksichtigt werden muss. Die Allotropie von Eisen hat eine große Bedeutung für Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen, insbesondere von Stählen.

Gewinnung von Eisen

Eisen wird am häufigsten aus geeigneten Eisenerzen im Hochofenprozess gewonnen. Ein Hochofen ist in der Abb. 2 schematisch dargestellt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 2 Hochofen für die Gewinnung von Roheisen

Eisenerze sind Gemenge aus chemischen Verbindungen des Eisens und nicht eisenhaltigen Gesteinen (der sogenannten Gangart). Die chemischen Verbindungen des Eisens im Eisenerz sind im Wesentlichen Eisenoxide oder Eisencarbonate. Die wichtigsten Eisenerze sind Magnetit (bis zu 72 % Eisengehalt), Hämatit (bis zu 70 % Eisengehalt) und Siderit (bis zu 48 % Eisengehalt). In geringen Mengen werden auch Eisenerze verhüttet, in denen das Eisen mit Schwefel (Pyrit) oder anderen Elementen verbunden ist. Eisenerze sind nach dem Rohöl der meistgehandelte Rohstoff. Rentabel für eine internationale Vermarktung sind aber nur umfangreiche Vorkommen mit einem Eisengehalt von über 60 %. Die größten und reichhaltigsten Lagerstätten befinden sich in Australien und Brasilien, die zudem im Tagebau zu betreiben sind.

Technologisch gesehen findet beim Hochofenprozess die Reduktion eines Eisenerzes (meist eines Eisen-Oxides, wie z. B. Fe2O3) mithilfe von Kohlenstoff (Koks) statt. Somit ist der Kohlenstoff von Anfang an der Entstehung von Eisenwerkstoffen beteiligt. Das Produkt des Hochofenprozesses ist das Roheisen, das ca. 4 % Kohlenstoff sowie sogenannte Begleitelemente (Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor) enthält.

Der Hochofen arbeitet nach dem Gegenstromprinzip. Die Einsatzstoffe (Erz, Koks und Zuschläge) werden von oben in den Hochofen eingegeben. Von unten wird Heißluft eingeblasen und verbrennt einen Teil des Kokses zu Kohlenstoffmonoxid und -dioxid. In der von 600 °C bis 1100 °C heißen Reduktionszone wird das Eisenerz von den Gasen und Koks zu metallischem Eisen reduziert. Das Eisen liegt zunächst als Schwamm vor. In der Schmelzzone schmilzt der Eisenschwamm und es bildet sich die Roheisenschmelze, die sich am Boden des Ofens (bedingt durch die hohe Dichte des Eisens) sammelt. Das Roheisen wird regelmäßig abgelassen (abgestochen) und zu Weiterverarbeitung transportiert. Nebenerzeugnisse des Hochofens sind Gichtgas und Schlacke. <<