stal

Stálræmur vafinn í spólur

Ýmsar sniðstangir

Stál er efni sem samanstendur að mestu af járni með lágt kolefnisinnihald. Stál getur verið heitt eða kalt myndað , þannig að það er hægt að rúlla , beygja , teikna og smíða .

Stál er oft skilgreint sem járn- kolefni málmblöndu , sem fengu mest kolefnis massa brot sem nemur 2% ^[1] . Járn-kolefni málmblöndur með hærra kolefnisinnihald eru kölluð steypujárn og ekki er hægt að aflaga þau plastlega, þannig að ekki er hægt að falsa þau eða velta þeim. Auk kolefnis inniheldur stál alltaf leifar óæskilegs fosfórs , brennisteins og nokkurra óhreininda. Nútíma stáltegundir innihalda einnig aðra þætti sem hafa verið bætt sérstaklega í málmblönduna til að bæta eiginleika stálsins. Hlutföll meðfylgjandi og síðan bætt við málmblendi svo og kristalbyggingin eftir aflögun og hitameðhöndlunarástand eru afgerandi fyrir eiginleika stálsins.

Stál er eitt fjölhæfasta byggingarefni og hægt er að endurvinna það nánast endalaust. Framleiðsla þess (árið 2016: 1629 milljónir tonna) er meira en tífalt meiri en öll önnur málmefni . Stál er fáanlegt í miklu magni og með litlum tilkostnaði. Hægt er að breyta eiginleikum þess á breitt svið með málmblöndu og hitameðferð .

Stál er hægt að vinna með steypu og umfram allt með því að rúlla, smíða, mala og suða og hefur mikla styrkleika (einfalt stál 180 til 350 N / mm², hástyrkt stál allt að vel yfir 1200 N / mm² ^[2] ), gott hörku , stífleika ( teygjanleika ) og lengingu við brot .

Kol og stál ( námuvinnsla ) hafa lengi verið meginstoðir stóriðju og grunnurinn að pólitísku valdi ríkis. Nútíma stálframleiðsla er þróuð áfram út frá CO ₂ losun .

Uppruni orðs

Orðið „stál“ þróaðist úr miðháþýska þýska stahel, stāl, fornháþýska orðinu stahal , miðlágþýska þýska stāl, miðhollenska stael og fornnorræna stál; við hliðina á henni j-myndunin í Old Saxon stehli 'ax' og gamla enska stíl. ^[3]

Skilgreiningar

EN 10020 - Skilgreiningar á flokkun stáls

EN 10020
svæði	Efni
titill	Skilgreiningar á flokkun á stáli
Stutt lýsing:	Stál, skilgreiningar
Nýjasta útgáfan	2000-03-22
flokkun	01.040.77, 77.080.20
Innlendir staðlar	DIN EN 10020: 2000-07, ÖNORM EN 10020: 2000-06-01, SN EN 10020: 2000-07-15

Í EN 10020: 2000–07, skilgreiningum á flokkun stál , er eftirfarandi sett fram í lið 2.1:

Takmarka innihald kolefnis 2% er beint dregið af járn-kolefnis skýringarmyndinni . Allt að 2,06%innihald getur efnið verið í formi austeníts , sem auðvelt er að mynda.

Sérfræðibókmenntir

Skilgreiningarnar sem notaðar eru í sérbókmenntum eru byggðar á DIN EN 10020 og allar innihalda skilgreininguna sem járnefni , aðallega með hliðsjón af kolefnisinnihaldi innan við 2%. Að auki er alltaf lögð áhersla á að stál séu formanleg, þ.e.a.s. hægt er að vinna þau með smíði, veltingu og svipuðum ferlum .

• "... táknar járnblendi sem innihalda minna en 2% kolefni og henta vel til heitmyndunar."

  B. Ilschner, RF Singer Efnisfræði og framleiðslutækni: eiginleikar, ferlar, tækni. 5. útgáfa. 2010, bls. 431.

• „Járn-kolefni málmblöndur með kolefnisinnihald almennt minna en 2% af þyngd sem er kalt eða heitt, formanlegt (gleymilegt), ... "

  H. Czichos, B. Skrotzki, F.-G. Simon: Hut - Verkfræðiþekkingin: efni. 2014, bls.

• "Járn-kolefni málmblöndur sem hægt er að smíða án frekari eftirmeðferðar eru stál (C ≤ 2%)." Viðbótin "án frekari eftirmeðferðar" útilokar sveigjanlegt steypujárn , gerð steypujárns sem hægt er að smíða eftir hitameðferð (að tempra).

  Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulz (ritstj.): Efnisfræði. 11. útgáfa. 2012, bls. 181.

• "Stál er sveigjanlegt járn ..."

  Böge: Handbók í vélaverkfræði. 21. útgáfa. P. E14.

• "Stál eru nánast öll aflaganleg tæknileg málmblöndur úr járni."

  Erhard Hornbogen, Hans Warlimont málmar: Uppbygging og eiginleikar málma og málmblendi. 6. útgáfa. 2016, bls. 291.

• „... tákna járnefni sem ég. Almennt hentugur fyrir heitmyndun, ... "

  Dubbel , 24. útgáfa, bls E34.

• "... sem eru yfirleitt hentugar fyrir heitmyndun."

  VDEh : Efnisfræði Stál - 1. bindi: Grundvallaratriði , 1984, bls.

Notkun hugtaka í sögu tækninnar

Þessi almenna skilgreining, sem hefur verið í notkun síðan snemma á 20. öld, felur einnig í sér hugtakið stál , járn , sem var varla framleitt á þeim tíma og hefur lágt kolefnisinnihald yfirleitt minna en 0,3%. Það er þá ekki herðanlegt og hefur annað notkunarsvið. Þrátt fyrir svipaða samsetningu og stál er það ekki eins og stál vegna ýmissa óhreininda. Þegar „stál“ er notað í sögulegu samhengi í nútímaverkum (frá 20. öld) þýðir það venjulega „smíðajárn“. Jafnvel í verkum um tækni sögu er hugtakið stál notað um fyrri gleymanlegt járnefni. Hugtakið smíðajárn var notað til forna til að aðgreina það frá svínjárni sem var enn mjög mengað og frá miðöldum og einnig frá ógleymjanlegu steypujárni . ^[4]

saga

Einföld gleymileg járnefni voru þegar framleidd af Hetítum fyrir um 3500 árum síðan. B. fyrir vopn . Snemma bræðsla á járngrýti er frá 2. árþúsund f.Kr. Í þáverandi Hetítaveldi, þar sem einnig var um miðjan 1. árþúsund f.Kr. BC einfalt herðanlegt stál var líklega framleitt í fyrsta skipti. ^[5] Járn flutti smám saman áður notuð koparefni ( brons ), því sem stál er það herðanlegt og um leið harðara. Járn var aðallega notað í vopn og herklæði sem og verkfæri, minna í landbúnaði. Járn málmgrýti var að finna nánast alls staðar á meðan málmarnir kopar og tini sem krafist var til bronsframleiðslu voru sjaldgæfir og komu ekki fyrir á sömu stöðum. Kol , sem hægt var að fá úr tré, var nauðsynlegt til að vinna járn.

Fornöld

Járnvopn frá tímum fólksflutninganna miklu

Í fornöld og á miðöldum var málmgrýti brætt í kolahituðum kappakstursofnum við um 1250 ° C. Járngrýtinu var breytt í hálf-fast járn og fljótandi gjall , sem inniheldur ýmsar óæskilega hluti af málmgrýti. Ofninn var stunginn í botninn svo að gjallið gæti klárast (þess vegna heitir kappakstursofninn , úr rinnen ). Varan var porískt, solid grísjárn sem innihélt ennþá gjallleifar sem voru fjarlægðar með smíði. Síðan var það kallað járn, sem innihélt nánast ekkert kolefni og kom mjög nálægt stáli í dag, en fékkst á annan hátt og var því þungt mengað af meðfylgjandi frumefnum. Í öllum tilvikum aðgreindi Aristóteles þegar svínjárn frá smíðajárni í Meteorologica , sem inniheldur ekki lengur leifar af gjalli. ^[6] Þar sem kolefnislítið járn er of mjúkt fyrir tæki og vopn, var það glætt á kolum, sem samanstendur aðallega af kolefni, þar sem það gleypir frumefnið kolefni aðallega í ytri lögunum. Herða með því að slökkva í vatni eða olíu var einnig þekkt og er útskýrt rétt af Plutarch (45–125 e.Kr.) með hraðri kælingu. Áður hafði Plinius eldri (24–79 e.Kr.) verið þeirrar skoðunar að gæði vatnsins hefðu afgerandi áhrif. ^[7] Gríska nafnið á hert járn eða stál er chalybs .

