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Stahl


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Dieser Artikel behandelt den Werkstoff Stahl. Für Bedeutungen siehe Stahl (Begriffsklärung) .
Stahl ist eine metallische Legierung deren Hauptbestandteil Eisen ist.

Inhaltsverzeichnis

Definition

Nach der klassischen Definition ist Stahl Eisen - Kohlenstoff - Legierung die weniger als 2 06% (Masse) enthält. Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht von Gusseisen hier liegt der Kohlenstoff in Form Graphit oder Zementit vor. Gegenwärtig gibt es aber einige von Stählen in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil ist. Ein Beispiel dafür sind IF-Stähle in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell ist. Gegenwärtig werden unter Stählen eisenbasierte Legierungen die plastisch umgeformt werden können.

Eigenschaften

Kohlenstoffstähle sind die am meisten verwendeten Legierungen. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften Phasenumwandlungen. Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem fester aber auch spröder.

Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche allotrope Phasen Austenit Ferrit Perlit Ledeburit und Zementit . Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden.

Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit in Kohlenstoff gelöst ist können die weiteren Phasen Sorbit Troostit Bainit und Martensit entstehen. Siehe auch Härten .

Durch Legieren mit anderen Elementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer die Kombination von thermischer Behandlung mit plastischer können die Eigenschaften der Stähle für einen Anwendungsbereich angepasst werden. Man unterscheidet zwischen hoch- niedriglegierten Stählen. Letztere kennzeichnet ein Anteil (bezogen die Masse der Legierungselemente außer Eisen) unter

Arten von Stählen

Ohne den Anspruch auf Vollständigkeit werden Folgenden verschiedene Arten von Stählen angegeben.

  • Kohlenstoffstahl : Ist das Material was man im unter Stahl versteht. Gewöhnlich werden Kohlenstoffstähle zusätzlich Mangan legiert um die Festigkeit weiter zu
  • Nichtrostender Stahl (Nirosta) : Diese gibt es als ferritische und austenitische Stähle. Ersterer wird durch Legieren von 10% Chrom erhalten. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist Nickel legiert. Diese Stähle sind bei Raumtemperatur Umgangssprachlich werden dies Stähle auch rostfreie Stähle
  • Tiefziehstahl : Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst die Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle im allgemeinen sehr weich und dürfen keine Streckgrenze aufweisen.
  • Schnellarbeitsstahl
  • Damaszener Stahl : Dieser ist ein Werkstoff für Säbel und ist für seine Flexibilität und bekannt. Damaszener Stahl ist kein Stahl im Sinn sondern ein Verbundwerkstoff aus verschiedenen Stählen die durch Feuerschweißen verbunden werden.

Einteilungen von Stählen

Die Einteilung von Stählen verläuft nach Anwendungen und Eigenschaften. Diese kann man grob 4 Gruppen aufteilen.

Gruppe 1: unlegierte Baustähle

  • S - allgemeiner Baustahl (z.B.: S295) 295 ReH von 295 N/mm²
  • E - Maschinenbaustahl
  • P - Druckbehälterbaustahl

Gruppe 2: Einsatzstähle und Vergütungsstähle

  • C 10 C15 ...... C60...... C n
  • C bedeutet der Anteil des Kohlenstoffes in in %
  • Bei einem Kohlenstoffgehalt < 0 25 % der Stahl einsatzhärtbar darüber vergütbar.
(Achtung: bei Stahl gibt es einen von max. 2 % !)

Gruppe 3: niedriglegierte Stähle

Bei niedriglegierten Stählen liegt der Anteil Legierungselementen unter 5 %.

Zum Beispiel steht das Kürzel 15CrNi6

  • 15/100 in % C aber: bei der des Legierungsanteil wird der C-Anteil nicht mitgerechnet!
  • Cr und Ni charakterisieren die Legierungselemente
  • 6 = 6/Konstante % Cr - in Fall 1 5 %
  • Ni hat einen Anteil von unter 1

Zur Vorgangsweise: Das Legierungselement mit dem Anteil an der Legierung steht an erster Stelle im Falle Beispiels Cr - diesem wird die 1. zugeordnet dem 2. Element die 2. Zahl Kann man keine Zahl zuordnen so ist Anteil automatisch unter 1%.

Die Konstanten sind in einer Tabelle - sie entsteht durch die Zuweisung einer zu einem bestimmten Legierungselement. (z. B.: bei würde die Konstante 4 sein)

Gruppe 4: hochlegierte Stähle

Der Anteil von mindestem einem Legierungselement größer als 5 %

Erklärung anhand des Beispiels X5CrNiMoV18-8-2

  • X - Kennzahl für alle hochlegierten Stähle
  • 5/100 in % C
  • Cr Ni Mo V charakterisieren die Legierungselemente
  • 18 % Cr 8 % Ni 2 Mo unter 1 % V

Die Vorgangsweise ist gleich wie in 3 - der Unterschied besteht darin dass Anteil in Prozent nicht erst über eine umgerechnet werden muss sondern direkt abgelesen werden

GJL

  • GJ steht für Gusseisen
  • L - lamellar - der Kohlenstoff (C) liegt in lamellarer Form vor.

