Eisen

Eisen in der Metallurgie ist Roheisen, Fe, in einer Form, die im Wesentlichen frei von Kohlenstoff und anderen Legierungselementen ist, die Stahl definieren. Gusseisen enthält 2% Kohlenstoff oder mehr und ist spröde; Schmiedeeisen enthält weniger als 0,1% Kohlenstoff und ist zäh und verformbar. Reines Eisen liegt dazwischen: weich genug zum Bearbeiten, stark genug um brauchbar zu sein, und chemisch unterschiedlich von beiden. Die meisten handelsüblichen Eisensorten haben eine Reinheit von 99,5% oder höher, mit Rückständen von Sauerstoff, Schwefel, Phosphor und Spurenmetallen, die vom Schmelzen und Raffinieren stammen.

Die metallurgische Grenzlinie ist wichtig, da sich das mechanische Verhalten von Eisen mit dem Kohlenstoffgehalt drastisch ändert. Unter 0,1% Kohlenstoff ist Eisen Ferrit, eine weiche kubische Kristallstruktur, die unter Spannung plastisch verformt wird, statt zu brechen. Es ist dehnbar, schweißbar und reagiert gut auf Kaltverformung. Über 2% Kohlenstoff verschiebt sich die Struktur zu Graphit oder Zementit, und Sprödigkeit dominiert. Das optimale Fenster für reines Eisen wird oft unternutzt, gerade weil es zwischen der industriellen Bequemlichkeit von Gusseisen (preiswert, einfach zu gießen) und der Festigkeit von Stahl (kohlenstoffgehärtet und wärmebehandelbar) liegt.

Reines Eisen wird industriell als Pulver, Schwamm oder raffinierter Rohblock hergestellt. Elektrolyt-Eisen ist die reinste Form, hergestellt durch Elektroabscheidung, und wird in spezialisierten Elektromagneten und Pulvermetallurgie verwendet, wo Eisenoxide oder Karbide vermieden werden müssen. Reduziertes Eisenpulver, hergestellt durch Wasserstoffreduktion von Eisenoxid, ist günstiger und wird in der Teilefertigung, beim Sintern und in pharmazeutischen Anwendungen verwendet. Schmiedeeisen, heute selten hergestellt, wurde traditionell durch Handschmieden geformt; seine faserförmige Mikrostruktur machte es ausgezeichnet für Ketten, Niete und Kunstschmiedearbeiten.

Die Herausforderung bei reinem Eisen ist seine geringe Festigkeit im Vergleich zu Stahl und seine Neigung zur Oxidation in feuchter Luft, wobei es schnell rostet, wenn es ungeschützt ist. Die mechanischen Eigenschaften sind bescheiden: Streckgrenze etwa 200 MPa im geglühten Zustand, Zugfestigkeit etwa 250 MPa. Das begrenzt seine Rolle im Konstruktionsbereich. Es zeichnet sich stattdessen dort aus, wo Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit (nach Oberflächenbehandlung) wichtiger sind als Tragfähigkeit, oder wo der spezifische Herstellungsprozess eine bekannte, vorhersehbare Zusammensetzung frei von härtenden Karbiden erfordert.

Der Name Eisen stammt von angelsächsischen und germanischen Wurzeln; das chemische Symbol Fe leitet sich vom lateinischen ferrum ab. In der Fachsprache bedeutet ein Eisen-Spezifikation in der Regel, dass der Nutzer die Duktilität, Schweißbarkeit oder magnetischen Eigenschaften des reinen Metalls wünscht, oder vermeiden muss, dass die unvorhersehbare Sprödigkeit, die Kohlenstoff verursacht. Die Unterscheidung ist präzise: Eisen ist das Element und das Material; Stahl ist eine Legierung von Eisen mit Kohlenstoff und anderen Elementen, die anderen Normen und Anforderungen unterliegt.