Smiðir og fínir smiðir komu fram sem nýjar starfsgreinar, sem nú notuðu járn, öfugt við koparsmiða . Aðrir járnsmiðir sérhæfðu sig í ákveðnum vörum eða vöruflokkum. Má þar nefna tól , hníf , sigð, nagla, sverð , hjálm, lansa eða örsmið og lásasmið. ^[8] Í fornöld var nauðsynlegt starf oft unnið af þrælum. ^[9]

Miðöldum

Snemma á miðöldum framleiddu handverk þorpsins lund , sigð og plóg fyrir landbúnað. ^[10] Hamramyllur og belgur knúin vindmyllum eða vatnsmyllum voru þróaðar. Á 14. öld e.Kr. var kolformur (ofn) þróaður í Evrópu. Það náði hærra hitastigi og þurfti minna kol. Járngrýtið hvarfast við kolefnið í kolunum. Þökk sé kolefnisinnihaldinu var bráðnarhitastigið nú undir hita ofnhitans, þannig að fljótandi svínjárn var framleitt í fyrsta skipti, sem var þó ekki sveigjanlegt vegna mikils kolefnisinnihalds um 4%. Það var svipað og steypujárn í dag og var einnig hellt í mót. Til þess að fá gleymilegt járn var svínjárnið úr hitaofninum brætt aftur í ferskum eldi . Eiginleikar járns gætu verið sérstaklega undir áhrifum með því að tempra , karbura , slökkva og glæða . Benediktínumunkurinn Theophilus Presbyter lýsti harðnun skráa á 11. öld: Fyrst nautahornið var brennt og blandað salti og stráð yfir skrárnar sem síðan voru glaðar í ofninum. Þeir voru síðan svalaðir í vatni og mildaðir í ofninum. ^[11] Vír var upphaflega snúinn og fölsaður eins og í fornöld. Á miðöldum var vírteikning með teiknibúnaði notuð til að framleiða mikið magn vír sem aðallega þurfti til hringpantsa („keðjupóstur“). ^[12]

Í upphafi miðalda var lítil verkaskipting . Járnsmiðir og fínir járnsmiðir unnu oft í sama smiðjunni. Síðar var verkaskiptingin svipuð og í fornöld, þar sem nýjar starfsstéttir eins og járnsmiður, pönnu, plógur og töngasmiðja auk skráaskera lögðu sitt af mörkum. ^[13] Auk faglegrar verkaskiptingar var einnig svæðisbundinn munur. Á svæðinu í kringum Solingen voru fjölmargar hamarverksmiðjur knúnar af vatnsmyllum á árásum Wupper , sem blað voru fölsuð á. Malaverksmiðjur blaðanna þurftu meiri orku til frágangs og voru því staðsettar beint á Wupper. Hins vegar krefst þessi aðskildu framleiðslustig flutninga á fölsuðu blaðunum frá aukahlaupunum að Wupper, sem þýddi að allt að klukkutíma ferð þurfti að eyða í flutninga. ^[14]

• 

  Pilsboltasmiður

• 

  Hnífar

• 

  Bóndi

• 

  Brynvörður

• 

  Pan Smith

iðnvæðing

Járnsmiður, olíumálverk eftir Joseph Wright í Derby , 1772

Framleiðsla á nothæfu járni úr málmgrýti fór fram í nokkrum skrefum: ^[15]

1. Bræðir málmgrýti í háofninum í grísjárn,
2. Hreinsa grísjárnið til að draga úr kolefnisinnihaldi og síðan
3. Smíða og rúlla í bars, teina eða blöð.

Það sem var nýtt var tæknileg útfærsla á þessum ferlum, sem byggðust nú fyrst og fremst á harðkolum og gerðu járnefni því ódýrara og aukið framleiðslumagn. Í framleiðsluverkfræði mætti ​​nú nota járn eða stál sem byggingarefni fyrir vélaverkfæri ^[16] , sem gerði þau nákvæmari og skilvirkari. Stærstur hluti járnsins var hins vegar notaður fyrir gufuleifar og járnbrautir, auk brúa. ^[17]

Til að bræða málmgrýti í hitaofninum var nauðsynlegt að málmgrýti komist í snertingu við kol, þar sem kolefnið var nauðsynlegt fyrir efnahvörf. Þetta var ekki vandamál með kol, sem samanstendur nánast eingöngu af kolefni, en ódýrara bitúínkolið var mikið mengað af brennisteini og öðrum þáttum sem gerðu vöruna verri. ^[18] Abraham Darby kom með þá hugmynd að kæla hörð kol. Aðalafurðin var kók , sem hægt var að nota til að bræða málmgrýti og tjara sem aukaafurð. Þar sem tjarnagryfjurnar nálægt járnsmíði fylltust, urðu efnafræðingar varir við þetta og fundu aðferðir til að búa til tjörumálningu og lyf úr þeim. ^[19] Verulega minni kol / kók neysla var möguleg með heita loftinu sem blés af James Beaumont Neilson . Loftið sem var borið í ofninn var hitað, sem leiddi til hærra hitastigs og betra stáls. ^[20]

Það voru tvær mismunandi aðferðir við að fríska upp á kol til að verja járnið fyrir brennisteini í kolunum. Frá 1740 þróaði Benjamin Huntsman deiglusteypt stál , ^[21] þar sem stál var komið fyrir í deiglum og hitað í kolaeldi í nokkra daga. Niðurstaðan var einsleitt stál í framúrskarandi gæðum. Vegna tiltölulega mikillar hörku var það valið fyrir skurðarverkfæri, en einnig fyrir steina, hamra og önnur verkfæri. Hins vegar var það mjög dýrt og aðeins hægt að framleiða það í litlu magni.

Teikning af polli ofni

Mikilvægara ferli var polli , sem Henry Cort fann upp árið 1784. Við pollinn var grísjárninu komið fyrir í stórum deiglum á eldavél sem kol var brennt undir. Vökva svínjárninu var hrært handvirkt með járnstöngum (= pollur ), komist í snertingu við súrefnið í loftinu og brennt kolefnið í járninu. Þar sem kolefnislítið járn hefur hærra bræðslumark, moli, sem loksins mynduðu Luppen anwuchsen og voru teknir úr ofninum. Til að tryggja að allir hlutar bræðslunnar komist í samræmda snertingu við súrefni þurftu starfsmenn stöðugt að hræra bráðuna af krafti, sem krafðist mikillar reynslu. Gæði stálsins sem framleitt var háð því gríðarlega mikið um pollana. Þrátt fyrir að pollur gerði stærra framleiðslumagn kleift en áður var handvirkt ferli sem ekki var hægt að vélvæða og myndaði flöskuhálsinn í allri vinnslukeðjunni frá málmgrýti til fullunninnar vöru. ^[22]

Járnið, sem var hreinsað með polli, var síðan unnið undir smíðahamarinn til að fjarlægja gjallaleifina og gera efnið einsleitt. Þetta smíðaferli hafði einnig mikil áhrif á gæði stálsins. Aðeins þá var henni rúllað í blöð eða teinar. ^[23]

Friedrich Krupp stofnaði fyrstu þýsku steypustálverksmiðjuna í Essen árið 1811. Hvatinn að skyndilegri aukningu á stálframleiðslu varð til um miðja 19. öld með því að beita nokkrum tæknilegum uppfinningum samtímis: gufuvélin veitti iðnaðinum öflugan og sveigjanlegan vinnuafla, í kókverksmiðjunum var unnið úr harðkolunum kók og þróun járnbrautanna og gufusamgöngur stuðluðu að aðgengi nýrra, stórra sölumarkaða fyrir stál.

Stáliðnaðurinn hafði gífurlegt pólitískt mikilvægi í öllum löndum, óháð efnahagslegum sjónarmiðum, þar sem hann var ekki aðeins vísbending um tækni- og efnahagsþróun og mikilvægi hennar fyrir vopnaiðnaðinn, heldur einnig spurning um landsvirðingu. Mikilvægi stáls fyrir þann tíma er táknað af Eiffelturninum (úr pollajárni vegna mikilla krafna um brotþol), sem var byggt úr stáli sem minnisvarða um tækniframfarir í tilefni af heimsýningunni í París 1889 .

Mikil iðnvæðing og massastálferli

Blowing Bessemerkonverter (1941)

Járnsmiður um 1890

Há iðnvæðing er hluti af fyrstu bylgju iðnvæðingarinnar þar sem leiðandi ríki breyttust að lokum úr landbúnaði í iðnaðarríki. Það eru ýmsar skilgreiningar og afmörkun á því hvað nákvæmlega er átt við með mikilli iðnvæðingu : að hluta þýðir það mikla iðnvæðingu í Þýskalandi á árunum 1870 til 1914 og að hluta til þýðir það einnig aðra iðnbyltinguna . Mikilvægustu nýjungarnar varða þróun ferla fyrir fjöldaframleiðslu ódýrs og á sama tíma hágæða stáls og hagræðingarhreyfingarinnar sem fór saman við hagkvæmari framleiðslu.

Flöskuhálsinn í stálframleiðslu var enn að hressast í pollaofninum. Svínajárn gæti verið brætt í góðum gæðum og í nægilegu magni í stöðugt vaxandi háofnum. Frekari vinnsla á pollajárninu í vélvæddum valsstöðvum gerðist líka hratt. Til að mæta mikilli eftirspurn járnbrautariðnaðarins voru nokkrar tilraunir gerðar til að vélvæða polla líka, en það tókst ekki. Reynsla pollanna gæti ekki einfaldlega verið þýdd í vélar. Þetta var bætt með þremur samkeppnisferlum: tveimur botnblásturs- eða vindhressandi ferlum eftir Bessemer og Thomas og eldavélshreinsun Siemens og Martin. ^{[24] [25] [26]}

Bessemer aðferð

Á 18. áratugnum datt Henry Bessemer í hug að setja fljótandi grísjárnið í breytir og blása lofti í gegnum stút í jörðu. Súrefnið sem er í loftinu brenndi kolefnið og aðra óæskilega fylgiseiningar á aðeins 20 mínútum og hitaði grísjárnið á sama tíma þannig að hreinsað stálið var nú fljótandi og hægt var að steypa í fyrsta skipti. Ferlið við að blása lofti í gegnum grísjárn er einnig þekkt sem vindhressing. Aðeins með lofti gæti Bessemer ferlið myndað og viðhaldið hingað til hæsta hitastig í málmvinnslu og þar með ekki eytt eldsneyti eins og áður, heldur einnig myndað hita. Ferlið var því verulega ódýrara. Að auki var Bessemer stálið í mjög góðum gæðum: það var mjög hreint og einsleitt og þökkaði mikilli hörku þoldi það álag sem það varð fyrir sem járnbrautarefni. Venjulega þurfti hins vegar að skipta um teinar úr pollajárni eftir 10 ár. Sérstaklega í Bandaríkjunum voru fjölmörg Bessemer kerfi smíðuð seint á 1860 og byrjun 1870. Hins vegar hafði ferlið tvo galla. Það var aðeins hentugt fyrir lítið fosfórmalm , sem var sérstaklega sjaldgæft í Þýskalandi, og efnafræðilega hlutlausa köfnunarefnið í loftinu leystist upp í uppbyggingu stálsins og gerði það erfitt en einnig brothætt. Að auki var næstum allt kolefni brennt við hreinsunarferlið, þannig að Bessemer stál var ekki sérstaklega sterkt.

