Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl
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Elektroofen
Schmiedemaschine

Als Stahl werden metallische Legierungen bezeichnet, deren Hauptbestandteil Eisen ist und deren Kohlenstoffgehalt zwischen 0,002 % und 2,06 % liegt.

Mit Stahl als Werkstoff hat die Menschheit schon lange praktische Erfahrung. Die Verwendung von Stahl mit garantierten Eigenschaften (Festigkeit, Korrosionsverhalten, Verformbarkeit, Schweißeignung usw.) nimmt in der Technik einen breiten Raum ein. Im Register europäischer Stähle sind über 2300 Stahlsorten aufgelistet. Kohle und Stahl (Montanindustrie) waren lange Zeit Hauptsäulen der Schwerindustrie und Grundlage für die politische Macht eines Staates.

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält. Dieser Definition folgt auch die DIN EN 10020, nach der Stähle Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% C sind. Chemisch betrachtet handelt es sich bei dem Werkstoff Stahl um eine Legierung aus Eisen und Eisencarbid. Die einfachste Definition ist aber wohl folgende: Jedes Eisen, welches ohne Zugabe anderer Stoffe schmiedbar ist, kann man als Stahl bezeichnen.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit wärme- und thermomechanischer Behandlung können Eigenschaften für einen breiten Anwendungsbereich erzielt werden.

Der Stahl kann zum Beispiel sehr weich und dafür ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, wie etwa das Weißblech von Konservendosen. Demgegenüber kann er sehr hart und dafür spröde hergestellt werden wie etwa martensitische Stähle für Messer (Messerstahl). Moderne Entwicklungen zielen darauf, den Stahl gleichzeitig fest und duktil (verformbar) herzustellen, als Beitrag für den Leichtbau von Maschinen.

Das wichtigste Legierungselement im Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt als Verbindung (Zementit, Fe3C) vor. 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 Phasen: Austenit, Ferrit, Primär-, Sekundär-, Tertiärzementit und Phasengemische: Perlit, Ledeburit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasengemische wie fein- (ex Sorbit) und feinststreifiger Perlit (ex Troostit) sowie nadeliger/körniger Bainit („Zwischenstufe“) und massiver/nadeliger Martensit bzw. Hardenit entstehen (siehe auch Härten (Stahl)).

Die Phasenzusammensetzung von Stahl wird für den Gleichgewichtszustand mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben.

Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt rund 7,85−7,87 g/cm3, der E-Modul ca. 210 kN/mm2.

Der Schmelzpunkt von Stahl kann je nach den Legierungsanteilen bis zu 1536 °C betragen.

Veränderung von Stahleigenschaften

Schmieden von Stahl
Walzen von Stahl
Ziehen von Stahldraht
Pressen

Stahl kann gewollte Eigenschaften (Härte, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit...) annehmen. Die drei grundsätzlichen Methoden, die natürlich in Kombination miteinander verwendet werden können, zur Veränderung der Stahleigenschaften sind:

Stahl hat seinen Ursprung meist in einer Schmelze. Beim Erstarren entstehen kleine Kristalle mit unterschiedlichen Gitterrichtungen. Diese sind unter dem Mikroskop als Schliffbild sichtbar. Man bezeichnet diese Kristallite auch als Körner. So ist zum Beispiel die Bezeichnung Feinkornbaustahl zu verstehen. An den Korngrenzen, wo beim Erstarren die kleinen Kristalle zusammengewachsen sind, können Seigerungen auftreten. Diese beeinflussen das spätere Verhalten des Stahls bei Umformungen und Einsatz.

Stahl kann aber auch über den pulvermetallurgischen Weg hergestellt werden. Dabei werden Pulvermischungen in bauteilnahe Form gepresst und dann bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponente gesintert. Je nach Pulverteilchengröße und Prozessführung können sehr kleine Korngrößen erzielt werden. Eine Besonderheit des Sinterstahls ist eine gewisse Restporosität. Diese führt zu einer Verschlechterung der Eigenschaften. Sie kann aber auch gewollt sein. In z.B. Gleitlagerwerkstoffen ermöglicht die Porosität die Aufnahme von Schmieröl, welches kontinuierlich über die gesamte Lebensdauer abgegeben wird.

