1.

Einleitung

Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7 Prozent; ihr sind häufig noch andere Elemente (Eisenbegleiter sowie Stahlveredler) beigemischt.

Stahl wird aus Stahlschrott und aus Roheisen gewonnen, einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 1,7 Prozent. Besondere Eigenschaften wie Schmiedbarkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit werden durch Beimischungen oder Wärmebehandlung erreicht. Solche Eisen- und Stahllegierungen enthalten z. B. zwischen 0,8 und 14 Prozent Mangan (Manganstahl), 10 bis 13 Prozent Silicium (säurebeständiger Stahl) oder 20 Prozent Chrom (V2A-Stahl). Das im Hochofenprozess gewonnene Roheisen und Gusseisen enthält zwischen 2 und 4 Prozent Kohlenstoff, bei hochwertigem Stahl sind es nur wenige Hundertstelprozent. Im Allgemeinen liegt der Kohlenstoffanteil bei Stahl zwischen 0,04 Prozent und 1,7 Prozent.

2.

Geschichte

Wann genau der Mensch die Technik der Verhüttung von Eisenerz entdeckte und erstmals verwendbares Metall produzierte, ist nicht bekannt. Die ältesten Eisengegenstände, die Archäologen in Ägypten entdeckten, stammen aus der Zeit um 4000 v. Chr. Eisenornamente wurden sogar schon früher verwendet. Die Technik der Eisenherstellung und -verarbeitung war den Hethitern in Kleinasien vermutlich ab etwa 2000 v. Chr. bekannt. Ab 1200 v. Chr. verbreitete sich das lange geheim gehaltene Wissen über diese Technik nach Europa und in andere Erdteile.

Die ersten Eisenlegierungen (Schmiedeeisen) wurden durch Erhitzen von Eisenerz und Holzkohle in einer Esse oder einem Ofen hergestellt. Im 14. Jahrhundert gelang die Entkohlung des Eisens, indem man verstärkt Luft in die glühende Mischung hineinblies (Frischfeuer). Bei diesem Verfahren wurde das Erz zu einer porösen Masse aus metallischem Eisen reduziert, die eine Schlacke aus metallischen Verunreinigungen und Holzkohlenasche enthielt. Die Oxidation der im Eisenerz enthaltenen Nebenprodukte mit Luftsauerstoff nennt man Frischen. Die fertige Masse wurde noch glühend aus dem Ofen genommen und mit schweren Schmiedehämmern bearbeitet, um die Schlacke zu entfernen und das Eisen zu verfestigen. Das so produzierte Eisen enthielt gewöhnlich etwa 3 Prozent Schlacke und wenige Prozent anderer Verunreinigungen.

1784 entwickelte der Eisenhersteller Henry Cort das so genannte Puddel-Verfahren, bei dem Roheisen in einem speziellen Flammofen zu Schweißstahl – im Prinzip auch Schmiedeeisen – weiterverarbeitet wurde. Dem vielseitigen Erfinder Henry Bessemer wurde 1855 das Patent für ein Verfahren zur Stahlherstellung aus siliciumreichem und phosphorarmem Roheisen zuerkannt. Ein Jahr später lösten die Gebrüder Friedrich und Wilhelm Siemens das Problem zur Erzeugung von sehr hohen Temperaturen. Pierre Émile Martin, unterstützt von seinem Vater Émile Martin, nutzte diese Regenerativfeuerung erstmals 1864 zur Stahlgewinnung aus Roheisen und Erz bzw. Roheisen und Eisenschrott. Diese Methode wurde später als Siemens-Martin- oder Herdfrischverfahren bezeichnet. 1877 führte Sidney Gilchrist Thomas in England das nach ihm benannte Thomas-Verfahren ein, das man auch als Windfrischverfahren bezeichnet. Mit dem Thomas-Verfahren ließ sich auch phosphorreiches Roheisen zu Stahl verarbeiten. Aus Eisenoxiderzen wird Stahl heute nach dem Sauerstoffblas- oder Oxygenstahlverfahren erzeugt und aus Stahlschrott nach dem Elektrostahlverfahren.

