Stahl

Einführung

Stahl, im allgemeinen Sinne eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, der häufig noch andere Elemente (Eisenbegleiter) beigemischt sind. Spezielle Eisen- und Stahllegierungen enthalten z. B. zwischen 0,8 und 14 Prozent Mangan (Manganstahl), 10 bis 13 Prozent Silicium (säurebeständiger Stahl) oder 20 Prozent Chrom (V2A-Stahl). Das im Hochofenprozess gewonnene Roheisen (s. u.) und auch Gusseisen enthalten zwischen zwei und vier Prozent Kohlenstoff. Dagegen enthält hochwertiger Stahl beispielsweise nur wenige Hundertstel eines Prozents an Kohlenstoff. Allgemein liegt der Kohlenstoffanteil bei Stählen zwischen 0,04 Prozent und 2,1 Prozent.


Geschichte

Der genaue Zeitpunkt, zu dem die Menschen die Technik der Verhüttung von Eisenerz entdeckten und verwendbares Metall produzierten, ist nicht bekannt. Die ältesten Eisengegenstände, die Archäologen in Ägypten entdeckten, stammen aus der Zeit um 4000 v. Chr. Eisenornamente wurden sogar schon früher verwendet. Die relativ fortschrittliche Technik des Härtens von Waffen aus Eisen war um 1000 v. Chr. bekannt.

Die ersten Eisenlegierungen (Schmiedeeisen) wurden durch Erhitzen von Eisenerz und Holzkohle in einer Esse oder einem Ofen hergestellt. Seit dem 14. Jahrhundert gelang die Entkohlung des Eisens, indem man verstärkt Luft in die glühende Mischung hineinblies (Frischfeuer). Bei diesem Verfahren wurde das Erz zu einer porösen Masse aus metallischem Eisen reduziert, die eine Schlacke aus metallischen Verunreinigungen und Holzkohlenasche enthielt. Die Oxidation der im Eisenerz enthaltenen Nebenprodukte mit Luftsauerstoff nennt man Frischen. Die fertige Masse wurde noch glühend aus dem Ofen genommen und mit schweren Schmiedehämmern bearbeitet, um die Schlacke zu entfernen und das Eisen zu verfestigen. Das so produzierte Eisen enthielt gewöhnlich etwa 3 Prozent Schlacke und wenige Prozent anderer Verunreinigungen.

1784 entwickelte der Eisenhersteller Henry Cort das so genannte Puddel-Verfahren, bei dem Roheisen in einem speziellen Flammofen zu Schweißstahl – im Prinzip auch Schmiedeeisen – weiterverarbeitet wurde. Dem vielseitigen Erfinder Henry Bessemer wurde 1855 das Patent für sein Verfahren zur Stahlbereitung aus siliciumreichen und phosphorarmen Roheisen zuerkannt. Ein Jahr später lösten die Gebrüder Friedrich und Wilhelm Siemens das Problem zur Erzeugung von sehr hohen Temperaturen. Die Gebrüder Emile und Pierre Martin nutzten diese Regenerativfeuerung erstmals 1864 zur Stahlgewinnung aus Roheisen und Erz bzw. Roheisen und Eisenschrott. Diese Methode wurde später als Siemens-Martin- oder Herdfrischverfahren bezeichnet. 1877 führte Sidney Gilchrist Thomas das nach ihm benannte Thomas-Verfahren in England ein, das man auch als Windfrischverfahren bezeichnet. Mit dem Thomas-Verfahren ließen sich auch phosphorreiche Roheisen zu Stahl verarbeiten.


Stahlerzeugung

Die Gewinnung von Stahl aus Roheisen erfolgt in erster Linie durch die Beseitigung der im Roheisen enthaltenen und unerwünschten Begleitstoffe – vor allem Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel. Roheisen ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts spröde und erweicht beim Erhitzen nicht allmählich, sondern plötzlich. Deshalb steht die Entkohlung des Roheisens bis zum Kohlenstoffgehalt des Stahles (Frischen) im Vordergrund. Für das Frischen hat man verschiedene Verfahren entwickelt. Die heute gängigen Methoden sind das Sauerstoff-Frischen und das Elektrostahlverfahren. Die älteren Methoden Bessemer-, Thomas- und auch das Siemens-Martin-Verfahren besitzen heutzutage kaum noch Bedeutung.