Tómas aðferð

Thomas ferlið eftir Sidney Thomas og Percy Gilchrist hefur verið afbrigði af Bessemer ferlinu síðan 1878, sem hentaði málmgrýti sem er ríkur af fosfór og var því fyrst og fremst notað á svæðum við Rín og Ruhr , í Belgíu , Lúxemborg og Lorraine . Hins vegar þurfti það einnig ákveðið lágmarksinnihald fosfórs, svo að lítill áhugi var fyrir því í Englandi og Ameríku, þar sem engar samsvarandi málmgrýtur voru hér. Thomas stál var jafnvel harðara og brothættara en Bessemer stál og var hentugra fyrir minna álag eins og vír eða rör og minna fyrir brú eða skipasmíði.

Siemens-Martin ferli

Ofn frá Siemens-Martin frá 1895

Val til tveggja botnblásturs- eða vindhressandi ferla var Siemens-Martin ferlið, sem er talið eldavélshreinsun og er nefnt eftir þremur bræðrum hinna frægu Werner von Siemens , Friedrich , Otto og Wilhelm, og franska járniðnaðarmanninum. Pierre Martin . Ferlið var byggt á sérstökum ofni þar sem loftið sem hitað var upp var hitað sterklega áður en það var kveikt. Í stað þess að hita eldavélina með þessu heita lofti var hún notuð til að hita annan loftstraum, sem var nú enn heitari en sá fyrri. Þannig væri nú hægt að viðhalda hitastigi sem væri yfir bráðnunarhita stáls. Eftir nokkrar klukkustundir var stálið leyst úr meðfylgjandi þáttum. Vegna hægari ferils var hægt að stilla óskað kolefnisinnihald mjög nákvæmlega. Að auki leystist ekkert köfnunarefni upp í stálinu, þannig að Siemens-Martin vinnslan leiddi til hærra gæðastáls, sem þó var nokkru dýrara vegna flóknari ferilsins. Stærsti hluti stálsins var hins vegar framleiddur með þessu ferli til 1960, þar sem það var líka frábær leið til að endurvinna rusl.

Útrýmingu smíða

Hægt var að sleppa hringjunum eftir polli til að samræma efnið með nýju ferlunum, þar sem þeir framleiddu allir fljótandi stál, sem var mun einsleitara en pollajárn gæti nokkru sinni verið. Stálframleiðendur voru hins vegar tregir til að gefast upp á að smíða, þar sem vandað smíðaferli var aðalsmerki góðs stáls. Í langan tíma trúðu einkum viðskiptavinir ekki að betri vara væri möguleg með minni fyrirhöfn. Krupp var síðasti iðnrekandinn í Þýskalandi til að gefast upp á að smíða, en bannaði fulltrúum sínum að upplýsa að Krupp -stálið, sem var þekkt fyrir hágæða, væri aðeins velt.

Hröð aðgerð

Hagræðingarhreyfing festi sig smám saman í sessi í Ameríku í lok 19. aldar sem náði hámarki í upphafi 20. aldar. Á þeim tíma var hagræðing fyrst og fremst átt við að auka hagkvæmni framleiðslu. Markmiðið var að framleiða eins mikið og mögulegt er með núverandi starfsmönnum og tækjum eða að framleiða ákveðið magn af framleiðslu á lægsta mögulega kostnaði. Það var aðeins með skipulagsreglunum sem leiddu til þess að raunverulegir möguleikar nýju tækninnar voru nýttir að fullu - ekki aðeins í stáliðnaðinum, heldur í öllum viðskiptum.

Þrátt fyrir að stálið í breytir í Bessemer verkinu væri hreinsað eftir aðeins 20 mínútur var aðeins hægt að framleiða fimm til sex lotur á dag. Breytirinn var aðgerðalaus það sem eftir var tímans. Þetta stafaði aðallega af mikilli þörf fyrir viðgerðir á breytigólfunum, sem voru slitnar í síðasta lagi eftir sex lotur í síðasta lagi og þurfti að gera við í um 10 klukkustundir. Í Evrópu reyndu menn að nota ný efni sem eru hitaþolnari. Í Ameríku, þar sem mikil þörf var fyrir stál, dvöldu þeir ekki lengi við það. Þú breyttir einfaldlega öllu gólfinu á nokkrum mínútum og hélt svo áfram framleiðslu. Þess vegna jókst framleiðsla á breytir í 48 á dag innan fárra ára og síðar í 72 á álagsdögum.Aftur á móti gegndi kostnaður við jarðveginn ekki stórt hlutverk. Bandarísk stálverksmiðja framleiddi nú allan sólarhringinn og þar með í fyrsta skipti bæði hratt og vel, sem heillaði sérstaklega eftirlitsmenn frá Evrópu. Vegna þess að hingað til þýddi góð framleiðsla umfram allt hæg og ítarleg framleiðsla. Þessi framleiðsluaðferð í stáliðnaðinum var kölluð enskur harður akstur í Ameríku og hraðvirkni í Þýskalandi. ^{[27] [28] [29] [30]}

20. öldin

Þversnið í gegnum rafbogaofn, ofan frá rafskautunum þremur til að veita með þriggja fasa skiptisstraumi

Rafstraumur gerði framleiðslu á svokölluðu rafmagnsstáli með bogaofnunum, sem voru nýir á þessum tíma. Þessar stálverksmiðjur voru framúrskarandi ruslendurvinnsluaðilar, en gegndu aðeins víkjandi hlutverki á heildarmarkaðnum. Það voru enn þrjár mismunandi ferlar í samkeppni hér: Bessemer og Thomas ferli með nokkuð ódýrara stáli og Siemens-Martin ferli með betri gæðum stáli. Í Bessemer og Thomashütten reyndu þeir að bæta gæðin og ná þannig langþráðum „Siemens-Martin jafnrétti“, en þetta tókst ekki. Hins vegar voru öll ferli afar afkastamikil, þannig að það var of mikið afkastagetu í fyrsta skipti. Hingað til hefur verið reynt að hámarka kostnað einstakra kerfa; framleiðslumagnið var afleitt magn. Nú, eins og markaðsverði, það var ráðist af cartelization , hópur myndun , hlífðar gjaldskrár og öðrum efnahagslegum áhrifum. Í lóðrétt samþættu stálhópunum, með málmgrýti, sprengjuofnum, álverum Bessemer eða Siemens-Martin og veltistöðvunum, var nú um að gera að lágmarka kostnað fyrir allt fyrirtækið. ^[31]

Innbyggt bræðsluverk

Stimpilblásari með ofngasvél (mynd frá 1905)

Til að auka skilvirkni voru fljótlega smíðuð bræðsluverk til að endurvinna aukaafurðir. Í hitaofninum er til dæmis framleitt það sem kallað er ofnagas , sem lengi hefur verið notað til að hita vindofninn . Hins vegar var aðeins um 20% af gasinu notað. Nú voru gerðar tilraunir til að nota það frekar: Í fyrsta lagi var það brennt í gufuvélum vélarinnar. Þetta skapaði stífa tæknilega tengingu milli fjölda hitaofna og fjölda veltinga. Þegar fyrirtækið skipti yfir í rafdrif var það notað til að keyra rafala í staðinn: gasinu var „breytt í rafmagn“. ^[32] Að auki byrjaði að færa fljótandi svínjárnið úr háofninum beint í breytirinn (Bessemer og Thomas ferli) eða Siemens-Martin ofna án þess að bræða það aftur, sem er orkunýtnara. Hreinsuðu járninu var leyft að kólna nægilega mikið til að stífna og síðan rúllað. Helst var hitinn sem myndast í háofninum nægur fyrir allt ferlið, sem var þekkt sem „ veltingur í einum hita “. Gjallið sem alltaf hafði verið að falla var nú unnið í sand, stein og sement. Gjallið frá Thomas verkunum var sérstaklega vinsælt því það inniheldur mikið hlutfall af fosfötum og því er hægt að vinna það í áburð . Thomas-Werke var meira að segja meðal stærstu áburðarframleiðenda. Þetta Thomas inneign stuðlaði verulega að kostnaðarávinningum ferlisins, þar sem Thomasstahl var ódýrari með þessu lánsfé. ^[33]

Króm-nikkel stál

Í efnaiðnaði var krafist mjög mikils þrýstings og hitastigs allt að 330 bar og 550 ° C í sumum ferlum, svo sem Haber-Bosch ferli til framleiðslu á ammoníaki, sem var nýtt á þeim tíma. Der am Prozess beteiligte Wasserstoff diffundierte in den Stahl der Reaktorwände, löste den darin enthaltenen Kohlenstoff und verringerte dadurch die Festigkeit des Stahls, was zu Reaktorexplosionen führte. In der Folge entwickelte man hochlegierte Stähle, die ihre Festigkeit nicht über den Kohlenstoff, sondern über andere Legierungselemente erhalten und daher chemisch beständiger sind. Der wichtigste Vertreter ist der austenitische , rostfreie Chrom-Nickel-Stahl . Die neuen Stähle und chemischen Verfahren verhalfen sich somit gegenseitig zum großtechnischen Durchbruch. ^[34]

Wirtschaftliche Bedeutung

Für die deutschen Nationalsozialisten, die 1935 ein umfangreiches Rüstungsprogramm gestartet hatten, war Stahl ein kriegswichtiger Werkstoff. So galt der Norwegenfeldzug unter anderem der Sicherung des Nachschubs von schwedischem Eisenerz, das für die damalige Stahlerzeugung ein unverzichtbarer Rohstoff war. Die Alliierten bombardierten das Ruhrgebiet, die größte stahlproduzierende Region Europas. Am Ende des Kriegs hatten die Luftangriffe ca. 20 % der Produktionskapazitäten zerstört. Erst 1957 wurde der Vorkriegsstand mit einer Rohstahlproduktion von 16 Millionen Tonnen wieder erreicht.

