Stahl

Experten in der Branche sprechen oft von Stahl als einem Material, das sich in einem bestimmten Herstellungsstadium befindet (es handelt sich dabei um Zementit, Ledeburit, Perlit, Austenit, α-Ferrit), die im binären Phasendiagramm Eisen-Kohlenstoff beschrieben werden und in einer Reihe von Strukturen vorkommen (Leitstahl, Troostit, Sorbit, Martensit, Bainit), die sogenannte IRA-Diagramme beschreiben.

Im technischen und chemischen Bereich wird der Ausdruck „Eisen“ jedoch gewöhnlich nur zur Spezifikation des chemischen Elementes verwendet, das heißt, von chemisch reinem Eisen an sich. Wenn wir jedoch von technischen Legierungen sprechen, handelt es sich immer um „Stähle“ bzw. „Gusseisen“ (diese Begriffe sind auch Laien und Anwendern gut bekannt).

Wie wird Stahl hergestellt?

Abgesehen von der Antike und dem Mittelalter hat die moderne Zeit auch in diesem Prozess viele Veränderungen gebracht. Heute handelt es sich wieder um einen metallurgischen Prozess, bei dem aus sogenanntem „Roheisen“ (das bekanntlich im Hochofen hergestellt wird) schließlich eine Legierung aus Kohlenstoff, Eisen und anderen chemischen Elementen gewonnen wird. Während des Prozesses wird der Gehalt an Kohlenstoff und Verunreinigungen (in erster Linie Schwefel und Phosphor) auf ein bestimmtes Niveau reduziert und weitere Legierungselemente zur Verbesserung der Stahleigenschaften ergänzt (Nickel, Chrom, Aluminium, Mangan, Silizium, …).

Was ist chemisch-thermische Behandlung von Stahl?

Was den Prozess der chemisch-thermischen Behandlung von Stahl betrifft, so beinhaltet er eine Vielzahl von Stilen der weiteren Bearbeitung, bei der die Oberfläche des Stahls mit weiteren Elementen gesättigt wird. Dadurch ändert sich die chemische Zusammensetzung in den oberen Schichten des betreffenden Stahlteils (in der Regel durch Erhöhung der Temperatur und mit Hilfe eines weiteren Elements wie Kohlenstoff oder Stickstoff – oder auch deren Kombination). Das logische Ziel ist es, für die konkrete Stahlsorte die vom Hersteller geforderten Parameter zu erreichen: insbesondere geht es um die Erhöhung der Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit, die Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, die Erhöhung der Hitzebeständigkeit, der Härte, …

Heute sind die gängigsten Verfahren der chemisch-thermischen Behandlung diese:

• Karbonitrieren
• Borieren
• Sulfonitrieren – das ist das Oberflächensättigen des Stahls mit sowohl Stickstoff als auch Schwefel gleichzeitig.
• Nitrieren – beinhaltet das Oberflächensättigen des Stahls, jedoch ausschließlich mit Stickstoff.
• Nitrocarburieren – hierbei wird die Oberfläche des Stahls gleichzeitig mit Stickstoff und Kohlenstoff gesättigt.
• Verzinken – hierbei handelt es sich um das Oberflächensättigen von Stahlteilen mit Zink.
• Sulfidierung – ausschließlich das Oberflächensättigen von Stahl mit Schwefel.
• Cementieren – hierbei wird die Oberfläche eines kohlenstoffarmen Stahls (aber nur bis 0,25 %) mit Kohlenstoff gesättigt.

Welche Eigenschaften hat Stahl?

Jeder weiß, dass Stahl (und damit auch Eisen) in unserer Zivilisation das am häufigsten verwendete Material metallischen Typs ist. Wenn es mit Kohlenstoff bzw. einem weiteren Material legiert wird (und alles durch thermisch-mechanische und thermische Prozesse beschleunigt wird), haben wir hier plötzlich andere Stahleigenschaften. Und das auch in einem unerwartet großen Bereich. Das gibt natürlich den verschiedenen Herstellern viel Raum, ihre Stahlprodukte zur perfekten Vollkommenheit zu entwickeln (mit anderen Worten: jeder Typ und Untertyp von Stahl kann nur dort eingesetzt werden, wo er wirklich herausragt).

Welche physikalischen Eigenschaften hat Stahl (im Durchschnitt)?