Arten von Stählen

Nach DIN EN 10020 wird zwischen zwei Hauptgüteklassen unterschieden:

Die Kurznamen der Stähle sind in der DIN EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt.

Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt.

In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

Unlegierte Stähle

Unlegierte Stähle (in Produktbeschreibungen manchmal umgangssprachlich "Kohlenstoffstahl" oder "Carbonstahl" genannt) enthalten als Zusatz meist nur Kohlenstoff. Sie werden eingeteilt in Stahlwerkstoffe zur späteren Wärmebehandlung sowie solche, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind. Unlegierte Stähle können geringe Mengen an Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan oder Silizium enthalten.

Niedriglegierte Stähle

Als niedriglegierter Stahl gilt, wenn keines der enthaltenen Legierungselemente die 5-%-Grenze übersteigt oder wenn mehr als 1% Mangan enthalten ist.

Niedriglegierte Stähle haben grundlegend andere Eigenschaften als unlegierte Stähle. Technisch wichtig ist ihre wesentlich bessere Eignung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung und mit speziellen Legierungskombinationen auch die erhöhte Warmfestigkeit.

Hochlegierte Stähle

Ein Stahl gilt als hochlegiert, wenn mindestens ein Legierungselement die 5-%-Grenze übersteigt.

Hochlegierte Stähle sind für Sondereigenschaften erforderlich. Zunderbeständigkeit, höchste Warmfestigkeit, Rostbeständigkeit oder besondere physikalische Eigenschaften lassen sich nur durch hochlegierte Stähle erzeugen.

Einteilung nach Anwendungsgebieten

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen dies entnommen werden kann:

Herstellung

siehe: Stahlerzeugung Verfahren zur Stahlherstellung

Der Vorgang, bei dem der Gehalt an Kohlenstoff und anderen Elementen im Roheisen gesenkt wird, wird als Frischen bezeichnet, was nichts anderes bedeutet, als dass die unerwünschten Begleitelemente oxidiert werden. Relativ unbedeutende Frischverfahren sind das Bessemer-Verfahren und das Thomas-Verfahren, bei denen die Oxidation durch Luft vonstatten geht.[1]

Technisch weit verbreitet ist aber das LD-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird das flüssige Roheisen aus dem Hochofen in einen großen, schwenkbaren Behälter gefüllt. Dieser Behälter heißt Konverter und fasst ungefähr 300 t flüssiges Roheisen. Zusätzlich wird noch Eisenschrott in ihn gegeben. Der Eisenschrott wird zur Kühlung des Konverters benötigt. Denn die Reaktion, die zur Umwandlung von Roheisen in Stahl führt, ist exotherm, so dass die Temperatur der Schmelze im Konverter trotz Zugabe von Metallschrott von etwa 1250 °C auf etwa 1600 °C ansteigt.

Am Anfang der Reaktion steht eine wassergekühlte Lanze, die in die Schmelze des Konverters gehalten wird. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10 bar geblasen. Der Sauerstoff oxidiert die Begleitelemente und die entstehenden gasförmigen Oxide (die Gase Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefeldioxid) entweichen durch die Konverteröffnung in den Abgaskamin oder lagern sich an der Oberfläche der Schmelze ab (alle festen/flüssigen Oxide), wo sie zusammen mit vorher zugegebenem Kalkstein die sogenannte Schlacke bilden. Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der Schmelze stark gesenkt. Die Schlacke und die Stahlschmelze werden getrennt voneinander abgestochen, d.h. aus dem Konverter in einen Transportkübel gegossen. Dann folgt der Prozess der Rückkopplung, bei der man noch etwas kohlenstoffhaltiges Eisen hinzu gibt, um den Kohlenstoffgehalt des Stahls zu regulieren, denn dieser darf nicht zu klein werden.

Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das Elektrostahlverfahren. Mit Graphitelektroden wird ein Lichtbogen mit einer Temperatur bis zu 3500 °C erzeugt. Außer dem Roheisen wird Schrott zugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidiert. Dann setzt man Legierungsmetalle in bestimmten Mengen direkt hinzu, so dass eine Stahllegierung entsteht. Stähle, die im Elektroofen erzeugt wurden, heißen Elektrostähle und sind besonders hochwertig.

Wirtschaftliche und historische Bedeutung

Die Verhüttung von Eisen ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt. Die erste Herstellung eines einfachen Stahls wird auf den Anfang des 1. Jahrtausends v. Chr. datiert (vgl. Artikel Eisen).

Im 12. Jahrhundert n. Chr. wurde in Europa der Holzkohle-Hochofen entwickelt, dessen Prozesstemperatur das Schmelzen von Eisenerzen ermöglichte. Anfangs war dieses Eisen wegen seines hohen Kohlenstoffgehaltes nicht schmiedbar; es musste zunächst „gereinigt“ werden, indem der Kohlenstoff und andere Begleitelemente herausgebrannt wurden.

Gussstahl stellte erstmals 1740 der Engländer Benjamin Huntsman im Tiegelstahlverfahren her. Die erste deutsche Gussstahlfabrik gründete Friedrich Krupp 1811 in Essen. Der Impuls für die sprunghafte Zunahme der Stahlproduktion erfolgte vor ca. 150 Jahren durch die gleichzeitige Anwendung mehrerer technischer Erfindungen: Die Dampfmaschine stellte der Eisenindustrie eine leistungsstarke und flexible Arbeitskraft zur Verfügung, der Steinkohlebergbau erzeugte den für die Stahlerzeugung notwendigen Koks, und die Entwicklung des Eisenbahnwesens sowie der Dampfschifffahrt schufen neue, große Absatzmärkte für Stahl.

Die Stahlindustrie hatte in allen Ländern, unabhängig von ökonomischen Erwägungen, eine enorme politische Bedeutung, da sie auch eine nationale Prestigefrage war. Die Bedeutung des Stahls für die damalige Zeit symbolisiert der Eiffelturm, der anlässlich der Pariser Weltausstellung von 1889 als ein Monument des technischen Fortschritts aus Stahl erbaut wurde.

Für die deutschen Nationalsozialisten, die 1935 ein umfangreiches Rüstungsprogramm gestartet hatten, war Stahl ein kriegswichtiger Werkstoff. So galt der Norwegenfeldzug unter anderem der Sicherung des Nachschubs von schwedischem Eisenerz, das für die damalige Stahlerzeugung ein unverzichtbarer Rohstoff war. Die Alliierten bombardierten das Ruhrgebiet, die größte stahlproduzierende Region Europas. Am Ende des Krieges hatten die Luftangriffe ca. 20 % der Produktionskapazitäten zerstört. Erst 1957 wurde mit einer Rohstahlproduktion von 16 Millionen Tonnen der Vorkriegsstand wieder erreicht.

Die auf der Potsdamer Konferenz beschlossene Demilitarisierung des Deutschen Reiches beinhaltete auch eine Demontage der Stahlindustrie. Ein Teil der demontierten Betriebe ging an die Sowjetunion, die diese zum Wiederaufbau des durch den Krieg zerstörten Landes benötigte. In den westlichen Besatzungszonen regte sich bald Widerstand gegen die Demontage, und so stellten die Alliierten die Demontage schon 1949 wieder ein. Eine weitere Maßnahme der alliierten Kontrollbehörde war die sogenannte „Entflechtung“ der Stahlindustrie. Damit sollte das neuerliche Aufkommen von marktbeherrschenden Unternehmenszusammenschlüssen, wie die „Vereinigte Stahlwerke“, verhindert werden.