3.

Roheisenproduktion

Grundstoffe zur Herstellung von Roheisen sind Eisenoxiderz und Koks. Schwefelhaltige Eisenerze wie Pyrit werden vor der Umsetzung mit Koks im Röstverfahren in Eisenoxid umgewandelt. Je nach Art der Beimengung (Gangart) im Eisenerz werden z. B. Kalkstein (bei kieselsäurehaltigen Beimengungen) oder Feldspat (bei kalkhaltigen Beimengungen) als Zuschläge (siehe unten) zugegeben.

Die eigentliche Eisenherstellung erfolgt im Hochofen. Er besteht aus einer zylindrischen Stahlhülle mit einer feuerfesten Auskleidung, z. B. Schamott. Der untere Teil des Hochofens (Rast) hat mehrere Öffnungen, durch die Luft eingeblasen wird. In der Nähe des Bodens wird durch eine weitere Öffnung das flüssige Roheisen beim Anstechen abgelassen. Darüber liegt eine zusätzliche Öffnung zum Ablassen der Schlacke. An der Oberseite des Hochofens sind Öffnungen für die Abgase; dort wird der Hochofen auch über zwei runde Trichter mit dem Ausgangsmaterial beschickt.

Abwechselnd folgt einer Schicht Koks (Koksgicht) eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag (Erzgicht) usw. Mit Hilfe der Zuschläge werden die Beimengungen im Erz während des Prozesses in leicht schmelzbare Schlacke überführt. So verbindet sich Kalkstein als Flussmittel mit den nicht schmelzenden Silicaten im Erz und bildet schmelzbares Calciumsilicat. Calciumsilicate und andere Verunreinigungen schwimmen als Schlacke auf dem geschmolzenen Metall. Der zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff (auch Wind genannt) wird in Winderhitzern auf etwa 800 °C vorgewärmt und mit leichtem Überdruck (mehr als 1,6 bar bzw. 160 Kilopascal) eingeblasen. Beim Verbrennen setzt der Koks über Kohlendioxid Kohlenmonoxid frei:

(1) C + O2 ⇄ CO2

und

(2) CO2 + C ⇄ 2 CO.

Dadurch steigt die Temperatur im unteren Teil des Ofens auf 1 600 °C an. Das heiße Kohlenmonoxid gelangt in die nächstliegende Erzschicht und reduziert dort das enthaltene Eisenoxid zu metallischem Eisen. Diese chemische Reaktion kann vereinfacht durch die Gleichung

Fe2O3 + 3 CO = 3 CO2 + 2 Fe

beschrieben werden. In der anschließenden Koksschicht wandelt sich das Kohlendioxid in Kohlenmonoxid um:

CO2 + C ⇄ 2 CO.

Dieses kann dann wieder als Reduktionsmittel wirken usw. In den weniger heißen höheren Schichten zerfällt das Kohlenmonoxid gemäß der oben beschriebenen Gleichung (2) zu Kohlendioxid und sehr feinem Kohlenstoff – diese Gleichgewichtsreaktion nennt man auch Boudouard-Gleichgewicht. Der feine Kohlenstoffstaub reduziert ebenfalls Eisenoxid zu Eisen. Zusätzlich löst sich der Kohlenstoff im flüssigen Eisen auf, wodurch der Schmelzpunkt (siehe Gefrierpunkt) des reduzierten Eisens auf 1 100 bis 1 200 °C sinkt (reines Eisen schmilzt bei 1 539 °C). Das „kühlere” Metall läuft tropfenförmig durch den glühenden Koks und sammelt sich am unteren Ende des Ofens unterhalb der flüssigen Schlacke. Das Kohlenmonoxid-Kohlendioxid-Gemisch wärmt im oberen Ofenbereich (Gicht) die frischen Ausgangsmaterialien vor und entweicht als Gichtgas. Dieses Gas wird gereinigt und für andere industrielle Zwecke genutzt.