Betrachten wir zunächst die Strukturkomponenten des Stahls, so sind diese traditionell im binären Diagramm mit den Elementen Eisen-Kohlenstoff beschrieben. Die Standarddichte von Stahl beträgt 7850 kg/m³. Seine spezifische Wärmekapazität (das ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Kilogramm der Substanz um einen Grad zu erwärmen) beträgt etwa 469 J·kg-1·K-1 (je nach Gehalt an weiteren Zusätzen). Der Schmelzpunkt liegt bei Stahl wieder etwa bei 1539 °C.

Physikalische Eigenschaften von Stahl

Diese hängen wieder stark davon ab, welches Gewicht der Stahl hat, sowie vom Kohlenstoffgehalt, so dass die nachstehenden Werte nicht immer und unter allen Bedingungen gültig sind – es sind nur Richtwerte.

• Poissonsche Zahl – v = 0,3
• Elastizitätsmodul – E = 210 000 MPa
• Schubmodul – G = 81 000 MPa

Welche Stahlsorten werden heute hergestellt und verwendet?

Die Zahl der produzierten Stahlsorten ist bis heute sehr hoch (insgesamt etwa 2500 Typen und Varianten!). Diese werden in den einzelnen Normen (DIN, ČSN, ...) je nach Typ (also chemischer Zusammensetzung), Struktur sowie ihren physikalischen und mechanischen Eigenschaften spezifiziert und eingeteilt.

Gerade nach weiterer chemischer Zusammensetzung werden Stähle in folgende Gruppen eingeteilt:

Ungestlegierte Stähle

Manchmal werden sie auch „Kohlenstoffstähle“ genannt. Bei ihnen ist der Gehalt an bestimmten Legierungselementen niedriger als der für das jeweilige Element maximal zulässige Tabellenwert. Es gilt, dass für die überwiegende Mehrheit der betroffenen Elemente der maximale Massenanteil etwa 2 % beträgt. Auch die mechanischen Eigenschaften aller Kohlenstoffstähle können natürlich weiter durch thermische Behandlung (Anlassen, Härten, Glühen), thermische-mechanische und thermische-chemische Prozesse (Nitrieren und Zementieren) verändert werden.

Niedriglegierte Stähle

Bei diesen gilt wiederum, dass abzüglich des Kohlenstoffgehalts ihr Kohlenstoffgehalt weniger als 5 % beträgt. Sie sind in ihren Eigenschaften den unlegierten Stählen sehr ähnlich, jedoch auch für weitere thermische Behandlungen geeignet (durch thermische Behandlung können ihre mechanischen Eigenschaften weiter verändert werden). Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt auch ihre Härte nach dem Härten zu (bis zu einem Gehalt von 0,85 % des Kohlenstoffanteils). Weiteres Härten ist von keinem Nutzen, da die Härte anschließend nicht weiter zunimmt. Der Kohlenstoffgehalt sagt aber auch etwas über die Festigkeit des Stahls aus (hier gilt direkte Proportionalität = je höher der Kohlenstoffgehalt, desto fester ist der Stahl).

Ein Beispiel – früher wurden bei uns Pflugschare aus Stahl vom Typ 11700 hergestellt, bei denen der Hersteller behauptete, sie müssten nicht gehärtet werden, da der Stahl mit diesem Kohlenstoffgehalt von sich aus hart genug ist.

Hochlegierte Stähle

Wenn der Gehalt der legierten Elemente insgesamt die Grenze von 5 % überschreitet, wird der Stahl als hochlegiert bezeichnet. Auch hier beeinflusst jedes einzelne Element die Eigenschaften des Endprodukts.

Wie werden Stähle nach Anwendungsbereich unterteilt?