Arbeiter am Hochofen

Um eine gemeinsame Kontrolle der Kohle- und Stahlproduktion sicherzustellen, wurde 1952 auf französische Initiative hin die Montanunion gegründet. Aus der Montanunion entwickelte sich dann schrittweise die Europäische Union. In der Folge erlebte die Stahlindustrie in der Bundesrepublik Deutschland einen großen Aufschwung. 1961 produzierten 420.568 Beschäftigte 33 Millionen Tonnen Rohstahl, was einen Höchststand bei der Mitarbeiterzahl bedeutete. Einen Produktionsrekord stellte die westdeutsche Stahlindustrie 1974 auf, als sie über 53 Millionen Tonnen Stahl fertigte. Heutzutage benötigt die Stahlindustrie im wiedervereinigten Deutschland etwa 92.000 Mitarbeiter, um rund 45 Millionen Tonnen Stahl herzustellen. Diese enorme Produktivitätssteigerung war nur durch bedeutende technische Innovationen möglich.

Rohstoffsituation

Obwohl die Erdkruste zu fünf Prozent aus Eisen, dem wichtigsten Ausgangsmaterial für Stahl, besteht, wird gegenwärtig der Rohstoffbedarf der Industrie nicht gedeckt. Beginnend im 2. Halbjahr 2003 zeigte sich eine dramatisch veränderte Rohstoffsituation, die vor allem durch den stark steigenden Stahlbedarf der Volkswirtschaften in der Volksrepublik China, Indien und Brasilien verursacht wurde. Seit einigen Jahren wächst allein die Stahlproduktion in China jährlich um mehr als die gegenwärtige Gesamtproduktion Deutschlands. Plötzlich reichte die Erzeugung der Erzminen nicht mehr aus. Ähnliche Entwicklungen ergaben sich für Koks, der für die Roheisenherstellung benötigt wird, Erdöl (Energiegewinnung) und für Schrott als Sekundärrohstoff für die Stahlerzeugung. Infolgedessen haben sich die Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Gegenwärtig ist Stahl knapp und teuer. Langfristig ist keine Trendwende in Sicht. Der steigende Bedarf an Eisenerz muss demzufolge durch das Erschließen neuer Abbaugebiete gedeckt werden. Jedoch sackten die Preise im Zuge der Finanzkrise im dritten und vierten Quartal 2008 drastisch ab. Die sinkende Nachfrage für Stahl ist auf das schrumpfende Weltwirtschaftswachstum zurückzuführen.

Alternative Materialien

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerer Dichte, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da die anderen metallischen Werkstoffe aber durchwegs weniger fest sind als Stahl, kann der Gewichtsvorteil durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (etwa dünneres Blech mit Aussparungen, aber dafür Sicken) ausgeglichen werden. Faserverbundwerkstoffe haben zwar wesentlich höhere Festigkeiten (Zugfestigkeit, E-Modul) in Faserrichtung, die Konstruktion und Verarbeitung ist jedoch vollkommen anders als bei metallischen Werkstoffen.

Ökologie

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

Die Erzeugung von Rohstahl ist energieintensiv, da die metallurgischen Prozessschritte Temperaturen von 1.500 bis 1.800 °C erfordern. Aus ökologischer Sicht wird bei der Hochofenroute CO2 emittiert, da der Hochofen verfahrensbedingt nicht ohne eine bestimmte Menge Koks und Kohlenstoff betrieben werden kann. In Deutschland und Österreich sind bei den Hochöfen allerdings inzwischen Werte erreicht worden, die am verfahrenstechnischen Minimum liegen. Eine weitere Reduktion ist technisch-physiko-chemisch bedingt nicht möglich. Es wird seit Jahren an neuen Verfahren zur Roheisenerzeugung geforscht. Die in die Betriebspraxis umgesetzten Verfahren basieren allerdings auch auf Kohlenstoff, einem der Edukte für Kohlenmonoxid, das als Reduktionsmittel für das Eisenerz fungiert, und so tragen auch diese neuen Verfahren nicht zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei.

Siehe auch

Referenzen

  1. Chemie für Schule und Beruf 4. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Europa-Nr.:70512, S.142

Weblinks


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