Desoxidierung

Im vorherigen Abschnitt wurden die wichtigsten Gleichgewichtsreaktionen während des Frischens erläutert. Vor allem die Reaktion des Eisenoxids (\(FeO\)) mit Kohlenstoff (\(C\)) zu Eisen (\(Fe\)) und Kohlenmonoxid (\(CO\)) hat für den Sauerstoffgehalt des späteren Stahls besondere Bedeutung: 

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{1}
&FeO ~&&+~ C &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ CO \\[5px]
\end{align}

Da es sich bei dieser Reaktionen um eine Gleichgewichtsreaktionen handelt, bleibt auch stets oxidiertes Eisen (\(FeO\)) in der Schmelze gelöst. Vor allem bei kohlenstoffarmer Schmelze kann gemäß der Reaktionsgleichung (\ref{1}) nur wenig Sauerstoff in Form von Kohlenmonoxid aus der Schmelze entweichen. Der flüssige Rohstahl enthält dann sehr viel gelösten Sauerstoff. Dies kann im erstarrten Zustand in Verbindung mit Schwefel zur verstärkten Heißbruchneigung beim Warmumformen führen, da das gebildete Eisenoxid \(FeO\) die Schmelztemperatur der ohnehin schon niedrigschmelzenden Eisen-Eisensulfid-Verbindung nochmals herabsetzt.

Zudem "kocht" der Sauerstoff beim Erstarren des Stahls in Form von Kohlenmonoxid aus. Dies führt zu Gaseinschlüssen und damit zur Porenbildung. Das Auskochen des Kohlenmonoxids ist der Tatsache geschuldet, dass sich der Kohlenstoffgehalt in der Restschmelze beim Erstarren erhöht (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Um das chemische Gleichgewicht zu halten, bildet sich gemäß Gleichung (\ref{1}) somit vermehrt Kohlendioxid, welches dann gasförmig nach oben steigt. Auch beim Wiedererstarren einer Schweißverbindung würden sich Gasporen bilden. Deshalb sind solche sauerstoffhaltigen Stähle nicht schweißgeeignet. Aus diesem Grund muss der eingebrachte Sauerstoff nach dem Frischen durch nachträgliches Desoxidieren so weit wie nötig aus dem Rohstahl entfernt werden.

Je nachdem wie stark desoxidiert wird, unterscheidet man zwischen unberuhigtem, halbberuhigtem und vollberuhigtem Stahl. Die Bezeichnung "beruhigen" geht eben auf das Aufsteigen der Gasblasen beim Erstarren und der damit verbundenen Schmelzbadbewegung zurück. Die Desoxidation des Stahls wird deshalb auch Beruhigung genannt. Der Desoxidationsgrad hängt von der Wahl der Desoxidationsmittel ab, die grundsätzlich eine stärke Affinität zum Sauerstoff besitzen müssen als das Eisen. 

Bei unberuhigt vergossenen Stählen wird lediglich Mangan (\(Mn\)) zugegeben, der nicht nur den Sauerstoff bindet sondern auch das im Stahl enthaltene Schwefelsulfid (\(FeS\)) in die für den Rot- und Heißbruch ungefährliche Form Mangansulfid (\(MnS\)) überführt:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{unberuhigung}
&FeO &&~+~ Mn  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ MnO \\[5px]
&FeS &&~+~ Mn  &&\rightleftharpoons~ Fe && +~ MnS \\[5px]
\end{align}

Die Halbberuhigung des Stahls geschieht zusätzlich mit Silizium nach der unten angegebenen Gleichgewichtsreaktion:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{halbberuhigung}
&2~FeO ~&&+~ Si  &&\rightleftharpoons~ 2 Fe && +~ SiO_2 \\[5px]
\end{align}

Bei der Vollberuhigung wird zusätzlich mit Aluminium gearbeitet, wobei die Reaktion praktisch vollständig zu Gunsten des Aluminiumoxids abläuft. Nahezu der gesamte Sauerstoff bleibt hinterher in Form von Aluminiumoxid im Rohstahl gebunden und kocht beim Erstarren nicht mehr aus. Die Reaktionsgleichung hierfür lautet wie folgt:

\begin{align}\;\;\;\;\;
\label{vollberuhigung}
&3~FeO ~&&+~ 2 Al &&\rightarrow~ 3 Fe && +~ Al_2O_3 \\[5px]
\end{align}

Aber nicht nur Sauerstoff sondern auch andere Gase wie Stickstoff (aus der Luft) nimmt das Roheisen während des Frischens auf. Auch dieser muss nachträglich unter das erforderliche Höchstmaß gebracht werden. Stickstoffhaltige Stähle neigen nämlich zum sogenannten Altern. Hierunter versteht man die Versprödung des Stahls im Laufe der Zeit. Die Ursache der Versprödung liegt darin, dass Stickstoff zwar bei relativ hohen Temperaturen gelöst werden kann, jedoch praktisch nicht bei Raumtemperatur löslich bleibt. Somit wird sich der (zwangsgelöste) Stickstoff mit der Zeit als Eisennitrid im Stahlgefüge ausscheiden. Diese Ausscheidungen behindert im besonderen Maße die für eine Verformung notwendige Versetzungsbewegung - der Stahl versprödet. Stähle die keine Alterungserscheinungen zeigen sollen, müssen folglich stickstoffarm sein. Vor allem in den Anfängen der Stahlherstellung, als noch mit stickstoffhaltiger Luft gefrischt wurde, stellte die Stickstoffaufnahme ein großes Problem dar. Deshalb wird heutzutage mit technisch reinem Sauerstoff gefrischt, wobei auch dabei stets Anteile an Stickstoff aufgenommen werden.

An dieser Stelle bietet die Vollberuhigung mit Aluminium zusätzliche Vorteile. Das zugesetzte Aluminium verbindet sich nämlich mit dem gelösten Stickstoff zu Aluminiumnitrid und macht es dadurch bezüglich einer Alterung unschädlich:

\begin{align}\;\;\;\;\;
&FeN  ~&&+~ Al &&\rightarrow~ Fe ~&&+~ AlN \\[5px]
\end{align}

Die Aluminiumnitride fördern darüber hinaus die Keimbildung während des Erstarrens und verzögern das Kornwachstum, sodass sich damit schweißgeeignete Feinkornbaustähle herstellen lassen.

Nachteilig kann sich die Vollberuhigung jedoch auf die Oberflächenqualität auswirken, weshalb in manchen Fällen unberuhigt vergossener Stahl genutzt wird wie bspw. für die Herstellung von Tiefziehblechen. Auch kann die  Vollberuhigung beim Blockguss zu verstärkten Innenlunkern führen, die später abgetrennt werden müssen und somit Ausschuss darstellen.

Diese Seite verwendet Cookies. Mit Verwendung dieser Seite erklären Sie sich hiermit ausdrücklich einverstanden. Für mehr Informationen sowie die Möglichkeit zur Deaktivierung klicken Sie auf "Datenschutzerklärung".
Datenschutzerklärung Einverstanden