• Damaszenerstahl – ist ein Stahl, der primär für die Herstellung von Klingen aller Arten (Schwerter, Säbel, Messer, …) bestimmt ist, die elastisch und fest sind. Paradoxerweise besteht dieser Typ nicht aus einem Stahltyp, sondern aus mehreren, die durch Feuerverschweißung mittels Schmiedens verbunden sind (technisch ist das Heißverbindungsverfahren).
• Werkzeugstähle – hoch- und mittellegierte Kohlenstoffstähle. Sie haben das Präfix „19“.
• Korrosionsbeständige, hitzebeständige und hitzefeste Stähle – immer hochlegierte Stähle, die viel Nickel (gewährleistet Säurebeständigkeit) und Chrom (verhindert bei einem Anteil von mindestens 8 % Korrosion) enthalten.
• Vergütungsstähle – das sind Typen, die einen mittleren Kohlenstoffgehalt haben und noch weiter angelassen werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, während die bestehenden guten Eigenschaften erhalten bleiben.
• Tiefziehstähle – werden ausschließlich zur Herstellung von sogenannten Tiefziehblechen verwendet.
• Elektrobleche – um verarbeitet und als Transformatorenkern (und in drehenden Maschinen) verwendet werden zu können, müssen sie gewisse magnetische Parameter und Eigenschaften bieten. Sie enthalten 1-4,5 % Silizium und wenig Kohlenstoff.
• Zementstähle – niedriger Kohlenstoffgehalt, aber auch nach dem Härten mit sehr guten mechanischen Parametern. Ihre Oberfläche wird beim weiteren Härten noch mehr mit Kohlenstoff angereichert.
• Federstähle – bekannt als Federstahl oder auch Federstahl. Bei diesen ist die Voraussetzung für den Einsatz, gute statische und mechanische Eigenschaften und eine sehr hohe Ermüdungslebensdauer zu haben.
• Betonstähle – man findet sie bei Stangen im Bauwesen oder bei Bewehrungsdrähten.
• Automatenstähle – Kohlenstoffstähle mit erhöhtem Schwefel- und Mangangehalt oder sogar Blei. Sie haben eine gute Bearbeitbarkeit und ihre Späne brechen leicht.
• Konstruktionsstähle – typischerweise unlegiert und für die Bauindustrie und den Maschinenbau.

Wofür wird Stahl heutzutage verwendet?

Sie kennen es sicherlich selbst – wenn Sie irgendwo an einer Baustelle vorbeifahren, fällt Ihnen sicherlich auf, dass dort mit Stahlträgern gebaut wird. Üblicherweise werden nämlich aus Stahl Tragkonstruktionen von Gebäuden gefertigt. Stahl ist im Vergleich zu anderen Materialien relativ sehr fest, dabei jedoch elastisch und leicht. Für stark beanspruchte (und großspannige) Konstruktionen gibt es schlichtweg keine andere Wahl. Hoch beanspruchte Konstruktionen und Hallen, dafür eignet sich Stahl hervorragend. Oft findet man ihn heute auch über Flüsse in Form von Brücken, Treppen, Stegen und ähnlichen Strukturen. Man muss jedoch betonen, dass er auch einen großen ästhetischen Einfluss hat (und deshalb greifen auch Bildhauer und Innen- sowie Gartenarchitekten gerne darauf zurück).

Stahlteile werden heute häufig auch als Anschluss / Verstärkung anderer Gebäude (insbesondere aus Glas, Holz und Beton) genutzt. Sie finden ihre Anwendung auch bei verschiedenen speziellen und komplex geformten einzigartigen Bauwerken (Architekten müssen berücksichtigen, dass, wenn beispielsweise ein niedriglegierter Stahl erhitzt wird, seine Streckgrenze und Festigkeit ungefähr auf die Hälfte sinken). Stähle werden auch häufig als feste Tanks / Silos / Rohrleitungen verwendet, wo es Sinn macht oder notwendig ist (Industrie, Energie, …). Ohne Stahl geht natürlich in keinem Bereich der Maschinenbauindustrie etwas.

Zugute hält Stahl auch, dass er sich leicht vollständig recyceln lässt (er reduziert den Energieverbrauch bei der Verarbeitung um 75 %!) und sehr leicht verstärkt oder anderweitig in seiner Konstruktion ergänzt werden kann.

Auf den angegebenen Links können Sie sich die einzelnen Stahlsorten ansehen, die Sie in unserem Online-Shop finden können, insbesondere bei Messern, aber auch bei Macheten und Multifunktionswerkzeugen, bei einigen Werkzeugen oder zum Beispiel bei Essbesteck und weiteren Reisegeschirren:

• 440A
• 440B
• 440C
• 8CrMoV
• AUS 8
• CrNi 1810
• D2
• Niolox
• PGK
• Sleipner

Abschließende Bemerkung: Bei einigen Messern kann man auch auf eine Keramikklinge stoßen.