Die auf der Potsdamer Konferenz beschlossene Demilitarisierung des Deutschen Reichs beinhaltete auch eine Demontage der Stahlindustrie. Ein Teil der demontierten Betriebe ging an die Sowjetunion , die diese zum Wiederaufbau des durch den Krieg zerstörten Landes benötigte. In den westlichen Besatzungszonen regte sich bald Widerstand gegen die Demontage, und so stellten die Alliierten die Demontage schon 1949 wieder ein. Eine weitere Maßnahme der alliierten Kontrollbehörde war die sogenannte „Entflechtung“ der Stahlindustrie. Damit sollte das neuerliche Aufkommen von marktbeherrschenden Unternehmenszusammenschlüssen wie den „ Vereinigten Stahlwerken “ verhindert werden.

Arbeiter am Hochofen

Um eine gemeinsame Kontrolle der Kohle- und Stahlproduktion sicherzustellen, wurde 1952 auf französische Initiative hin die Montanunion gegründet. Aus der Montanunion entwickelte sich dann schrittweise die Europäische Union . In der Folge erlebte die Stahlindustrie in der Bundesrepublik Deutschland einen großen Aufschwung. 1961 produzierten 420.568 Beschäftigte 33 Millionen Tonnen Rohstahl, was einen Höchststand bei der Mitarbeiterzahl bedeutete. Einen Produktionsrekord stellte die westdeutsche Stahlindustrie 1974 auf, als sie über 53 Millionen Tonnen Stahl fertigte. Heutzutage benötigt die Stahlindustrie im wiedervereinigten Deutschland etwa 76.500 Mitarbeiter, um rund 46 Millionen Tonnen Stahl (Stand 2008) herzustellen. Diese enorme Produktivitätssteigerung war nur durch bedeutende technische Innovationen möglich.

Nach Erwartungen der Stahlindustrie wird die Stahlnachfrage der Automobilbranche durch die aufkommende Elektromobilität bis 2050 um 4,2 Mio. t zunehmen. ^[35]

Anwendungsbereiche und konkurrierende Werkstoffe

Stahl ist der Standardwerkstoff im Maschinenbau und ein wichtiger Baustoff im Bauwesen. Die Teildisziplin des Bauingenieurwesens, die sich mit den Besonderheiten von Stahlkonstruktionen befasst, ist der Stahlbau . Von dem in Deutschland genutzten Stahl entfallen 35 % auf das Baugewerbe , 26 % auf den Automobilbau , 12 % auf Metallwaren , 11 % auf den Maschinenbau und 9 % auf Rohre (Stand: 2017). ^[36]

Stahl wird verwendet für zahlreiche verschiedene Maschinen , darunter Pumpen , Krane , Förderanlagen , Turbinen oder Fräsmaschinen , für Stahlseile , Brücken und den Hochbau , im Stahlbeton , für Waffen und Werkzeuge aller Art, für Rohre und chemische Apparate , Druckbehälter , Schienen , Schiffe , Autos und Motorräder . ^[37] Darüber hinaus wird Stahl auch in Hochtemperatur-Wärmespeichern eingesetzt.

• 

  Verschiedene Maschinenteile

• 

  Stahlseile

• 

  Brücken

• 

  Stahlbeton

• 

  Druckbehälter

• 

  (Eisenbahn-)Schienen

• 

  Schiffe und Kräne

In Industriezweigen, bei denen Wert auf Leichtbauweise gelegt wird (insbesondere der gesamte Fahrzeugbau und Flugzeugbau), können anstelle von Stahl Werkstoffe von geringerer Dichte , beispielsweise Titan , Aluminium , Magnesium , Kunststoffe und Faserverbundwerkstoffe verwendet werden. Da die anderen metallischen Werkstoffe aber häufig eine geringere Festigkeit und Härte im Vergleich zu Stahl aufweisen, kann der Gewichtsvorteil durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen – etwa die Verarbeitung von dünnerem Blech mit Aussparungen und Sicken – ausgeglichen werden. Faserverbundwerkstoffe haben zwar teilweise eine wesentlich höhere Festigkeit und Steifigkeit in Faserrichtung, Konstruktion und Verarbeitung unterscheiden sich jedoch deutlich von der metallischer Werkstoffe und sind vor allem deutlich aufwändiger.

Produktionsmengen

Weltstahlproduktion von 1943 bis 2012

Weltweit wurden 2016 1629 Millionen Tonnen Stahl produziert. ^[38] Das ist mehr als das zehnfache aller anderen metallischen Werkstoffe zusammen. Von Aluminium, dem zweitwichtigsten metallischen Werkstoff, wurden 2016 nur 115 Mio. Tonnen produziert. ^[39] Das mit großem Abstand bedeutendste Herstellerland war die Volksrepublik China mit einem Anteil von 50 Prozent. ^[38] Größter Produzent nach China ist Japan mit 6,4 %. In der EU werden 10 % und in Nordamerika ( NAFTA ) 6,8 % der Weltproduktion hergestellt. ^[38] Siehe auchStahl/Tabellen und Grafiken .

In Deutschland wurden mit 87.000 Beschäftigten im Jahr 2014 ca. 43 Mio. t Rohstahl hergestellt. ^[40]

Die Produktion von Stahl verlief lange Zeit auf relativ geringem Niveau: Schätzungen zufolge wurden im Mittelalter im deutschsprachigen Raum zwischen 20.000 t und 30.000 t an Stahl jährlich erzeugt. ^[41] Gegen 1950 überstieg die Weltproduktion erstmals 200 Mio. Tonnen, bis Mitte der 1970er-Jahre stieg sie weiter bis auf 700 Mio. Tonnen und verweilte bis zur Jahrtausendwende mit geringen Schwankungen auf diesem Niveau. Seitdem stieg sie weiter auf über 1000 Mio. Tonnen, wobei der Zuwachs fast ausschließlich auf China zurückgeht. ^[42]

Herstellung, Recycling und Ökologie

Herstellung

Anteil der verschiedenen Herstellungsverfahren an der Gesamtproduktion

Frischen von Roheisen nach dem LD-Verfahren

Aus Eisenerzen wird Roheisen gewonnen, indem es zusammen mit Koks (entgaste Kohle) in einen Hochofen gegeben wird. Das Koks erhitzt einerseits durch Verbrennung das Erz und dient andererseits als Reduktionsmittel für das Erz, das chemisch gesehen aus Eisenoxid besteht. Das dadurch entstandene Roheisen dient als Ausgangsmaterial für die Stahlerzeugung. Es enthält etwa 4 % Kohlenstoff und verschiedene Verunreinigungen.

Der Vorgang, bei dem der Gehalt an Kohlenstoff und anderen Elementen im Roheisen gesenkt wird, wird als Frischen bezeichnet, was nichts anderes bedeutet, als dass die unerwünschten Begleitelemente Silicium , Mangan , Schwefel und Phosphor durch Zugabe von Sauerstoff verbrannt werden. Heute relativ unbedeutende Frischverfahren sind das Siemens-Martin- , Bessemer- und das Thomas-Verfahren , bei denen die Oxidation durch Luft vonstattengeht. Sie waren von der Mitte des 19. Jahrhunderts bis in die 1960er weit verbreitet. ^[43] Davor wurde das Puddelverfahren genutzt. Technisch weit verbreitet (72 % der Welterzeugung) ^[44] ist aber das Linz-Donawitz-Verfahren (LD-Verfahren). Bei diesem wird das flüssige Roheisen aus dem Hochofen in einen großen, schwenkbaren Behälter gefüllt. Dieser Behälter, der Konverter, fasst ungefähr 300 t flüssiges Roheisen. Die Reaktion, die zur Umwandlung von Roheisen in Stahl führt, ist exotherm . Damit der Konverter durch zu hohe Temperaturen keinen Schaden nimmt, muss er gekühlt werden. Zu diesem Zweck wird zusätzlich zum Roheisen Eisen- bzw. Stahlschrott beigemischt. Die zum Schmelzen des Eisen- bzw. Stahlschrottes nötige Energie entzieht dem Prozess einen Teil der Wärme. Dennoch steigen die Temperaturen im Konverter von ca. 1250 °C auf etwa 1600 °C.