Diese Art des Gusseisen kommt am häufigsten zur Verwendung.

  • Vorteile:
  • Schwingungen werden durch die laminare Anordnung des gedämpft
  • Gute Schmierung durch den Kohlenstoff

  • Nachteile:
  • die mechanischen Eigenschaften sind nicht so gut wie bei normalem Stahl

GJS

  • S - sphärisches Gusseisen (C besitzt eine Kugelform)

Bessere mechanische Eigenschaften als GJL

GJM

  • M - Tempergusseisen

Eine Zahl hinter diesen Bezeichnungen würde Zugfestigkeit Rm angeben (z. B.: GJS100 Zugfestigkeit von 100 N/mm²)

Stahlherstellung

Hochofenroute

Stahl kann entweder aus Eisenerz oder aus Schrott hergestellt werden.

Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig mit einem Hochofen . Das Eisenerz wird zunächst gesintert um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der wird mit Kalk und Koks zum Möller vermischt und anschließend in den Hochofen Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor in dem im Gegenstrom die Möllersäule heißer Luft dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus 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 muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch von Sauerstoff dem so genannten Frischen wird der Kohlenstoff reduziert und es flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken unterscheidet zwischen beruhigt und unberuhigt vergossenen Stählen Beruhigen versteht man das Binden des in Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium Silizium). Dies hat Einfluss auf im erkaltenden entstehende Seigerungen (Materialentmischungen z.B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden.

Direktreduktion

Die Nachteile des Hochofens sind dass Ansprüche an die Einsatzmaterialien gestellt werden und Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und Koks müssen stückig und hart sein so genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. CO 2 Ausstoß stellt eine hohe Umweltbelastung dar. gibt es Bestrebungen die Hochofenroute abzulösen. Bisher sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen können. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- Pelletsherstellung in Drehrohröfen sowie die Corex Midrex Finex Verfahren.

Das Corex Verfahren ist gegenwärtig am verbreitet. Dieses Verfahren verwendet zwei Gefäße eins Reduzieren des Erzes und das zweite zum der Kohle und Aufschmelzen des Eisens. Da hohe Möllersäule getragen werden muss kann minderwertige verwendet werden. In den Konverter wird eine Menge Sauerstoff eingeblasen (ca. 1 t O 2 t Eisen) und es wird eine Menge CO haltiges Corex Gas frei das werden muss. Die Rentabilität des Verfahrens hängt den Kosten für den Sauerstoff und den durch die Verwertung des Corex Gases ab. Restriktionen bedingen gewöhnlich hohe Investitionen in der die die Integration des Verfahrens in gewachsene behindern.

Stahlherstellungsverfahren

Man kann zwischen so genannten Blasverfahren Herdfrischverfahren unterscheiden.

In den Blasverfahren wird das Roheisen Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess der den Kohlenstoffanteil senkt (das "Frischen") in diesen Verfahren genug Wärme um den flüssig zu halten eine externe Wärmezufuhr ist den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Blasverfahren kann zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren das Thomasverfahren die und frühen Hochöfen. Das bekannteste Aufblasverfahren ist LD-Verfahren.

Bei den Herdfrischverfahren wird der zur notwendige Sauerstoff dem zugesetzten Schrott und Erz Außerdem muss Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. bekanntesten Herdfrischverfahren sind das Siemens-Martin-Verfahren und der

