Stahl
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% Kohlenstoff enthält. Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen. 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.
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.
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 dur 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.
Elektroofen
Die Sthahlherstellung aus Schrott erfolgt heute üblicherweise im Elektroofen. Der Schrott wird in einem Lichtbogen aufgeschmolzen. Anschließend kann er direkt vergossen werden.
Ökologie
Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recyclierbar ist, indem der Schrott wieder geschmolzen wird.
Der Hochofenprozeß ist eine bedeutender Emittent von Kohlendioxid. Deshalb wird intensiv an neuen Verfahren geforscht.
Konkurenzmaterialien
Stahl steht insbesonderen in der Automobilindustrie in direkter Konkurenz durch Werkstoffe mit geringerem spezifischen Gewicht, wie Aluminium und Magnesium. Da diese Werkstoffe aber weniger fest als Stahl sind, kann durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen der Gewichtsvorteil ausgeglichen werden.
s.a.: Blech
Links:
siehe auch: Friedrich Julius Stahl