Stahlharte Fakten: Unser Stahl-Lexikon.

Stahl ist der anpassungsfähigste und wichtigste Werkstoff in unserer Industriegesellschaft. Dabei handelt es sich um einen Werkstoff, der hauptsächlich aus Eisen besteht und einen Anteil von weniger als 2 % Kohlenstoff aufweist. Hinzu kommen Legierungselemente, die Stahl oft unbeabsichtigt enthält oder welche für spezifische Stahl-Verwendungen ganz bewusst hinzulegiert werden können.

Zu den nichtmetallischen Elementen, die oft in Stahl enthalten sind, gehören zum Beispiel Silicium, Phosphor oder Schwefel. Metallische Elemente, die man in vielen Stahlsorten findet, sind oftmals Mangan, Chrom, Nickel oder Molybdän.

Schon im 19. Jahrhundert wurde Stahl erzeugt und industriell eingesetzt. Die Vorteile des Werkstoffs setzten sich spätestens ab 1900 immer mehr durch, sodass die Menge der Weltrohstahl-erzeugung stetig anstieg. Im 20. Jahrhundert prägt er die gesamte Industriegesellschaft. Und der Erfolg geht weiter: Seit den 2010er Jahren werden jährlich weltweit 1.600 Millionen Tonnen Stahl oder mehr erzeugt – Tendenz immer noch steigend.

Stahl wird aufgrund seiner Vielseitigkeit heute in fast allen wichtigen Industriesektoren eingesetzt. Typische Stahl-Eigenschaften sind:

• Hoch- und höchstfest,
• Warm- und kaltumformbar,
• Schweißgeeignet,
• Hart, zäh und verschleißfest,
• Korrosionsbeständig,
• Hitzebeständig und warmfest

Eisen weist einen Reinheitsgrad von 99,8 % bis 99,9 % auf. Stahl besteht zwar hauptsächlich aus diesem Element, die wichtigste Rolle spielt jedoch der Kohlenstoff. Sein Anteil beeinflusst die mechanischen und technologischen Eigenschaften des Werk-stoffs entscheidend. Stahl ist also eine Legierung, bzw. ein Misch-produkt, das zum größten Teil aus Eisen, einem geringen Anteil an Kohlenstoff sowie anderen nichtmetallischen oder metallischen Elementen besteht.

Um Stahl oder auch Roheisen zu erzeugen, benötigt man einen Eisenträger, also zum Beispiel Eisenerze oder Schrott, Brennstoffe und Reduktionsmittel wie Koks, Kohle, Öl, Gas und gewisse Zuschläge, wie Kalk oder entsprechende Legierungsmittel.

Reines Eisen kommt in der Natur nicht vor. Lediglich chemische Verbindungen, sogenannte Eisenerze, können gewonnen und für die Produktion von Stahl verwendet werden. Die häufigsten Verbindungen sind Eisenoxide, also Eisen mit Sauerstoff und anderen Verunreinigungen. Diese kommen zumeist in Australien, Brasilien und Russland vor – und werden dort abgebaut.

Ausgangsstoff für Stahl ist Eisen. Um aus natürlichem Eisenerz reines Eisen zu gewinnen, muss die chemische Verbindung gelöst und der Sauerstoff mit allen anderen Verunreinigungen mittels Reduktion vom Erz abgetrennt werden. Dafür benötigt man ein Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Koks, welches eine stärkere Bindung zu Sauerstoff hat als das Eisen selbst.

Anschließend wird das Roheisen bis auf 1.536°C erhitzt. Bei dieser Temperatur schmilzt der Werkstoff und der enthaltene Kohlenstoff wird durch Aufblasen von reinem Sauerstoff verbrannt. Legierungselemente werden hinzugefügt und es findet eine Weiterverabeitung zu verschiedenen Stahlsorten statt.

Stahl wird im Hochofen hergestellt. Dabei wird Heißluft in den Ofen geblasen, sodass der reine Sauerstoff mit dem Kohlenstoff, bzw. dem Koks, reagiert. Diese Reaktion ist stark exotherm und setzt enorme Energie frei – der Hochofen heizt sich durch chemische Reaktionen „selbst“ auf.

