Wikipedia

Stahl

kohlenstoffarme Eisenlegierungen
Dies ist eine alte Version dieser Seite, zuletzt bearbeitet am 13. Juni 2003 um 02:15 Uhr durch 213.157.26.71 (Diskussion). Sie kann sich erheblich von der aktuellen Version unterscheiden.


Stahl ist eine metallische Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist.

Definition

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06% (Masse) Kohlenstoff enthält. Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit vor. Gegenwärtig gibt es aber einige Gruppen von Stählen, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil mehr ist. Ein Beispiel dafür sind IF-Stähle, in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell gelöst ist. Gegenwärtig werden unter Stählen eisenbasierte Legierungen verstanden, die plastisch umgeformt werden können.

Eigenschaften

Kohlenstoffstähle sind die am meisten verwendeten metallischen Legierungen. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen. Im allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder.

Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche allotrope Phasen, Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit und Zementit. Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden.

Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasen Sorbit, Troostit, Bainit und Martensit entstehen. Siehe auch Härten.

Durch Legieren mit anderen Elementen in Kombination mit Wärmebehandlung und thermomechanischer Behandlung, die Kombination von thermischer Behandlung mit plastischer Umformung, können die Eigenschaften der Stähle für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden. Man unterscheidet zwischen hoch- und niedriglegierten Stählen. Letztere Kennzeichnet ein Anteil (bezogen auf die Masse der Legierungselemente außer Eisen) unter 5%.

Arten von Stählen

Ohne den Anspruch auf Vollständigkeit, werden im Folgenden verschiedene Arten von Stählen angegeben.

  • Kohlenstoffstahl: Ist das Material was man im allgemeinen unter Stahl versteht. Gewöhnlich werden Kohlenstoffstähle zusätzlich mit Mangan legiert, um die Festigkeit weiter zu erhöhen.
  • Rostfreie Stähle: Diese gibt es als ferritische und austenitische Stähle. Ersterer wird durch Legieren von mindestens 10% Chrom erhalten. In austenitischen rostfreien Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Diese Stähle sind bei Raumtemperatur nichtmagnetisch.
  • Damaszener Stahl: Dieser ist ein Werkstoff für Säbel und ist für seine Flexibilität und Festigkeit bekannt. Damaszener Stahl ist kein Stahl im eigentlichen Sinn, sondern ein Verbundwerkstoff aus verschiedenen Stählen, die durch Feuerschweißen verbunden werden.

Stahlherstellung

Hochofenroute

Stahl kann entweder aus Eisenerz oder aus Schrott hergestellt werden.

Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalk und Koks zum Möller vermischt und anschließend in den Hochofen chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.

Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es in einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, dem so genannten Frischen, wird der Kohlenstoff reduziert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen.

Historische Stahlherstellungsverfahren

  • Meteoreisen: Ursprünglich wurde das Eisen von Meteoren verarbeitet.
  • Rennfeuer: Vor ca. 2500 Jahren sind die ersten Rennfeuer entstanden. Diese sind Lehmöfen, in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300°C, die das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: Rennen von Rinnen. Das Eisen wird durch die Holzkohle reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte Luppe, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden kann.
  • Siemens-Martin-Ofen: Dieser war bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts die bevorzugte Stahlherstellungsmethode. Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspannten Schmelzraum und dem Unterofen. Im Oberofen wird Roheisen und/oder der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen wird mit Öl- oder Gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuß der Brennerflamme oder durch Zugabe von Eisenerz.
  • Thomas- und Bessemerverfahren, DSN-Verfahren: Diese sind Konverterverfahren, bei denen durch Bodendüsen des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt werden. Das Thomas- und Bessemerverfahren verwendet Luft, im DSN-Verfahren (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt.

Stahlherstellungsverfahren

  • LD-Verfahren: Im Linz-Donawitz-Verfahren (LD) wird durch ein langes Rohr Sauerstoff über die Schmelze im Konverter geblasen. In LD Varianten kann z.B. anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (LBE, Lance Bubbling Equilibrium) oder es wird zusammen mit dem Sauerstoff Kalkpulver eingeblasen (LD-AC-Verfahren).
  • OBM-Verfahren: Im OBM-Verfahren (Oxygen-Boden-Maxhütte) werden Sauerstoff und Butan oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen.
  • Elektrostahl: Durch Schmelzen im Induktionsofen oder Lichtbogenofen kann vorbehandeltes Roheisen und Schrott zu Stahl verarbeitet werden. Den Sauerstoff bezieht dieses Verfahren aus der Umgebungsluft. Es wird vorwiegend zur Herstellung von Edelstählen und anderen besonderen Stahlsorten verwendet.

Ökologie

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelbar ist, indem der Schrott wieder geschmolzen wird.

Der Hochofenprozess ist eine bedeutender Emittent von Kohlendioxid. Deshalb wird intensiv an neuen Verfahren geforscht.

Konkurrenzmaterialien

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz durch Werkstoffe mit geringerem spezifischen Gewicht, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Kompositwerkstoffen. Da diese Werkstoffe aber weniger fest als Stahl sind, kann oft durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (z.B. dünneres Blech mit Löchern aber dafür Verprägungen) der Gewichtsvorteil ausgeglichen werden.

Siehe auch: Friedrich Julius Stahl

Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Stahl&oldid=168630“