Hochöfen arbeiten im Dauerbetrieb. Das Rohmaterial, mit dem der Ofen beschickt wird, gibt man in Abständen von 10 bis 15 Minuten in kleinen Mengen in den Ofen. Schlacke wird etwa alle zwei Stunden entnommen. Zur Eisenentnahme wird der Hochofen etwa fünfmal am Tag angestochen.

Beim Anstechen wird ein Tonpfropfen aus dem Stichloch knapp über dem Boden des Hochofens herausgeschlagen. Das geschmolzene Metall fließt über eine Tonrinne in einen mit Schamott ausgekleideten Behälter, der bis zu 100 Tonnen Metall fasst. Die zusammen mit dem Eisen abfließende Schlacke wird abgeschöpft, bevor sie den Behälter erreicht. Das Roheisen wird entweder in flüssiger Form oder als gegossene Roheisenblöcke zum Stahlwerk transportiert. Gewöhnliches Roheisen besteht aus etwa 92 Prozent Eisen, 3 bis 4 Prozent Kohlenstoff sowie aus wechselnden Mengen Silicium (0,5 bis 3,0 Prozent), Mangan (0,5 bis 6,0 Prozent), Phosphor (0,1 bis 2,0 Prozent) und Spuren von Schwefel (0,01 bis 0,05 Prozent).

Bei langsamer Abkühlung scheidet sich der gelöste Kohlenstoff als Graphit aus dem Rohmaterial ab. Auf diese Weise erhält man graues Roheisen; es hat eine graue Bruchfläche. Für die Kohlenstoffabscheidung ist ein Siliciumgehalt von mehr als 2 Prozent und ein Mangananteil von weniger als 0,2 Prozent notwendig. Bei rascher Abkühlung bildet der Hauptteil des gelösten Kohlenstoffes Eisencarbid. Es entsteht weißes Roheisen mit weißer Bruchfläche, sofern der Mangangehalt höher als 4,0 Prozent ist und der Siliciumgehalt unter 0,5 Prozent liegt; der höhere Mangangehalt wirkt der Bildung von Graphit entgegen. Das graue siliciumhaltige Roheisen wird vorzugsweise zu Gusseisen weiterverarbeitet; das manganhaltige weiße Roheisen dient der Stahlerzeugung.

4.

Stahlerzeugung

Bei der Gewinnung von Stahl aus Roheisen werden in erster Linie die im Roheisen enthaltenen unerwünschten Begleitstoffe beseitigt, vor allem Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel. Roheisen ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts spröde und erweicht beim Erhitzen nicht allmählich, sondern schlagartig. Deshalb steht die Entkohlung des Roheisens bis zum Kohlenstoffgehalt des Stahles (Frischen) im Vordergrund. Die heute gängige Methode ist das Sauerstoffblas- oder Oxygenverfahren. Stahl aus Stahlschrott, also recycelter Stahl, wird nach dem Elektrostahlverfahren gewonnen. 2005 lag der Anteil des recycelten Stahles an der Gesamtmenge erzeugten Stahles weltweit bei über 30 Prozent.

1.