Ohne ins Detail zu gehen, machen wir an dieser Stelle einen kleinen, dreiteiligen chemischen Exkurs:

1. Sauerstoff und Koks reagieren zu Kohlenstoffdioxidgas (Wärmefreigabe)
   
   C + O² -> CO²
    
2. Kohlenstoffdioxid reagiert bei hohen Temperaturen mit Koks zu Kohlenmonoxid (Wärmefreigabe)
   
   CO² + C -> 2 CO
    
3. Kohlenmonoxid nimmt den Sauerstoff der Erze auf und es entsteht Roheisen
   
   Fe³O⁴ + 4 CO -> 3 Fe + 4 CO²

Einteilungskriterien sind die chemische Zusammensetzung, die Gebrauchsanforderungen, das Herstellungsverfahren, der Verwendungszweck oder die mechanischen Eigenschaften. Aus diesen Kriterien ergeben sich die verschiedenen Stahlsorten.

Legierte und unlegierte Stähle werden gemäß festgelegten Grenzwerten für die Massenanteile der Legierungselemente unterschieden. Während legierte Stähle den Grenzwert von mindestens einem Element übersteigen, erreichen unlegierte Stähle keinen dieser festgelegten Massengrenzwerte.

Bei rostfreien Stählen handelt es sich um legierte Stahlsorten, deren Kohlenstoffanteil nicht größer als 1,2% ist. Zudem enthalten sie mindestens 10,5% Chrom. Dieser Anteil sorgt dafür, dass der Stahl nicht durch umgebende Medien angegriffen werden kann und – unter anderem – keinen Rost entwickelt.

Der Chromanteil bildet so etwas wie eine unsichtbare Schutzhülle. Diese sogenannte Passivschicht bildet sich spontan an Luft oder in einem flüssigen Medium und kann sich der Umgebung anpassen. Nach einer mechanischen Oberflächenverletzung regeneriert sie sich im Allgemeinen von alleine – sie ist also selbstheilend.

Qualitätsstahl ist ein Sammelbegriff für Stähle, die spezifische Anforderungen erfüllen. Diese Anforderungen können zum Beispiel hinsichtlich der Bruchzähigkeit, Korngröße oder Umformbarkeit an den Stahl gestellt werden. Qualitätsstähle können legierte, sowie auch unlegierte Stähle sein.

Edelstähle haben einen höheren Eisen-Reinheitsgrad als Qualitätsstähle. Zudem werden ihnen durch die chemische Zusammensetzung und einer sorgfältigen Herstellung verbesserte Eigenschaften verliehen. Übrigens: Ein Edelstahl muss nicht zwangsläufig den Anforderungen eines nichtrostenden Stahls entsprechen. Trotzdem werden im Alltag meist nur rostfreie Stähle als Edelstähle bezeichnet. Der Legierungsanteil von niedrig- oder hochlegiertem Edelstahl ist genauestens definiert.

Stahl entwickelt durch kontrolliertes Erwärmen und Abkühlen verschiedene Gefügearten, die sich durch einen entsprechenden Härtezustand äußern. Ausschlaggebend dafür ist der Kohlenstoff. Die wichtigsten Gefügearten sind:

• Ferrit
• Perlit
• Bainit
• Martensit
• Austenit
• Zementit

Martensit ist das härteste Strukturbauteil in Stählen. Diese Härte entsteht durch die besonders feste Lösung von Kohlenstoff, die sich durch schnelle Temperaturänderungen im Herstellungsprozess entwickelt. Martensitische Stähle werden auch Messerstähle genannt. Aufgrund ihrer besonderen Härte und ihrer rostfreien Eigenschaft eignen sie sich optimal als Werkstoff für Kantenwerkzeuge, wie Schneidwaren oder für die Herstellung chirurgischer Instrumente.

Austenitische Stähle zeichnen sich durch ihre hohe Beständigkeit gegen aggressive Umweltbedingungen aus – sie sind korrosionsstabil. Aufgrund des Nickelanteils von mehr als 8 % erreichen sie eine gute Zähigkeit. Austenitische Stähle können auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen verformt werden. Sie werden oft für die Herstellung von Stanzwerkzeugen und medizinischen Hilfsmitteln verwendet.