Der Prozess der Rohstahlerzeugung startet durch das Einfahren einer wassergekühlten Sauerstofflanze in die Schmelze. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10 bar in die Schmelze geblasen. Er oxidiert die Begleitelemente, die entstehenden gasförmigen Oxide (Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefeldioxid) entweichen durch die Konverteröffnung in den Abgaskamin. Feste oder flüssige Oxide lagern sich an der Oberfläche der Schmelze ab, wo sie zusammen mit zuvor zugegebenem Kalkstein die sogenannte Schlacke bilden. Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der Schmelze stark gesunken. Die Schlacke und die Stahlschmelze (jetzt Rohstahl genannt) werden getrennt voneinander aus dem Konverter in Transportkübel gegossen.

Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das Elektrostahlverfahren . Mit Graphitelektroden werden im Lichtbogenofen Temperaturen von bis zu 3500 °C erzeugt. Da diese Temperaturen nur lokal an den Spitzen der Graphitelektroden entstehen, kann zur beschleunigten Homogenisierung der Temperaturverteilung mit Lanzen Sauerstoff eingeblasen werden. Dadurch wird der Erschmelzungsprozess deutlich beschleunigt und so können ca. 100 to Stahlschrott in ca. einer Stunde erschmolzen werden. Für die Erschmelzung werden der Eigenschrott, der aus der Stahlherstellung stammt, als auch Fremdschrott, z. B. Automobilschrott, eingesetzt. Bereits während der Erschmelzung können Legierungsmittel der Stahlschmelze zugefügt werden. Die verfeinerte Einstellung der gewünschten chemischen Analyse wird im Legierungsofen vollzogen, nachdem die Stahlschmelze in den sogenannten Legierungsstand verbracht wurde.

Darüber hinaus lässt sich die Qualität des Stahls zusätzlich erhöhen, indem man ihn einer Desoxidation unterzieht. Dabei werden der Stahlschmelze Ferrosilicium und Aluminium beigesetzt, aber auch Calcium gegen Ende der Behandlung wird in kleinen Mengen zugesetzt. Dadurch wird der Sauerstoff gebunden und die Schlacke ausreduziert. Teure Elemente wie Chrom, wandern dabei aus der Schlacke wieder zurück in die Stahlschmelze und andere Oxide in der Schmelze werden auch gebunden. Dies verhindert Oxideinschlüsse und erhöht damit die Zähigkeit und den Reinheitsgrad des Stahls.

Beim Vergießen gibt es verschiedene Arten wie Stahl vergossen wird. Man versucht die Randzone genauso zu temperieren, wie den Kern des Stahlblocks und eine gleichmäßige Abkühlung des Blocks zu erreichen, um Lunkerbildung etc. zu minimieren. Dies mindert die Spannungsenergie im Gefüge des Stahls, somit erlangt der Stahl ein gleichmäßiges Gefüge. Je nach Grad der Desoxidation unterscheidet man beruhigte Stähle und vollberuhigte Stähle.

Für kleinere Mengen oder in Gießereien finden Induktionsöfen häufig Anwendung.

Ökologie und Recycling

Recycling-Code für Stahl

Stahlschrott

Eisen als Hauptbestandteil des Stahles ist, auch wenn es korrodiert oder weggeworfen wird, für Umwelt, Tier, Mensch und Pflanzen nicht toxisch. Die Stahlerzeugung ist ein großer Energieverbraucher. Im Jahr 2013 entfielen ca. 18 % des gesamten weltweiten industriellen Endenergieverbrauchs auf den Eisen- und Stahlsektor. ^[45] Bei der Ökobilanz von Stahl müssen zwei Herstellungsrouten unterschieden werden:

• Primärerzeugung : Bei der Herstellung eines Kilogramms Rohstahl über die Hochofenroute stoßen die besten Hochöfen in Europa ca. 1,475 kg CO ₂ -Äquivalent aus, was schon nahe am theoretischen Limit von 1,371 kg CO ₂ liegt. Größere Emissionsreduktionen lassen sich dementsprechend nur noch durch völlig neue Produktionsmethoden erreichen. ^[46] Auch bei der Hochofenroute werden im sogenannten Konverter etwa 20 % Recyclingmaterial ( Schrott ) ^[47] eingesetzt.
• Stahlrecycling : Bei der Recyclingroute im Elektrostahlwerk kann gegenüber der Hochofenroute die zur Reduktion des Eisenerzes aufgebrachte, aus Kohle stammende chemische Energie eingespart werden. Das Recycling von Stahl benötigt 60 bis 75 Prozent weniger Energie als die Primärerzeugung. ^[48] Dies resultiert in ca. 0,75 kg CO ₂ pro kg Stahl ^[49] , die genaue CO ₂ -Bilanz ist abhängig von der verwendeten Stromerzeugung. Probleme beim Recycling stellen einzelne Fremdstoffe wie z. B. Kupfer dar, das aus Elektrogeräten stammt.

In der Praxis wird Stahl zuerst aus Erz hergestellt und dann oft mehrfach recycelt (einmalig Primärerzeugung und mehrfach Stahlrecycling). Damit ergibt sich ein durchschnittlicher CO ₂ -Ausstoß von etwa 1 kg CO ₂ pro kg hergestellten Warmbandstahles. ^[50] Zum Vergleich: Bei der Herstellung von 1 kg Roh-Aluminium werden 10 kg CO ₂ freigesetzt (bei Verwendung eines durchschnittlichen Energiemixes). Aus geschreddertem Mischschrott kann über Magnetscheider eine Eisenfraktion zurückgewonnen werden. Legierungselemente können, müssen aber nicht beim Recycling entfernt werden. Hochlegierte Stähle werden daher dementsprechend von Metallaufkäufern extra erfasst und vergütet. Hingegen wird das Recycling dünnwandiger, beschichteter, restentleerter Gebinde (Dosenschrott) teilweise als Downcycling bezeichnet. ^[51]

Stahl ist mit 500 Mio. t pro Jahr der weltweit meistrecycelte Industriewerkstoff. Die Recyclingquote von Stahl liegt bei 70 %, ^{[52] [53]} die von einzelnen Stahlanwendungen z. T. bei deutlich über 90 %. ^{[54] [55]}

Für den Korrosionsschutz von Eisen und Stahl werden Stoffe eingesetzt, die das Recycling stören, verloren gehen oder als umweltrelevante Stoffe entweichen oder zurückgehalten werden müssen. Dazu gehören insbesondere die Legierungselemente Chrom und Nickel sowie als Beschichtungen Lacke, Zinn ( Weißblech ) und Zink. In Europa werden daher die Stahlwerksstäube recycelt, um das darin enthaltene Zink zurückzugewinnen.

Arten von Stählen und Stahlprodukten

Im Register europäischer Stähle sind 2017 über 2400 Stahlsorten aufgelistet.

Differenziert wird Stahl beispielsweise ^[56]

• nach Funktion bzw. Verwendung: Werkzeugstahl , Baustahl , Elektrostahl , Panzerstahl , Stahl für den Leichtbau , Offshore-Stahl , Schiffbaustahl
  • nach dem Endprodukt: Federstahl , Kettenstahl , Kunststoffformenstahl, Stahl für Druckbehälter , Ventilstahl, Wälzlager stahl, Formstahl (für Stahlprofile )
  • nach Umformverfahren: Stahl zum Kaltwalzen , Stahl zum Tiefziehen
  • nach der vorgesehenen Wärmebehandlung : Einsatzstahl , Nitrierstahl , Vergütungsstahl
• nach Legierung: Kohlenstoffstahl , AHSS -Stahl, unlegierter Stahl
  • nach Güteklasse: Edelstahl , Grundstahl, Qualitätsstahl
• nach besonderen Eigenschaften: hitzebeständiger Stahl, nichtrostender Stahl , wetterfester Stahl, zunderbeständiger Stahl, säurebeständiger Stahl , wetterfester Baustahl
  • nach Temperaturfestigkeit: Kaltarbeitsstahl , Warmarbeitsstahl , Schnellarbeitsstahl
  • Sondervarianten: Cortenstahl , Dualphasen-Stahl , Duplexstahl

Einteilung nach Güteklassen (EN 10020)

Nach EN 10020:2000 wird zwischen drei Hauptgüteklassen unterschieden:

• Unlegierte Stähle ( unlegierte Qualitätsstähle , unlegierte Edelstähle ). Unlegierte Stähle (in Produktbeschreibungen oft umgangssprachlich Kohlenstoffstahl ( AHSS ), Carbonstahl oder C-Stahl genannt) enthalten als Zusatz überwiegend Kohlenstoff und nur geringe Mengen Chrom , Kupfer , Nickel , Blei , Mangan oder Silizium . Sie werden eingeteilt in Stahlwerkstoffe zur späteren Wärmebehandlung sowie solche, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind.
• Nichtrostende Stähle , dh Stähle mit einem Massenanteil von mindestens 10,5 % Chrom und höchstens 1,2 % Kohlenstoff
• Andere legierte Stähle und legierte Edelstähle

Die Kurznamen der Stähle sind in der EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt, von denen etwa 2000 erst in den letzten zehn Jahren entwickelt wurden.