Sauerstoffblas- oder Oxygenstahlverfahren

Etwa 70 Prozent des in Deutschland produzierten Stahles werden nach dem Sauerstoffblas- oder Oxygenstahlverfahren hergestellt. Hier wird durch ein Düsenrohr (Sauerstofflanze) Sauerstoff mit Überdruck auf die flüssige Metallmischung im Konverter geblasen. Mit dem Linz-Donawitz-Verfahren (LD-Verfahren) genannten Verfahren wird vor allem phosphorarmes Roheisen verarbeitet. Das Aufblasen dauert meist etwa 20 Minuten, wobei sich die Mischung von rund 1 150 auf 1 650 °C erwärmt. Zu Kühlzwecken wird Schrott beigemischt. Hinzu kommen noch, abhängig von den Beimengungen im Roheisen, Schlacke bildende Zuschläge. Phosphorreicheres Roheisen verarbeitet man nach dem Linz-Donawitz-Arbed-Centre-National-Verfahren (LDAC-Verfahren). Hier wird zur effektiveren Beseitigung der Phosphorbeimengungen in einem zweiten Aufblasprozess nach dem Schlackenabguss mit dem Sauerstoff Staubkalk aufgeblasen.

2.

Elektrostahlverfahren

In Deutschland werden etwa 30 Prozent des erzeugten Stahles nach dem Elektrostahlverfahren hergestellt. Bei dieser Produktionsvariante wird der Stahl aus Stahlschrott in elektrischen Lichtbogen- oder Induktionsöfen erschmolzen (Elektroofen). Im Lichtbogenofen bildet sich zwischen zwei Elektroden, der Metallschmelze und dem Kohlestab darüber, ein Lichtbogen, der gleichzeitig die Wärmequelle ist. Im Induktionsofen wird die Wärme in einer Spule erzeugt. Das Elektrostahlverfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung von Edelstahl und anderem hochlegierten Stahl.

5.

Fertigstellung

Stahl wird in vielen Größen und Formen gehandelt, etwa als Stangen, Rohre, Stahlplatten, Stahlbleche und Doppel-T-Träger. Diese Formen werden u. a. in Walzwerken hergestellt, indem man beispielsweise heiße Barren walzt oder anderweitig in die gewünschte Form bringt. Bei der Bearbeitung des Stahles verbessert sich auch dessen Qualität, weil die kristalline Struktur feiner und das Metall fester wird.

Das Grundverfahren zur Stahlbearbeitung ist das Heißwalzen. Dabei wird der Gussbarren zuerst in einem Ofen bis zur Rotglut gebracht und dann zwischen Metallwalzen hindurchgeführt, die ihn in die gewünschte Größe und Form bringen. Im Gegensatz zum Heißwalzen wird beim Kaltwalzen das Werkstück nicht vorher erwärmt. Kaltwalzen wird insbesondere bei der so genannten Kaltformung, etwa beim Auswalzen dünner Stahlbleche, angewandt.

6.

Weißblech

Das mit Abstand wichtigste beschichtete Produkt ist Weißblech für Konservendosen. Weißblech besteht zu über 99 Prozent aus Stahl, der in einem galvanischen Verfahren eine Zinnbeschichtung erhält. Dabei benutzt man eine Elektrode aus reinem Zinn als Anode und eine Mischung (u. a. mit Hydroxostannat, einer Zinnverbindung) als Elektrolyt. Das Stahlblech wird langsam von der Rolle abgewickelt und durch die chemische Lösung geführt. Gleichzeitig wird eine elektrische Spannung angelegt, wodurch sich die Zinnanode langsam auflöst und sich als elementares Zinn auf dem Stahl ablagert. Beim elektrolytischen Verfahren reicht ein Kilogramm Zinn zur Beschichtung von etwa 50 Quadratmeter Stahlblech. Zur Herstellung von Dünnblech wird das Blech ein zweites Mal kaltgewalzt, bevor es mit Zinn beschichtet wird. Dadurch wird es besonders dünn und fest. Dosen aus Dünnblech sind genauso stabil wie gewöhnliche Blechdosen, enthalten aber weniger Stahl, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden. Leichte Verpackungen werden auch aus verzinnter Stahlfolie hergestellt. Andere Verfahren der Stahlverarbeitung sind z. B. das Schmieden und Gießen.

7.