Ferritischer Stahl gehört mit den martensitischen und austenitischen Stählen zu den rostfreien Stählen. Durch den hohen Chromanteil – durchschnittlich 12-18 % – ist ferritischer Stahl korrosionsbeständiger als martensitischer Stahl, besitzt jedoch eine geringere Härte. Ferritischer Stahl zeichnet sich durch seine magnetische Eigenschaft aus und wird, wie martensitische und austenitische Stähle auch, in der Messerindustrie oder chemischen Industrie verwendet, sobald eine magnetische Wirkung erwünscht ist.

Damaststahl ist ein Mehrlagenstahl. Er besteht aus mehreren, übereinander gelegten und miteinander verschweißten Stahlschichten. Oft wird dafür ein langes Stück Stahl immer wieder gefaltet und angeschmiedet bis schlussendlich ein kompaktes, aus vielen Lagen bestehendes Stück Stahl entsteht. Durch diese Prozedur werden Unreinheiten eliminiert. Zusätzlich wird der Stahl durch das Schweißen mit Kohlenstoff angereichert und kann so besser härten. Damaststahl zeichnet sich durch enorme Härten und einzigartige Strukturen aus.

Im Gegensatz zum Monostahl, bei dem die ganze Klinge aus demselben Werkstoff besteht, haben Mehrlagenstahl-Klingen einen geschichteten Aufbau. Der Verbund der verschiedenen Lagen wird beim Schmieden durch die sogenannte Feuerschweißung gemacht. Ein harter Kern aus hochkohlenstoffhaltigem, härtbarem Stahl sorgt für die Schärfe und Schnitthaltigkeit. Zum Schutz wird diese Mittellage umgeben von einem Mantel aus weicherem Eisen oder nicht härtbarem Stahl, der in einer oder mehreren Schichten aufgeschmiedet wird. Er verleiht der Klinge Bruchfestigkeit.

Takefu ist ein Ort in Japan und weltweit für seine Stahlschmieden bekannt. Das Unternehmen Takefu Special Steel Co. Ltd. steht für erstklassigen Mehrlagenstahl und hat sich einen Namen in der Messerindustrie gemacht. Takefu Messer bieten erstklassige Qualität. Die typischen, einzigartigen Muster, welche die Schneidwaren durch die vielzähligen Lagen an Stahl erhalten, schätzen Liebhaber hochwertiger Messerkunst sehr – überall auf der Welt.

Unter Metallpulver versteht man im allgemeinen Sprachgebrauch ein feines Pulver eines Metalls, das meist sehr gut brennt. Metallpulver werden üblicherweise durch Mahlen – also mechanisch – gewonnen. Sie können aber auch auf chemischen, physikalischem oder elektrolytischem Weg gewonnen werden. 

Stahl macht auch morgen mehr möglich: Beim industriellen 3D-Druck handelt es sich um einen additiven Fertigungsprozess, der zum Beispiel für funktionale Prototypen, komplexe Konstruktionen, Reduzierung mehrteiliger Baugruppen und Endanwendungen geeignet ist. Für die Herstellung komplexer metallischer Bauteile werden Laserschmelzanlagen eingesetzt. Diese werden auch Metall-3D-Druck genannt und schmelzen Metallpulver, um aus ihnen metallische Formen zu „drucken“.

Stähle werden hinsichtlich ihres Grades der erwünschten und beabsichtigten Beschaffenheit in Güten eingeteilt. Stahlgüten geben also Auskunft über die Qualität des Stahls.

Coils werden in der Stahlbranche als Einheiten behandelt. Der Begriff wird im Deutschen teilweise als Fachbegriff für Bandstahlrollen und Stahldrahtrollen als Rohprodukt verwendet. Bandstahlrollen sind eine häufige Form für den Transport von Breitflacherzeugnissen aus Metallen und Legierungen zwischen Herstellern und der verarbeitenden Industrie.

Nach DIN EN 10027-1 gibt es sogenannte Kurznamen, die in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden.

In der Hauptgruppe 1 sind Kurznamen, welche Aussagen über die Verwendung und die mechanischen/physikalischen Eigenschaften der Stähle enthalten.

Die Hauptgruppe 2 sagt etwas über die chemische Zusammensetzung der Stähle aus.