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

Einteilung nach Anwendungsgebieten

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus der diese hervorgeht: ^{[57] [58]}

• Baustahl – Baustähle machen über die Hälfte der weltweiten Stahlproduktion aus. Sie sind die Standardsorte, die vor allem zum Bauen von Gebäuden und Maschinen verwendet wird, sofern keine besonderen Anforderungen bezüglich Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder anderen Eigenschaften vorliegen. Es gibt unlegierte (allgemeine/normalfeste) Baustähle und legierte Baustähle. Baustähle haben häufig sehr niedrige Kohlenstoffgehalte.
• Einsatzstahl – Vorgesehen für eine Einsatzhärtung der Randschichten des fertigen Werkstücks. Dadurch steigt der Kohlenstoffanteil, der vorher bei lediglich 0,1 und 0,2 % lag, im Randbereich auf bis zu 0,8 %. Der Kern des Werkstücks bleibt zäh und bruchfest, da nur die äußere Schicht gehärtet und somit spröde wird. ^[59] Besonders häufig verwendet werden Einsatzstähle für Kleinteile sowie verschleißfeste Bauteile mit dynamischer Beanspruchung.
• Vergütungsstahl – Der Kohlenstoffanteil liegt zwischen 0,1 und 0,6 %. Diese Stähle besitzen eine gute Eignung zur Vergütung , einer speziellen Wärmebehandlung zum Härten beziehungsweise vollständigen Durchhärten des Stahles. Anwendung findet diese Produktionsmethode für Zahnräder. ^[59] aber auch für hochbelastete Bauteile, wie z. B. Turbinen von Wasserkraftwerken.
• Nitrierstahl ist zur Härtung durch Nitrieren vorgesehen. Der Kohlenstoffgehalt liegt um 0,3 %. Anwendung für auf Verschleiß beanspruchte Teile.
• Werkzeugstahl – Wird zur Herstellung von Werkzeugen , Gesenken und Gussformen verwendet und zeichnet sich durch eine größere Härte aus.
• Nichtrostender Stahl – Diesen gibt es als ferritischen, als austenitischen , als martensitischen und als Duplex-Stahl . Ersterer wird durch Legieren von mindestens 10,5 Prozent Chrom erzeugt. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Austenitische Stähle sind bei Raumtemperatur nicht magnetisch.
• Säurebeständiger Stahl – Ab einem Chromgehalt von mindestens 17 % säure- und laugenbeständig; Verwendung: z. B. Abfüllanlagen für Putzmittel.

Einteilung nach DIN EN 10079 – Begriffsbestimmung für Stahlerzeugnisse

Die DIN EN 10079 (Begriffsbestimmung für Stahlerzeugnisse) unterscheidet die Stahlerzeugnisse in flüssigen Stahl, festen Rohstahl und Halbzeug , Flacherzeugnisse , Langerzeugnisse und andere Erzeugnisse. ^[60]

Flacherzeugnisse haben einen rechteckigen Querschnitt, dessen Breite deutlich größer als seine Dicke ist. Sie werden unterteilt in

• warmgewalzte Breitflachstähle, Bleche und Bänder ohne Oberflächenveredelung, hergestellt durch Warmwalzen von Halbzeug
• kaltgewalzte Bleche und Bänder ohne Oberflächenveredelung, hergestellt durch Kaltwalzen (die Querschnittsverminderung beträgt im Allgemeinen mehr als 25 %), mit den Sonderformen
  • Elektrobleche und -bänder mit definierten magnetischen Eigenschaften ( kornorientiert oder nicht-kornorientiert)
  • Verpackungsbleche und -bänder aus weichem unlegiertem Stahl (ein- oder zweifach kaltgewalzt; als Tafel oder Rolle; z. B. Feinstblech , Weißblech , spezialverchromtes Blech mit 0,17 – 0,49 mm und verzinntes Blech mit über 0,5 mm Stärke)
• Flacherzeugnisse mit Oberflächenveredelung, warm- oder kaltgewalzt, z. B. mit Beschichtung als
  • metallische Überzüge durch Schmelztauchen ( Feuerverzinken oder Feueraluminieren) oder elektrolytische Metallabscheidung (mit Zink oder Nickel)
  • organische Beschichtungen ( Lacke , Pulverbeschichtung etc.)
  • anorganische Beschichtungen ( Email )
• zusammengesetzte Erzeugnisse (plattierte Bleche und Bänder, Sandwichbleche und -elemente).

Nach Materialstärke werden Flacherzeugnisse in Feinblech und -band bis 3 mm Dicke und Grobblech und -band ab 3 mm Dicke unterteilt.

Eigenschaften

Allgemeine physikalische Eigenschaften

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Die Dichte von Stahl beträgt 7,85–7,87 g/cm ³ (7850–7870 kg/m ³ ).

Der Schmelzpunkt von reinem Eisen liegt bei 1536 °C, durch Zugabe von Legierungselementen verringert sich in der Regel der Schmelzpunkt von Stahl und liegt bei 2 % Kohlenstoff nur noch bei 1400 °C. Aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ersichtlich, hat Stahl genaugenommen wie die meisten Legierungen keinen genauen Schmelzpunkt: Bei Temperaturen oberhalb der Liquiduslinie (oberste Linie im Diagramm) ist der Werkstoff vollständig flüssig, zwischen der Liquidus- und Soliduslinie (zweitoberste Linie) liegt er teilweise flüssig und fest vor. Erst bei Unterschreiten der Soliduslinie liegt nur noch fester Werkstoff vor.

Die elektrische Leitfähigkeit von Stahl ist etwas geringer als die von reinem Eisen mit 10 · 10 ⁶ A/(V m). So hat Stahl C15 (mit 0,15 % Kohlenstoff) 9,3 · 10 ⁶ A/(V m), Stahl C35 8,6 · 10 ⁶ A/(V m) und Stahl C60 7,9 · 10 ⁶ A/(V m). Die Leitfähigkeit sinkt also merklich mit steigendem Anteil von Kohlenstoff, bleibt aber deutlich über der von rostfreiem Stahl mit 1 · 10 ⁶ A/(V m). ^[61]

Mechanische Eigenschaften

Spannungs-Dehnungs-Diagramm für gewöhnlichen Stahl. R _eL ist die Streckgrenze, R _m die Zugfestigkeit , A die Bruchdehnung.

Stahl gilt als sehr fester, aber auch „weicher“ Werkstoff, während das verwandte Gusseisen als hart und spröde gilt. Festigkeit ist die auf den Querschnitt bezogene Kraft, die der Werkstoff ertragen kann, bevor er versagt (Reißen, Brechen etc.). Bauteile aus Stahl können also hohe Kräfte übertragen. Stahl gilt als „weich“ also verformbar: Bevor Stahl bricht, verformt er sich, wobei diese Verformung bei Stahl sehr groß sein kann. Gusseisen dagegen bricht ohne vorherige Verformung. Stahl hat daher große Sicherheitsreserven gegenüber Bruch, weshalb er bei wichtigen Fahrzeugteilen genutzt wird (Lenkung, Fahrwerk, Antrieb).

Die Festigkeit liegt bei den am häufigsten verwendeten Stählen, den unlegierten Baustählen , zwischen 180 und 350 N/mm². Sie nimmt mit steigendem Gehalt an Kohlenstoff und sonstigen Legierungselementen zu. Das Verformungsverhalten von Werkstoffen wird in Spannungs-Dehnungs-Diagrammen festgehalten. Dabei wird die Kraft auf eine Materialprobe langsam erhöht und die Längenänderung gemessen. Im Diagramm wird die Mechanische Spannung (Kraft geteilt durch Querschnittsfläche) und die Dehnung (Längenänderung relativ zur Ausgangslänge) aufgetragen. Baustähle weisen eine ausgeprägte Streckgrenze auf: Die Spannung steigt zunächst proportional zur Dehnung und fällt dann plötzlich geringfügig ab. Das Maximum der Geraden im Diagramm ist die Streckgrenze, bis zu der Stähle im Gebrauchsfall genutzt werden sollen. Für die Bearbeitung durch Walzen und Schmieden muss sie überschritten werden.

Hochfeste Stähle können Festigkeiten über 1000 N/mm² erreichen. Manche besondere Sorten, wie die für Klavier saiten , erreichen sogar über 1800 N/mm². ^{[62] [63] [64]} Stahl ist somit weit fester als Holz, Beton und Stein. Die auf die Dichte bezogene Festigkeit, die Spezifische Festigkeit , ist bei Stahl sehr hoch gegenüber diesen Werkstoffen. Konstruktionen aus Stahl sind somit bei gegebener Tragfähigkeit leichter. Übertroffen wird Stahl nur noch von einigen Leichtmetallen wie Aluminium , Magnesium oder Titan . ^[65] Von allen bekannten Werkstoffen zählen Stähle zu denen mit der höchsten Festigkeit. Ähnliche, aber geringere Werte erreichen neben Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen noch CFKs , mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe. ^[66]

Die Bruchdehnung , also die Dehnung beim Bruch (Ende der Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm), kann bei Tiefziehstahl mit geringer Festigkeit 50 % betragen, höherfeste Stähle ( AHSS ) haben in der Regel dagegen geringere Bruchdehnungen; Baustähle dehnen sich also sehr weit, bevor sie brechen. Im Gegensatz dazu brechen Gusseisen und Keramik bei Überschreiten der Festigkeit ohne vorherige plastische Verformung. ^[67]

Der Elastizitätsmodul von gewöhnlichen ferritischen Stählen beträgt 210 GPa (2,1·10 ⁵ N/mm²). Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist er als Steigung der Geraden zu erkennen. Der E-Modul ist damit etwas höher als der von Gusseisen (170 GPa) und deutlich höher als der von Aluminiumlegierungen (70 GPa). Übertroffen wird Stahl nur von wenigen Werkstoffen, darunter Hartmetalle (ca. 500 GPa) und Diamant (900 GPa). ^[68]

Die Härte kann bei Stahl in großen Bereichen variieren und Vickershärten zwischen 80 und 940 HV erreichen. Weichgeglühte Vergütungsstähle erreichen Härten von 150 bis 320 HV (150 bis 300 Brinell , 1 bis 33 Rockwell), vergütete (gehärtete) Vergütungsstähle liegen bei etwa 210 bis 650 HV. Werkzeugstahl erreicht im gehärteten Zustand bis 840 HV. Im Vergleich dazu liegen Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe zwischen 40 und 190 HV, während Hartmetalle 780 bis 1760 HV erreichen. ^[69] Typische Keramiken sind noch härter.

