Stahl

Als Stahl bezeichnet alle metallischen Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist und deren Masse einen Kohlenstffanteil von weniger als 2,06% besitzt.

Definition

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält (Ausnahme: Kaltarbeitsstähle). Dieser Definition folgt auch die 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 Eisenkarbid (Zementit).

Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit vor.

Eigenschaften

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung (gleichzeitige thermische Behandlung mit plastischer Umformung) können seine Eigenschaften für einen breiten Anwendungsbereich angepasst 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 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.

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

Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt rund 7850 kg/m³, der E-Modul ca. 210 kN/mm².

Der Schmelzpunkt von Stahl kann je nach den Legierungsanteilen bis zu 1530 °C betragen.

Veränderung von Stahleigenschaften

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

Legieren dazu auch EKD
Wärmebehandeln (Glühen, Härten, Vergüten, Tempcore-Verfahren...)
Kalt- und/oder Warmverformen (Walzen, Ziehen...)

Einteilung

	EN 10020

Bereich

Werkstoffe

Titel

Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle

Kurzbeschreibung:

Stahl, Definitionen

Letzte Ausgabe

2000–03-22

Klassifikation

01.040.77,
77.080.20

Nationale Normen

DIN EN 10020:2000-07,
ÖNORM EN 10020:2000-06-01,
SN EN 10020:2000-07-15

In der EN 10020:2000–07 Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle wird unter Punkt 2.1 folgendes ausgeführt:

„[Stahl ist ein] Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 % ist und der andere Elemente enthält. Eine begrenzte Anzahl von Chromstählen kann mehr als 2 % Kohlenstoff enthalten, aber 2 % ist die übliche Grenze zwischen Stahl und Gusseisen.“

Der Grenzgehalt an Kohlenstoff von 2 % leitet sich direkt aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ab. Bis zu einem Gehalt von 2,06 % kann der Werkstoff bei hohen Temperaturen in der Phase von Austenit vorliegen, der sich gut umformen lässt.

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

Im Register europäischer Stähle waren 2017 über 2400 Stahlsorten aufgelistet.

In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

Unlegierte Stähle: Unlegierte Stähle werden in Stahlwerkstoffe, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind, und in Stähle für eine späteren Wärmebehandlung vorgesehen sind.
Niedriglegierte Stähle: Als niedriglegierter Stahl gilt, wenn die Summe der Legierungselemente grßer gleich 1% ist, aber die 5%-Grenze nicht übersteigt. 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: Als hochlegierter Stahl gilt, 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.
Edelstahl: Edelstahl (nach Europäische Norm[EN] 10020) ist eine Bezeichnung für legierte oder unlegierte Stähle mit besonderem Reinheitsgrad, zum Beispiel Stähle, deren Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet.
Die alleinige Begriffsdefinition, ein Edelstahl sei ein „chemisch besonders reiner“, „rostfreier“ oder „nichtrostender“ Stahl, ist ungenau bzw. falsch. Ein Edelstahl muss nicht zwangsläufig den Anforderungen eines nichtrostenden Stahls entsprechen. Trotzdem werden im Alltag häufig nur rostfreie Stähle als Edelstähle bezeichnet. Ebenso muss ein rostfreier Stahl nicht unbedingt auch ein Edelstahl sein. Der Legierungsbestandteil-Anteil der verschiedenen Sorten Edelstahl (niedrig- oder hochlegiert) ist jedoch genauestens definiert.

Beispiel

Zusammensetzung hochlegieter Stahl:
Vergütungsstahl nach DIN EN 10083
Stahl	C	Si	Mn	Cr	Mo	S	Sonst.
42CrMo4	0,42	0,25	0,75	1,10	0,22	< 0,035	(Pb)
42CrMoS4	0,42	0,25	0,75	1,10	0,22	0,020 0,035	(Pb)

Verwendung: CrMo-legierter Vergütungsstahl mit einer Festigkeit von 900-1200 N/mm². Für Teile im Automobil- und Flugzeugbau, die hohe Zähigkeit erfordern wie z.B. Achsschenkel, Pleuelstangen, Zahnräder, Ritzel, Bandagen.

Alternative Materialien

Stahl steht insbesondere in der Automobil- und Flugzeugindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerem spezifischem Gewicht, 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. (Stahlherstellung)

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.

Geschichte

Einfache schmiedbare Eisenwerkstoffe wurden bereits bei den Hethitern vor ca. 3500 Jahren hergestellt, z. B. für Waffen. Die frühe Verhüttung von Eisenerz ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt, wo auch um die Mitte des 1. Jahrtausends v. Chr. wohl erstmals ein einfacher härtbarer Stahl hergestellt wurde. Eisen verdrängte allmählich die zuvor genutzten Kupferwerkstoffe (Bronze), da es als Stahl härtbar und gleichzeitig zäher ist. Genutzt wurde Eisen vor allem für Waffen und Rüstungen sowie für Werkzeuge, weniger in der Landwirtschaft. Eisenerze waren nahezu überall zu finden, während die zur Bronze-Herstellung benötigten Metalle Kupfer und Zinn selten waren und nicht an denselben Orten vorkamen. Zur Eisengewinnung wurde Holzkohle benötigt, die aus Holz gewonnen werden konnte.