Ein Kurzname besteht aus einem Hauptsymbol und aus Zusatzsymbolen, die dann verwendet werden, wenn das Hauptsymbol alleine zur Identifizierung eines Stahles nicht ausreicht.

Stähle der Hauptgruppe 1 werden durch das Hauptsymbol ihrer Verwendung zugeordnet und anschließend durch Zusatzsymbole hinsichtlich ihrer mechanischen und physischen Eigenschaften.

Stähle der Hauptgruppe 2 werden im Hauptsymbol hinsichtlich ihrer enthaltenen Elemente in vier Gruppen aufgeteilt. Die Zusatzsymbole geben ergänzende Informationen, zum Beispiel hinsichtlich ihrer Eignung oder dem Behandlungszustand.

Stahl kann mittels unterschiedlicher Bearbeitungs- und Behand-lungsverfahren weiterverarbeitet werden. Grob zusammengefasst sind diese:

• Urformen
• Umformen
• Trennen
• Fügen
• Beschichten
• Wärmebehandeln

Urformen bedeutet, dass aus einem vorher formlosen Werkstoff ein fester Körper hergestellt wird. Dieser Körper ist in der Stahlbranche die Urform des Stahls.

Beim Umformen wird eine bereits vorhandene Form bewusst in eine andere umgewandelt. Dies geschieht, wenn eine äußere Kraft so groß ist, dass sich die Atome des Werkstoffs verschieben. Beispiele hierfür sind das Schmieden oder das Walzen von Stahl.

Beim Trennen wird der Zusammenhalt des Gefüges örtlich aufgehoben und der Stahl durchgetrennt. Dies geschieht hauptsächlich durch Schneiden oder Zerspanen.

Durch das Fügen wird der Zusammenhalt zwischen separaten Werkstücken lokal geschaffen oder erhöht. Die Verbindung kann dabei von fester oder beweglicher Art sein. Wird Stahl gefügt, so werden zwei oder mehrere Werkstücke zusammengebracht. Dies kann durch einfache Schraubverbindungen erreicht werden, aber auch durch Schweißen, Kleben oder mechanisches Fügen.

Oberflächenbeschichtungen verleihen dem Stahl einenKorrosionsschutz. Dies verhindert, dass der metallische Werkstoff mit seiner Umgebung reagiert und beispielsweise rostet. Die Beschichtung von Stählen macht diese also beständiger und wird gelegentlich auch für dekorative Zwecke genutzt.

Neben Eisen und Aluminium bestehen Autos zum größten Teil aus Stahl. Der Grund dafür liegt vor allem in dessen Härte und den vielen unterschiedlichen technischen Eigenschaften, welche der Werkstoff bietet. Außerdem ist Stahl Vorreiter im Preis-Leistungs-Verhältnis und gut recyclebar.

Die internationale Norm DIN EN ISO 9001 ist ein Qualitätsmanagementsystem für Unternehmen, um komplexe Anforderungen zu erfüllen. DIN EN ISO 9001:2015 ist also das überarbeitete Qualitätsmanagementsystem aus dem Jahr 2015.

Natürlich sind CO²-Emissionen bei der Herstellung von Stahl nicht zu vermeiden. Trotzdem ist Stahl alles andere als ein Klimakiller, denn der Werkstoff ist für die Produktion einiger der größten CO²-Einsparmöglichkeiten wie Windräder, Geothermie oder der Gewichtsreduktion von PKWs unverzichtbar. Ganzheitlich betrachtet ist die CO²-Bilanz von Stahl positiv.

Die Stahlindustrie stellt sich der Herausforderung, die CO²-Emission bei der Stahlproduktion auf das Minimale zu reduzieren. So werden weltweit immer mehr Prozesse entwickelt und umgesetzt, um in energetischer Hinsicht CO² einzusparen.

Betrachtet man die CO²-Emission bei der Stahlherstellung, die CO²-Einsparung und den Beitrag der Stahlindustrie zum Klimaschutz, konnten innovative Stähle bereits im Jahr 2007 sechsmal soviel CO² einsparen, wie ihre Produktion verursacht hat. Stahl in Zeiten des Klimaschutzes? JA, BITTE!