Technologische Eigenschaften

Technologische Eigenschaften beziehen sich auf die Be- und Verarbeitung. Im Einzelnen handelt es sich um die Gießbarkeit, Schmiedbarkeit, Zerspanbarkeit und Schweißbarkeit. Mit Ausnahme der Gießbarkeit sind sie bei den häufig genutzten Sorten gut bis sehr gut.

Gießbarkeit

Stahlgussstück

Gießbarkeit ist die Eignung eines Werkstoffes, durch Gießen verarbeitet zu werden. Gemeint ist hier vor allem das Formgießen , bei dem die Formen schon die Gestalt der späteren Endprodukte enthalten, nicht das Gießen zu Barren.

Stahl lässt sich vergleichsweise schlecht gießen, weshalb er von allen in der Gießerei verwendeten Werkstoffen einen geringen Massenanteil hat und sowohl von Gusseisen als auch von Aluminium deutlich übertroffen wird, da sich beide viel besser gießen lassen. 2011 ^[70] wurden in Deutschland ca. 220.000 Tonnen Stahl in Gießereien genutzt, während es bei Gusseisen ca. 4,2 Mio. Tonnen und bei Aluminium 840.000 Tonnen waren.

Spezielle Stahlsorten für Gießereien werden als Stahlguss bezeichnet. Er neigt zu Warmrissen , die nur mit gießtechnischer Erfahrung beherrschbar sind. Außerdem ist der Schmelzpunkt mit 1580 °C bis 1680 °C sehr hoch (Gusseisen 1100 °C, Aluminiumgusslegierungen um 600 °C), was zu einem hohen Energiebedarf beim Schmelzen führt und zu hohen thermischen Belastungen der Formen und Anlagen. Stahl neigt beim Formgießen zu Oberflächenanbrennungen mit der Form und es sind große Speiser nötig um den Volumenverlust bei der Abkühlung in der Form auszugleichen. Nach dem Erstarren lassen sich die Speiser nur schwer wieder abtrennen. Gegossene Werkstücke aus Stahl sind wegen des hohen Fertigungsaufwandes etwa dreimal teurer als solche aus Gusseisen, obwohl wegen der höheren Festigkeit weniger Material benötigt wird. ^[71]

Schmiedbarkeit und Umformbarkeit

Schmieden von glühendem Stahl

Umformbarkeit ist die Eignung eines Werkstoffes, sich durch die Verfahren der Umformtechnik bearbeiten zu lassen. Das mit Abstand wichtigste Verfahren der Gruppe ist das Schmieden , weshalb auch von Schmiedbarkeit gesprochen wird. Zu der Gruppe zählen aber auch das Biegen , Walzen , Tiefziehen , Fließpressen und viele weitere.

Die Umformbarkeit ist umso besser, je geringer die nötigen Kräfte sind und je stärker sich der Werkstoff verformen kann, ohne zu brechen oder reißen. Die zur Umformung benötigte Kraft wird üblicherweise auf die Querschnittsfläche bezogen und als Fließspannung angegeben. Die maximale Dehnung, die ein Werkstoff ertragen kann, ist die Bruchdehnung .

Bei einfachen Baustählen ist die Fließspannung vergleichsweise gering und die Bruchdehnung sehr hoch. Bei hochfesten Stählen ist die Fließspannung naturgemäß höher, es werden aber auch deutlich festere Werkstoffe geschmiedet, darunter Titan-, Nickel- und Kobalt-Legierungen. Die Bruchdehnung ist meist umso kleiner je fester ein Stahl ist. Eine Ausnahme sind die TRIP-Stähle mit geringer bis mittlerer Fließspannung und hoher Bruchdehnung. Bei den meisten Stahlsorten ist die Fließspannung als gering einzustufen. Dazu zählen neben den Baustählen die Warmarbeitsstähle und Automatenstähle. Aluminium- und Magnesiumlegierungen liegen in einem ähnlichen Bereich. Die Bruchdehnung kann jedoch stärker schwanken: Bei Automatenstählen ist sie sehr gering, bei Warmarbeitsstählen fast genauso gut wie bei Baustählen.

Beim Kaltumformen steigt die Fließspannung und somit auch die nötige Kraft je höher der Umformgrad (die Verformung) ist. Der Effekt wird als Kaltverfestigung bezeichnet und kann genutzt werden um besonders feste Werkstücke zu schmieden. Der genaue Zusammenhang zwischen Fließspannung und Umformgrad wird in Fließkurven festgehalten. Bei höheren Temperaturen sinkt bei fast allen Stählen sowohl die Fließspannung als auch die Verfestigung. Beim Warmumformen steigt die Fließspannung bereits bei geringen Umformgraden gar nicht mehr. Bei Stählen tritt dies bei Temperaturen von etwa 1100 °C auf. ^{[72] [73] [74]}

Zerspanbarkeit

Fräsen von Stahl

Die Zerspanbarkeit ist die Eignung eines Werkstoffes, sich durch Zerspanen ( Fräsen , Bohren , Schleifen ) bearbeiten zu lassen. Sie hängt ab vom Kohlenstoffgehalt, den sonstigen Legierungselementen und dem Wärmebehandlungszustand. Stähle mit einem sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt neigen zum Verkleben mit der Schneide und bilden lange Bandspäne, die sich in der Maschine verfangen können. Sie führen jedoch zu geringen Zerspankräften, aber auch zu schlechten Oberflächen. Bei mittleren Kohlenstoffgehalten (0,2 % bis 0,6 %) gibt es keine Probleme mit Verklebungen. Die Schnittkräfte steigen, die Oberflächen werden besser und die Späne kürzer. Dafür nimmt der Verschleiß der Werkzeuge zu. Stähle mit einem hohen Kohlenstoffgehalt führen zu hohen Kräften und Temperaturen sowie zu einem hohen Verschleiß. Die Oberflächenqualität und der Spanbruch sind jedoch gut. Elemente wie Phosphor, Blei und Schwefel begünstigen die Zerspanbarkeit, festigkeitssteigernde Elemente wie Nickel verringern sie. Im weichen (normalgeglühten) Zustand sind die meisten Stähle relativ gut zu zerspanen, im vergüteten oder gehärteten Zustand ist der Verschleiß dagegen sehr hoch, was teure Werkzeuge aus Schneidkeramik oder Bornitrid erfordert.

Schweißeignung

Schweißen

Die Schweißeignung gibt an, wie gut sich ein Werkstoff schweißen lässt. Vor allem die un- und niedrig legierten Baustähle lassen sich sehr gut schweißen, was ein wichtiger Grund für ihre weite Verbreitung ist, da Verbinden durch Schweißen deutlich kostengünstiger ist als durch andere Verbindungstechniken wie Schrauben oder Nieten. Höherlegierte Stähle können beim Schweißen problematisch sein. Als grobe Abschätzung, ob ein Stahl geschweißt werden kann, kann das Kohlenstoffäquivalent genutzt werden, das den unterschiedlichen Einfluss der verschiedenen Legierungselemente berücksichtigt. Aluminium lässt sich meist deutlich schlechter schweißen als Stahl. ^[75]

Struktureller Aufbau

Die Mikrostruktur bestimmt bei Stahl, wie bei vielen Werkstoffen, in hohem Maße die mechanischen Eigenschaften, vor allem die Härte und Festigkeit. Die meisten Stähle bestehen neben Eisen und Kohlenstoff noch aus zahlreichen weiteren Elementen, die zumindest als Verunreinigung enthalten sind – die Stahlbegleiter – oder gewollt zulegiert werden, die Legierungselemente . Die Mikrostruktur ist daher relativ kompliziert, beruht aber im Wesentlichen auf der Struktur der reinen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen (insbesondere bei un- und niedrig legiertem Stahl). Deren Struktur basiert wiederum auf derjenigen von reinem Eisen. ^[76]

Eisenatome liegen wie bei allen Metallen im festen Zustand in einer regelmäßigen Anordnung vor. Unter 911 °C befinden sich die Eisenatome in den Ecken eines gedachten Würfels, in dessen Mitte sich ein weiteres Eisenatom befindet. Diese Struktur wiederholt sich in sämtliche Richtungen theoretisch beliebig oft und wird allgemein als kubisch raumzentriert bezeichnet, im Falle von Eisen auch als ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\alpha </span></span>}}${\displaystyle \alpha } -Eisen. Oberhalb von 911 °C liegt Eisen in der sogenanntenkubisch flächenzentrierten Form vor, bei der wieder in den Ecken eines gedachten Würfels Atome sitzen, aber diesmal zusätzlich in der Mitte jeder Würfelfläche ein weiteres, aber keines in der Mitte des Würfels. Diese Variante wird als ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\gamma </span></span>}}${\displaystyle \gamma } -Eisen bezeichnet. Der für Stahl wesentliche Unterschied ist die unterschiedliche Dichte: In der kubisch flächenzentrierten Form sind die Lücken zwischen den Eisenatomen größer; sie können also leichter durch Atome der Legierungselemente besetzt werden.