Sauerstoff-Blasverfahren

Etwa 80 Prozent des in Deutschland produzierten Stahles wird nach diesem Verfahren hergestellt. Beim so genannten Sauerstoff-Aufblasverfahren bläst man mit einem Düsenrohr (Sauerstofflanze) aus unterschiedlichen Höhen mit überdruck Sauerstoff auf die im Konverter befindliche flüssige Metallmischung. Dieses Verfahren wird in der Technik auch Linz-Donawitz-Verfahren (abgekürzt: LD-Verfahren) genannt und dient vor allem zur Verarbeitung von phosphorarmen Roheisen. Das Aufblasen dauert meist etwa 20 Minuten, wobei sich die Mischung von rund 1 150 auf 1 650 °C erwärmt. Zu Kühlzwecken gibt man Schrott zur Mischung. Je nach Art der im Roheisen enthaltenen Beimengungen setzt man entsprechende Schlacke bildende Zuschläge hinzu. Phosphorreichere Roheisen verarbeitet man nach dem Linz-Donawitz-Arbed-Centre-National-Verfahren (abgekürzt: LDAC-Verfahren). Bei diesem Verfahren wird in einem zweiten Aufblasprozess nach dem Schlackenabguss zusammen mit dem Sauerstoff-Staubkalk aufgeblasen. Dadurch erreicht man eine noch effektivere Beseitigung der Phosphorbeimengungen. Neben diesen beiden Verfahren sind noch weitere spezielle Methoden zur Stahlgewinnung in der Industrie üblich.


Elektrostahlverfahren

Im Gegensatz zu den bereits beschriebenen Verfahren verarbeitet man beim Elektrostahlverfahren kein oder nur geringe Mengen Roheisen. Der Stahl wird bei dieser Produktionsvariante hauptsächlich aus Eisenschrott in elektrischen Lichtbogen- oder Induktionsöfen erschmolzen. Im Prinzip stellt im Lichtbogenofen die Metallschmelze eine Elektrode und der darüber installierte Kohlestab die andere Elektrode dar. Bei Betrieb bildet sich zwischen beiden Elektroden ein Lichtbogen, der gleichzeitig die Wärmequelle ist. Im Induktionsofen wird die Wärme in einer Spule erzeugt. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für die Herstellung von Edelstählen und anderen hochlegierten Stählen, die nach genauen Vorgaben hergestellt werden müssen.


Fertigstellung

Stahl wird in vielen Größen und Formen gehandelt. Dazu gehören z. B. Stangen, Rohre, Stahlplatten, Stahlbleche und Doppel-T-Träger. Diese Formen werden u. a. in Walzwerken hergestellt, indem man beispielsweise heiße Barren walzt oder anderweitig in die gewünschte Form bringt. Die Bearbeitung des Stahles verbessert auch dessen Qualität, indem sie seine kristalline Struktur verfeinert und die Festigkeit des Metalls erhöht.

Das Grundverfahren zur Stahlbearbeitung wird als Heißwalzen bezeichnet. Beim Heißwalzen wird der Gussbarren zuerst in einem Ofen auf Rotglut erhitzt. Dann wird er zwischen einer Reihe von Metallwalzenpaaren hindurchgeführt, die ihn in die gewünschte Größe und Form bringen. Im Gegensatz zum Heißwalzen wird beim Kaltwalzen das Werkstück nicht vorher erwärmt. Kaltwalzen verwendet man insbesondere bei der so genannten Kaltformung, beispielsweise beim Auswalzen dünner Stahlbleche.


