Mangan: Mehr als ein Werkstoff zum Härten von Stahl

Der Ausdruck, etwas sei „hart wie Krupp-Stahl“ ist noch heute ein geflügeltes Wort. Doch was macht den Stahl eigentlich besonders hart?

Ein Metall, das zur Härtung von Stahl gerne herangezogen wird ist Mangan.

Wir Menschen verfügen über eine extrem lange Tradition im Umgang mit Mangan. Es ist vor allem der Umgang mit Manganpigmenten aus Manganoxid, der dazu führt, dass wir die Verwendung von Mangan über 17.000 Jahre zurückverfolgen können.

Mangan als Färbemittel für Glas

In der Antike verwendeten Römer und Ägypter Manganverbindungen zur Färbung und Entfärbung in der Glasherstellung.

Ob die hohe Qualität der spartanischen Waffen auf Mangan zurückgeht ist umstritten, unstrittig ist jedoch, dass die Spartaner manganhaltiges Eisen zur Herstellung ihrer Waffen benutzen.

Als eigenes Element wurde das Mangan erst im späten 18. Jahrhundert entdeckt.

1774 gelang es Johan Gottlieb Gahn erstmals Mangan zu isolieren. Recht schnell erkannte man, dass Mangan die Festigkeit von Eisen steigert ohne es zu stark zu verspröden.

Härterer Stahl mit Mangan

Deshalb wird seit 1816 dem Eisen Mangan beigemischt, um festere Stähle zu erzeugen.

In elementarer Form ist Mangan ein grau-weißes, hartes und sehr sprödes Schwermetall, das in einigen Eigenschaften dem Eisen sehr ähnlich ist.

Von daher ist es nicht verwunderlich, dass es lange Zeit mit dem Eisen verwechselt wurde und in chemischen Verbindungen so gut mit ihm harmoniert.

In der Erdkruste ist Mangan recht häufig anzutreffen. Es ist mit einem Anteil von 0,095% das zwölfthäufigste Element. Zumeist kommt es in Mineralien gebunden als Silicat, Oxid oder Carbonat vor.

In Deutschland ist Mangan nur selten zu finden.

Trotzdem wurde es noch im 20. Jahrhundert, etwa in der Grube „Gilsenhang“ in Heckholzhausen gefördert.

Nennenswerte Mengen finden sich im Siegerländer Spateisensteinbezirk, im mittleren Thüringer Wald nahe Ilmenau, im Harz bei Ilfeld sowie im Westerwald.

Südafrika: Wichtigstes Förderland

Die größten bekannten Manganvorkommen finden wir im südlichen Afrika in der Kalahari. Sie liegt in der nördlichen Kapprovinz in Südafrika.

Reich an Mangan sind außerdem Australien, China, Gabun, Brasilien, Indien und die Ukraine. Auch die Tiefsee im Pazifik ist dank der Manganknollen reich an diesem Metall.

Verglichen mit anderen Elementen ist reines Mangan relativ unbeständig. An der Luft bildet sich ein dünner Oxidfilm, der wie beim Aluminium das darunterliegende Mangan vor weiterer Oxidation schützt.

Wasser hingegen greift Mangan an. Es bildet sich dabei Wasserstoff.

Schwache, nicht oxidierende Säuren lösen es ebenfalls auf, und unter dem Einfluss von Wärme reagiert Mangan sehr leicht mit Bor, Kohlenstoff, Silicium, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Sauerstoff und den Hologenen.

Einsatzschwerpunkt Metallindustrie

Wegen seiner hohen Affinität zu Sauerstoff und Schwefel wird Mangan heute vor allem in der Metallindustrie eingesetzt. Hier macht man sich seine werkstoffverbessernden Eigenschaften zu Nutze.

Etwa 90% bis 95% des erzeugten Mangans bzw. Ferromangans gehen in die Eisen-, Stahl- und Sonderwerkstoffherstellung.

Weil Mangan sehr leicht mit Schwefel reagiert, dient es der Deoxidation und Entschwefelung von Eisen uns Stahl.

Durch die Beigabe von Mangan wird der im Eisen enthaltene Schwefel als Mangan(II)-sulfid gebunden. Dieses hat einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als Eisen(II)-sulfid.

In der Stahlherstellung ergibt sich dadurch ein verbessertes Verarbeitungsverhalten, von dem man vor allem beim Warmwalzen profitiert.

In korrosionsbeständigen Edelstählen verdrängt das preisgünstigere Mangan immer mehr das relativ teure Nickel.

Stahl wird härter, aber leider auch spröder, wenn man ihm Mangan zusetzt. Aus diesem Grund enthalten Stähle heute zumeist nur bis zu 2,5% Mangan.

Unter dem Namen Hadfield-Stahl wurde ein Manganstahl mit 13% Mangan bekannt. Auf ihn wurde 1916 zur Herstellung der britischen Stahlhelme im 1. Weltkrieg zurückgegriffen.

Weiterhin steigender Bedarf

Außerhalb der Stahlerzeugung findet Mangan als Bestandteil von Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierungen Verwendung für temperaturunabhängige Widerstände.

Außerdem wird es noch für weitere Legierungen genutzt, wie Aluminium-Mangan-Legierungen sowie Ausdehnungslegierungen mit extrem hohen Ausdehnungskoeffizienten.

Letztere werden zum Beispiel für die Fertigung aktiver Schalter aus Bimetall benötigt werden.

In Trockenbatterien dient Manganoxid als Oxidationsmittel, und bei der Farbherstellung kommen weiterhin Manganverbindungen zum Einsatz.

Ein Ersatz des Mangans durch andere Technologien ist wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Es ist daher in den nächsten Jahren damit zu rechnen, dass der Manganverbrauchn – angetrieben durch die Stahl- und Aluminiumindustrie als Hauptverbraucher – weiter steigen wird.

Mangan als wichtiges Spurenelement

Im menschlichen Körper sind etwa 10 bis 20 mg Mangan enthalten, der überwiegende Teil davon in den Knochen.

Als Spurenelement ist es sehr wichtig. Es steigert die Verwertung von Vitamin B1 und ist in der Bauchspeicheldrüse bei der Insulinproduktion von entscheidender Bedeutung.

Täglich sollte der Mensch etwa 4 mg Mangan durch die Nahrung aufnehmen. Dazu eignen sich besonders manganreiche Lebensmittel wie Nüsse, Keimlinge, Erdbeeren, Kakao und Vollkornprodukte. Milch, Mineral- und Trinkwasser sind hingegen arm an Mangan.

Während andere Schwermetalle vom toxischen Standpunkt aus betrachtet sehr bedenklich erscheinen, ist Mangan in dieser Hinsicht relativ unproblematisch.

Vergiftungen durch die orale Einnahme von Mangan bzw. Manganverbindungen sind bislang noch nicht bekannt.

Als Staub gefährlich für Menschen

Gefährlich, weil toxisch, ist es jedoch, wenn Mangan als Staub über die Atemwege in den Körper gelangt.

Es kann zur Ausbildung von Manganismus kommen, einem Krankheitsbild, das sich vor allem in motorischen Störungen (ähnlich dem Morbus Parkinson) sowie Psychosen und Wesensveränderungen ausdrückt.

Vor allem die Mitarbeiter von Batteriefabriken und Bergarbeiter sind von dieser Krankheit betroffen.