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)
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