Weißblech

Das mit Abstand wichtigste beschichtete Produkt ist Weißblech für die Herstellung von Konservendosen. Weißblech besteht zu über 99 Prozent aus Stahl. Die gängigste Verzinnungsmethode ist das galvanische Verfahren. Dabei benutzt man eine Elektrode aus reinem Zinn als Anode und eine Badmischung als Elektrolyt, die u. a. Hydroxostannat (eine Zinnverbindung) enthält. Während des Verfahrens wird das Stahlblech langsam von der Rolle abgewickelt und durch die chemische Lösung geführt. Gleichzeitig wird eine elektrische Spannung an das System angelegt, wodurch sich die Zinnanode langsam auflöst und als elementares Zinn auf dem Stahl ablagert. Beim elektrolytischen Verfahren reicht ein Kilogramm Zinn für die Beschichtung von etwa 50 Quadratmeter Stahl. Für die Herstellung von Dünnblech wird das Blech ein zweites Mal kalt gewalzt, bevor es mit Zinn beschichtet wird. Dadurch wird das Stahlblech besonders dünn und fest. Dosen aus Dünnblech sind genauso stabil wie gewöhnliche Blechdosen, enthalten aber weniger Stahl, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden. Leichte Verpackungen können auch aus verzinnter Stahlfolie hergestellt werden. Andere Verfahren der Stahlverarbeitung sind z. B. Schmieden und Gießen.


Klassifizierung von Stahl

Stähle werden nach dem Herstellungsverfahren oder nach ihrer Anwendung in viele Sorten unterteilt. Aufgrund dieser Vielfalt werden im Folgenden nur einige ausgewählte Sorten beschrieben.

  • A. Kohlenstoffstahl
    Bei Kohlenstoffstahl handelt es sich um eine einfache, härtbare Stahlsorte, die 0,5 bis 1,7 Prozent Kohlenstoff enthält.
     
  • B. Legierte Stähle
    Diese Stähle weisen eine bestimmte Zusammensetzung auf und enthalten einen bestimmten Prozentsatz an Vanadium, Molybdän oder anderen Elementen. Aus legierten Stählen werden eine Vielzahl von Produkten, wie z. B. Getriebe und Achsen von Fahrzeugen, hergestellt. Manche Stahllegierungen, die Cobalt und Wolfram enthalten, nutzt man zur Erzeugung permanenter Magneten.
     
  • C. Nichtrostende Stähle
    Nichtrostende Stähle enthalten Chrom, Nickel und andere Legierungselemente, die verhindern, dass sie bei Feuchtigkeit oder der Einwirkung von korrodierenden Säuren und Gasen verrosten. Chrom macht den Stahl besonders hart, während Nickel die Zähigkeit des Stahles erhöht – eine Legierung mit 25 Prozent Nickel kann beispielsweise auf die doppelte Länge ausgezogen werden, ohne zu zerreißen. Der V2A-Stahl (früher auch Nirosta) enthält z. B. 71 Prozent Eisen, 20 Prozent Chrom, 8 Prozent Nickel sowie je 0,2 Prozent Kohlenstoff, Silicium und Mangan. Nichtrostende Stähle werden beispielsweise für Leitungen und Tanks von Erdölraffinerien und in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet. Operationsbestecke und medizinische Geräte werden ebenfalls aus diesen Stählen hergestellt.
     
  • D. Werkzeugstähle
    Aus diesen Stählen stellt man viele Arten von Werkzeugen und die schneidenden und formenden Teile von motorgetriebenen Maschinen für verschiedene Bearbeitungsvorgänge her. Sie enthalten Wolfram, Molybdän und andere Legierungselemente, die ihnen zusätzliche Festigkeit, Härte und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb verleihen.

Aufbau von Stahl

Die physikalischen Eigenschaften von verschiedenen Stahlarten und jeder beliebigen Stahllegierung bei unterschiedlichen Temperaturen hängen vor allem von der enthaltenen Menge an Kohlenstoff und seiner Verteilung im Eisen ab. Vor der Wärmebehandlung sind die meisten Stähle eine Mischung aus drei Substanzen: Ferrit, Perlit (nicht zu verwechseln mit dem gleichnamigen vulkanischen Glas Perlit) und Cementit. Ferrit oder auch -Eisen enthält geringe Mengen Kohlenstoff und andere Elemente und ist sowohl weich als auch formbar. Cementit ist Eisencarbid (Fe3C). Diese Eisenverbindung ist sehr spröde und hart und enthält etwa 7 Prozent Kohlenstoff. Perlit ist eine enge Mischung aus Ferrit und Cementit, die eine spezifische Zusammensetzung und eine charakteristische Struktur aufweist. Ihre physikalischen Eigenschaften liegen zwischen denen ihrer beiden Bestandteile.