Klassifizierung von Stahl

Stahl wird je nach Zusammensetzung, Herstellungsverfahren, Verwendungszweck oder nach Gefügeaufbau in zahlreiche Sorten unterteilt. Für die Unterscheidung gibt es sowohl internationale als auch nationale Standards, z. B. in Deutschland die DIN-Normen. Allein die Bezeichnung Edelstahl kann sich auf unlegierte oder auf legierte Stähle, ferner auf nicht rostende, harte oder auch auf hitzebeständige Stähle beziehen. Im Folgenden werden ausgewählte Stahlsorten beschrieben.

1.

Unlegierter Stahl

Als unlegiert wird ein Stahl bezeichnet, wenn der Gehalt an Eisenbegleitern bestimmte Werte nicht überschreitet: entweder 0,8 Prozent Mangan, 0,5 Prozent Silicium und 0,1 Prozent Aluminium oder 0,25 Prozent Titan, 0,06 Prozent Kupfer und 0,09 Prozent Phosphor. Zu den unlegierten Stählen gehören einige Massenstähle.

2.

Legierter Stahl

Legierten Stahl gibt es in mehreren Sorten. Hier unterscheidet man z. B. niedriglegierte Sorten mit weniger als 5 Prozent Eisenbegleitern von hochlegierten Sorten mit einem höheren Prozentsatz an Eisenbegleitern. Als Legierungskomponenten kommen u. a. Mangan, Silicium, Chrom, Nickel, Cobalt, Molybdän, Wolfram, Titan, Vanadium, Kupfer, Bor, Niob, Aluminium und Seltenerdmetalle zum Einsatz. Aus legiertem Stahl wird eine Vielzahl von Produkten, z. B. Getriebe und Achsen von Fahrzeugen, hergestellt. Manche Stahllegierungen, die Cobalt und Wolfram enthalten, nutzt man zur Erzeugung von Permanentmagneten.

3.

Nicht rostender äStahl

Nicht rostender Stahl enthält Chrom, Nickel und andere Legierungselemente. Sie verhindern, dass Stahl bei Feuchtigkeit oder unter der Einwirkung von korrodierenden Säuren und Gasen rostet. Chrom macht den Stahl besonders hart, Nickel erhöht die Zähigkeit des Stahles; eine Legierung mit 25 Prozent Nickel kann auf die doppelte Länge ausgezogen werden, ohne zu zerreißen. V2A-Stahl (früher auch Nirosta) enthält 71 Prozent Eisen, 20 Prozent Chrom, 8 Prozent Nickel sowie je 0,2 Prozent Kohlenstoff, Silicium und Mangan. Nicht rostender Stahl wird beispielsweise für Leitungen und Tanks von Erdölraffinerien und in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet. Operationsbestecke und medizinische Geräte werden ebenfalls daraus hergestellt.

4.

Werkzeugstahl

Werkzeugstahl enthält Wolfram, Molybdän und andere Legierungselemente, die ihm zusätzliche Festigkeit, Härte und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb verleihen. Aus diesem Stahl stellt man viele Arten von Werkzeugen sowie die schneidenden und formenden Teile von motorgetriebenen Maschinen her.

8.

Aufbau von Stahl

Die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Stahlarten und Stahllegierungen sind vor allem von der Menge an Kohlenstoff und seiner Verteilung im Eisen abhängig. Vor der Wärmebehandlung besteht Stahl meist aus drei Substanzen: Ferrit, Cementit und Perlit (nicht zu verwechseln mit dem gleichnamigen vulkanischen Glas Perlit). Ferrit (auch a-Eisen) enthält geringe Mengen Kohlenstoff und andere Elemente; er ist weich und formbar. Cementit, die Verbindung Eisencarbid (Fe₃C), ist sehr spröde und hart; er enthält etwa 7 Prozent Kohlenstoff. Perlit ist eine Mischung aus Ferrit und Cementit.