Historische Verfahren

Meteoreisen
Ursprünglich wurde das Eisen von Meteoren
Rennfeuer
Ca. 1500 Jahre vor unserer Zeitrechnung die ersten Rennfeuer entstanden. Diese sind Lehmöfen in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 die das taube Gestein aufschmelzen und als ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: von Rinnen. Das Eisen wird durch die reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte die durch Schmieden weiterverarbeitet werden kann.
Stück- oder Wolfsofen
Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden Öfen nicht mehr in die Erde sondern gebaut (Vorläufer der Hochöfen) und zusätzlich durch Blasebälge mit Luft versorgt. Auch wurde der mit wassergetriebenen Hammerwerken bearbeitet.
Gussstahl
Das Roheisen wird im seit 1742 angewendeten Gussstahlverfahren zusammen mit Schrott geschmolzen. Sauerstoffanteil im Schrott frischt das Roheisen und somit die Qualität des Stahls.
Puddel-Verfahren
Im 1784 von Henry Cord in England erfundenen wird die schon zäh werdende Roheisenmasse mit gewendet so dass möglichst viel der Oberfläche der Umgebungsluft in Berührung kommen kann. Durch Sauerstoffkontakt wird das Roheisen gefrischt und so Stahl verarbeitet.
Thomas- und Bessemerverfahren DSN-Verfahren
Diese sind Konverterverfahren bei denen durch des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt Die Thomas- und Bessemerverfahren verwenden Luft im (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt. auch "saures Windfrischverfahren" genannte Bessemerverfahren wurde 1855 von Henry Bessemer entwickelt. Das Thomasverfahren "basisches Windfrischverfahren" genannt und bekannt durch die die Thomasbirne) wurde 1878 von Percy Gilchrist und Sidney Thomas Sie unterscheiden sich durch die Ausmauerung des welche entweder sauer oder basisch wirkt und verschiedene Eigenschaften aufweist (im Thomasverfahren eine Dolomit - Teer -Mischung).
OBM-Verfahren
Im OBM-Verfahren (Oxygen-Boden-Maxhütte oder Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-Verfahren) werden und Butan oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen. der Stillegung der Neuen Maxhütte in Sulzbach-Rosenberg im Jahr 2003 ist der einzige OBM Konverter stillgelegt

Aktuelle Verfahren

Linz-Donawitz-Verfahren
Im so genannten LD-Verfahren (benannt nach Standorten der österreichischen Unternehmen VOEST und Alpine jetzt fusioniert zur VOEST-ALPINE STAHL AG die Verfahren entwickelten) wird durch eine Lanze Sauerstoff das Schmelzbad im Konverter geblasen so werden Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen werden da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht kann. Durch Zugabe von Schrott und Erz der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt Der fertige Stahl wird durch Kippen des in Pfannen abgestochen. - In LD-Varianten kann gleichzeitig Sauerstoff oder auch anschließend Argon durch eingeleitet werden (LBE Lance Bubbling Equilibrium) oder wird zusammen mit dem Sauerstoff Kalkpulver eingeblasen
Siemens-Martin-Verfahren
Dieses war von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung mit durch Emile Martin und Pierre Martin in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts die bevorzugte Stahlherstellungsmethode. Der SM-Ofen besteht dem Oberofen mit dem vom Gewölbe überspannten und dem Unterofen. Im Oberofen wird Roheisen der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen mit Öl- oder Gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von In westlichen Ländern wurde dieses Verfahren durch verdrängt. 1993 wurde in Brandenburg an der Havel letzte deutsche SM-Konverter stillgelegt. Er ist heute technisches Denkmal erhalten.
Elektrostahlverfahren
Durch Schmelzen im Lichtbogenofen kann aus und Pellets Stahl hergestellt werden. Durch den wird der Ofeninhalt aufgeschmolzen. Den Sauerstoff bezieht Verfahren aus der Umgebungsluft. Zusätzlich kann mit Lanze Sauerstoff auf die Schmelze geblasen werden. Verfahren wird vorwiegend in Ministahlwerken eingesetzt die Flüssigstrecke zum Herstellen von flüssigen Roheisen benötigen. Verfahren wurde 1904 von Paul-Louis Heroult entwickelt.)

Wirtschaftliche und historische Bedeutung

Der Werkstoff Stahl und die Steigerung Produktion ging über etwa 130 Jahre direkt mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung bis in die In manchen Wirtschaftsbereichen (z.B. Schiffbau ) stellte die Stahlproduktion die einzige Wachstumsgrenze Die technisch-industrielle Revolution der zweiten Hälfte des Jahrhunderts und die enorme Steigerung der Stahlproduktion sich gegenseitig. Der pariser Eiffelturm symbolisiert als gewaltige Stahlkonstruktion diesen Zeitabschnitt. Stahlproduktion einer Volkswirtschaft wurde lange Zeit sogar als Maß ihre Leistungsfähigkeit angesehen.

Die Gründe für die große Bedeutung Stahles:

  • große Festigkeit
  • Verfügbarkeit in großen Mengen
  • Vielseitiger Einsatz durch die Möglichkeit dem bestimmte Eigenschaften zu geben ( Wärmebehandlung Legierung mechanische Bearbeitung)

Ökologie

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

Demgegenüber ist der Hochofenprozess ökologisch bedenklich er ein bedeutender Emittent von Kohlendioxid ist. Deshalb wird intensiv an neuen der Roheisenerzeugung geforscht.

Konkurrenzmaterialien

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerem spezifischen Gewicht wie Aluminium Magnesium Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen . Da diese Werkstoffe aber z.T. weniger als Stahl sind kann oft durch gezieltes von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (z.B. Blech mit Aussparungen aber dafür Sicken) der ausgeglichen werden.

Weblinks




Bücher zum Thema Stahl

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