Die Zähigkeit und Härte eines nichtwärmebehandelten Stahles hängen von den Anteilen dieser drei Bestandteile ab. Wenn der Kohlenstoffgehalt eines Stahles größer wird, nimmt die in ihm enthaltene Menge an Ferrit ab und die Menge an Perlit nimmt zu, bis der Stahl vollständig aus Perlit besteht. Dies ist der Fall, wenn er 0,8 Prozent Kohlenstoff enthält. Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt ist eine Mischung aus Perlit und Cementit. Bei der Wärmebehandlung dieses Stahles wandeln sich Ferrit und Perlit in eine allotrope Form einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung um, die man als Austenit bezeichnet. Austenit (auch -Eisen) besitzt die Eigenschaft, den gesamten freien Kohlenstoff im Metall zu lösen. Wenn der Stahl langsam abgekühlt wird, findet eine Rückumwandlung des Austenits in Ferrit und Perlit statt. Erfolgt die Abkühlung dagegen rasch, „erstarrt” ein Teil des Austenits, während der andere Teil sich in Martensit umwandelt. Beim Martensit handelt es sich um eine instabile Form des Systems Ferrit-Cementit. Der Name Martensit wird u. a. auch als Begriff für andere, ähnlich aufgebaute Metalllegierungen verwendet.


Wärmebehandlung von Stahl

Das grundlegende Verfahren zur Härtung von Stahl besteht aus der Erwärmung des Metalls auf eine Temperatur, bei der Austenit gebildet wird (etwa 760 bis 870 °C), und anschließender rascher Abkühlung (Abschrecken). Solche Härtungsvorgänge erzeugen große innere Spannungen im Metall, die sich durch Anlassen, Tempern oder Glühen beseitigen lassen. Durch die Wärmebehandlung werden Menge, Größe, Form und Verteilung der Cementitteilchen im Ferrit gesteuert, was wiederum die physikalischen Eigenschaften des Stahles bestimmt.

Es gibt viele Variationen dieses Verfahrens. Metallurgen haben entdeckt, dass die Umwandlung von Austenit in Martensit am Ende der Abkühlphase stattfindet, und dass diese Umwandlung von einer Volumenveränderung begleitet wird, die bei zu schnellem Abkühlen zu Rissen im Metall führen kann. Zur Vermeidung dieser Rissbildung sind u. a. drei Verfahren entwickelt worden. Beim langsamen Abkühlen wird der Stahl aus dem Kühlbad genommen, wenn er die Temperatur erreicht hat, bei der sich das Martensit zu bilden beginnt. Dann lässt man ihn an der Luft weiter abkühlen. Beim Martempern wird der Stahl am gleichen Punkt aus dem Kühlbad genommen und dann in ein Bad mit gleicher Temperatur gegeben, bis er im Inneren die gleiche Temperatur angenommen hat. Anschließend lässt man den Stahl an der Luft durch den Temperaturbereich der Martensitbildung abkühlen. Dieser reicht bei den meisten Stählen von etwa 288 °C bis zur Zimmertemperatur. Beim Austempern wird der Stahl in ein Bad aus Metall oder Salz gegeben, das auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, bei der die gewünschte Strukturveränderung stattfindet. Er verbleibt in diesem Bad, bis die Umwandlung vollständig abgelaufen ist.

Außerdem gibt es noch weitere Verfahren zum Härten von Stahl durch Wärmebehandlung. Beim Einsatzhärten erhält ein fertiges Stahlwerkstück eine extrem harte Oberfläche durch Erhitzen mit Kohlenstoff- oder Stickstoffverbindungen (Aufkohlung, Nitridieren). Diese Verbindungen reagieren mit dem Stahl und erhöhen entweder den Kohlenstoffgehalt oder bilden Nitride in der Oberflächenschicht. Bei der Aufkohlung wird der Rohstahl in Koks oder in Methan bzw. Kohlenmonoxid erhitzt. Beim so genannten Gasnitridieren werden Stähle mit einer bestimmten Zusammensetzung – der Stahl muss Nitridbildner wie z. B. Chrom oder Titan enthalten – durch Erhitzen in Ammoniakgas gehärtet. Das Nitridierverfahren wird vor allem beim Fahrzeug- und Maschinenbau sowie in der Werkzeugherstellung angewandt.



"Stahl," Microsoft Encarta Online Encyclopädie 2002 (gekürzt) (http://encarta.msn.de)
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