Zähigkeit und Härte eines nicht wärmebehandelten Stahles hängen vom Anteil dieser drei Bestandteile ab. Wird der Kohlenstoffgehalt größer, verringert sich die enthaltene Menge an Ferrit, und die Menge an Perlit nimmt zu, bis der Stahl vollständig aus Perlit besteht. Das ist der Fall, wenn er 0,8 Prozent Kohlenstoff enthält. Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt ist eine Mischung aus Perlit und Cementit. Wird sie wärmebehandelt, wandelt sich Ferrit und Perlit in die allotrope Form einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung um, die man als Austenit bezeichnet. Austenit (auch g-Eisen) löst den gesamten freien Kohlenstoff im Metall. Kühlt der Stahl langsam ab, wird der Austenit wieder in Ferrit und Perlit umgewandelt. Kühlt der Stahl dagegen rasch ab, „erstarrt” ein Teil des Austenits, während sich der andere Teil in Martensit umwandelt. Bei Martensit handelt es sich um eine instabile Form des Systems Ferrit-Cementit. Der Name Martensit wird auch für andere, ähnlich aufgebaute Metalllegierungen verwendet.

9.

Wärmebehandlung von Stahl

Das grundlegende Verfahren zur Härtung von Stahl besteht aus der Erwärmung des Metalls auf eine Temperatur, bei der Austenit gebildet wird (etwa 760 bis 870 °C), und der anschließenden raschen Abkühlung (Abschrecken). Solche Härtungsvorgänge rufen große innere Spannungen im Metall hervor, die sich durch Anlassen, Tempern oder Glühen beseitigen lassen. Durch die Wärmebehandlung werden Menge, Größe, Form und Verteilung der Cementitteilchen im Ferrit gesteuert, was wiederum die physikalischen Eigenschaften des Stahles bestimmt.

Es gibt viele Variationen dieses Verfahrens. Metallurgen haben entdeckt, dass die Umwandlung von Austenit in Martensit am Ende der Abkühlphase stattfindet und diese Umwandlung von einer Volumenveränderung begleitet wird, die bei zu schnellem Abkühlen zu Rissen im Metall führen kann. Zur Vermeidung von Rissen sind u. a. drei Verfahren entwickelt worden. Beim langsamen Abkühlen wird der Stahl aus dem Kühlbad genommen, sobald er die Temperatur erreicht hat, bei der sich das Martensit zu bilden beginnt. Dann lässt man ihn an der Luft weiter abkühlen. Beim Martempern wird der Stahl zum gleichen Zeitpunkt aus dem Kühlbad genommen, dann in ein anderes Bad mit gleicher Temperatur gegeben. Anschließend kühlt er an der Luft im Temperaturbereich der Martensitbildung weiter ab, bei den meisten Stählen von etwa 288 °C bis zur Zimmertemperatur. Beim Austempern wird der Stahl in ein Bad aus Metall oder Salz mit konstanter Temperatur gegeben, bei der die gewünschte Strukturveränderung stattfindet. Der Stahl verbleibt in diesem Bad, bis die Umwandlung abgeschlossen ist.

Daneben gibt es noch weitere Verfahren zum Härten von Stahl durch Wärmebehandlung. Beim Einsatzhärten erhält ein fertiges Stahlwerkstück durch Erhitzen mit Kohlenstoff- oder Stickstoffverbindungen (Aufkohlung, Nitridieren) eine extrem harte Oberfläche. Diese Verbindungen reagieren mit dem Stahl und erhöhen entweder den Kohlenstoffgehalt oder bilden Nitride in der Oberflächenschicht. Bei der Aufkohlung wird der Rohstahl in Koks oder in Methan bzw. Kohlenmonoxid erhitzt. Beim Gasnitridieren wird Stahl mit Nitridbildnern wie Chrom oder Titan durch Erhitzen in Ammoniakgas gehärtet. Das Nitridierverfahren wird vor allem im Fahrzeug- und Maschinenbau sowie in der Werkzeugherstellung angewandt.