Atomgitter von α- und γ-Eisen

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm . Für Stahl ist nur der Bereich bis 2 % C von Bedeutung

Bei reinen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen befindet sich immer Kohlenstoff in den Lücken zwischen den Eisenatomen. ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\alpha </span></span>}}${\displaystyle \alpha } -Eisen mit Kohlenstoffatomen wird allgemein als ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\alpha </span></span>}}${\displaystyle \alpha } - Mischkristall bezeichnet, bei Stahl häufig auch als Ferrit (von lateinisch ferrum = Eisen), während das ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\gamma </span></span>}}${\displaystyle \gamma } -Eisen mit eingelagertem Kohlenstoff als ${\displaystyle \mathrm{<span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\gamma </span></span>}}${\displaystyle \gamma } -Mischkristall bezeichnet wird und bei Stahl Austenit genannt wird nach William Austen . Austenit kann je nach Temperatur sehr viel Kohlenstoff enthalten, maximal 2,06 Massenprozent , während Ferrit nur maximal 0,03 % Kohlenstoff enthalten kann. Die Temperatur, bei der sich Austenit in Ferrit umwandelt, hängt vom Kohlenstoffgehalt ab und lässt sich aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm entnehmen. In beiden Fällen kommt es zu einer Mischkristallverfestigung , also einer Steigerung der Festigkeit. Außer im Eisen-Mischkristall kann Kohlenstoff noch in zwei weiteren Formen vorliegen, insbesondere wenn mehr Kohlenstoff vorhanden ist als im Mischkristall aufgenommen werden kann: Grafit und Zementit . Als Grafit werden Bereiche bezeichnet, die nur aus Kohlenstoff bestehen, während Zementit eine chemische Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff mit der Formel Fe ₃ C ist. Grafit entsteht vor allem bei langsamer Abkühlung nach dem Gießen oder Glühen, während der harte und spröde Zementit bei schneller Abkühlung entsteht. Sie führen zu keiner Festigkeitssteigerung.

Weitere Legierungselemente können in verschiedenen Formen im Stahl vorliegen:

• Als Mischkristall: Elemente, deren Atome sehr viel kleiner sind als die von Eisen (wie Kohlenstoff, Wasserstoff oder Stickstoff), besetzen die Lücken zwischen den Eisenatomen ( Einlagerungsmischkristall ). Größere Atome befinden sich statt eines Eisenatomes im Eisengitter ( Austauschmischkristall ). Auch diese erhöhen die Festigkeit.
• Sie können weitere chemische Verbindungen bilden, häufig zusammen mit Kohlenstoff die Karbide , z. B. Wolframcarbid oder Vanadiumcarbid , teils auch untereinander. Gleichzeitiges Legieren von Schwefel und Mangan führt zur Bildung von Mangansulfid . Manche Elemente verbinden sich auch bevorzugt mit Eisen. Die Wirkung dieser Verbindungen ist im Einzelnen sehr verschieden: Manche sind für die Wärmebehandlung von Bedeutung, andere erhöhen die Härte und Verschleißfestigkeit, andere senken die Festigkeit und verspröden den Stahl.
• Sie können kleine Partikel bilden, die nur aus dem jeweiligen Element bestehen. Dies trifft nur auf wenige Elemente zu darunter Blei, Grafit und Kupfer. Sie verringern meist die Festigkeit.

Wärmebehandeln und Veränderung von Stahleigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften des Stahls (Härte, Festigkeit) können auf verschiedene Weisen verändert werden:

• Kaltumformen : Durch Schmieden, Walzen, Ziehen und verwandte Verfahren steigt die Festigkeit bei allen Metallen und Legierungen sofern die Temperatur unterhalb einer werkstoffabhängigen Grenze liegt. Die Verfestigung kann gewünscht sein und gezielt genutzt werden um besonders feste Werkstücke herzustellen, sie kann aber auch unerwünscht sein, wenn bei der Bearbeitung zu große Eigenspannungen entstehen. Durch ein nachträgliches Glühen können die Eigenspannungen abgebaut werden und somit die gewünschten Gebrauchseigenschaften eingestellt werden.
• Legieren : Zulegieren verschiedener Elemente erhöht im Allgemeinen die Festigkeit. Manche Elemente wie Phosphor und Schwefel verspröden den Werkstoff. Blei hat bei Raumtemperatur kaum Auswirkungen, senkt aber die Festigkeit bei hohen Temperaturen. Chrom und Nickel verbessern bei gewissen Mindestgehalten die Korrosionsbeständigkeit .
• Wärmebehandeln : Dadurch können Härte und Festigkeit auf vielfältige Weise geändert werden. Vor der Bearbeitung kann Stahl weichgeglüht werden um die Bearbeitungskräfte zu senken, danach ist Härten möglich um die Verschleißfestigkeit vor dem Gebrauch zu erhöhen. Der Werkstoff kann über den gesamten Querschnitt gehärtet werden, wobei er auch spröder wird, oder nur in den Randschichten, während die inneren Bereiche zäh und fest bleiben.

Die Wärmebehandlungsverfahren werden in mehrere Gruppen eingeteilt:

• (rein) thermische Verfahren: z. B. Glühen
• thermochemische Verfahren: Dabei wird die chemische Zusammensetzung des Stahls geändert, typischerweise nur der oberflächennahen Bereichen
• thermomechanische Verfahren: Sie kombinieren eine mechanische (Walzen, Schmieden) mit einer thermischen Bearbeitung.

Thermische Verfahren

Glühkurve Spannungsarmglühen

Thermische Verfahren ändern die Mikrostruktur durch rein thermische Einflüsse, ohne zusätzlich die chemische Zusammensetzung zu ändern und ohne gleichzeitige mechanische Bearbeitung. ^[77]

• Glühen : Zum Glühen zählt eine Reihe von Verfahren bei denen die Werkstücke zuerst erwärmt werden, eine gewisse Zeit auf Glühtemperatur gehalten werden und schließlich abgekühlt werden. Verfahrensparameter sind vor allem die Glühtemperatur- und -dauer, sowie die Abkühlgeschwindigkeit. Die genauen Ergebnisse hängen mit der jeweiligen Legierungszusammensetzung und ihrem genauen Zustand ab. Vorangegangene Wärmebehandlungen können größeren Einfluss auf das Ergebnis haben.
  • Spannungsarmglühen , verringert oder beseitigt durch umformende Bearbeitung entstandene Eigenspannungen und wird bei relativ geringen Temperaturen von 550 °C bis 660 °C für 2 bis vier Stunden durchgeführt. Andere Eigenschaftsänderungen werden vermieden.
  • Weichglühen , verringert die Härte, vor allem um die nachfolgende spanende Bearbeitung zu erleichtern. Lamellarer Zementit wandelt sich dabei in eine kugelige Form um.
  • Normalglühen (Normalisieren) erzeugt ein gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge. Gefügeveränderungen durch vorangegangene Bearbeitungen werden dadurch beseitigt.
  • Grobkornglühen vergrößert Körner im Gefüge, was mit einem Abfall der Festigkeit verbunden ist. Es wird vor einer spanenden Bearbeitung angewandt.
  • Diffusionsglühen verringert ungleichmäßige Verteilungen der Legierungsbestandteile. Durch Diffusion wandern Atome von Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen niedriger Konzentration. Meist entsteht dadurch Grobkorn, das durch Warmumformung (Schmieden) oder Normalisieren beseitigt werden kann.
  • Rekristallisationsglühen dient zur Beseitigung der Kaltverfestigung und verbessert dadurch die Umformbarkeit stark verformter Werkstoffe.
• Härten ist eine Prozessfolge aus Austenitisieren (um 800 °C), Abschrecken (schnelles Abkühlen) und Anlassen (Erwärmen auf 180 bis 300 °C). Durch das Abschrecken wird der Stahl sehr hart, aber auch spröde. Das anschließende Anlassen verringert die Sprödigkeit. Kohlenstoffgehalte ab 0,2 %.
• Vergüten ist mit dem Härten verwandt. Das Anlassen erfolgt bei 450 bis 650 °C, Kohlenstoffgehalte zwischen 0,3 % und 0,8 %.
• Bainitisieren : Erzeugung von Bainit im Gefüge.
• Randschichthärten : Die Randschichten werden dabei schnell erwärmt während die inneren Schichten wegen der begrenzten Wärmeleitfähigkeit kalt bleiben. Varianten sind das Flammhärten , Induktionshärten , Laserstrahlhärten und Elektronenstrahlhärten .

Thermochemische Verfahren

Aufbau nitrierter Schichten: Oben die Randschicht, unten das Innere des Werkstoffes

Sie verändern den Stahl auch chemisch. Folgende Verfahren werden angewandt: ^[78]

• Aufkohlen erhöht den Kohlenstoffgehalt, vor allem in den Randschichten, was Härte und Festigkeit erhöht.
• Carbonitrieren erhöht den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Randschicht.
• Nitrieren bildet in der Randschicht Nitride (Stickstoffverbindungen).
• Einsatzhärten besteht aus der Folge Aufkohlen, Härten, Anlassen. Die entsprechenden Stähle werden als Einsatzstahl bezeichnet.
• Borieren ist ein Härteverfahren das auf dem Einbringen von Bor basiert.

Thermomechanische Verfahren

Thermomechanische Verfahren basieren auf einer mechanischen Bearbeitung (Schmieden, Walzen) kombiniert mit einer Wärmebehandlung. Von Bedeutung ist das Austenit formhärten , das zur Festigkeitsteigerung dient. ^[79]

Literatur

• Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Hrsg.): Werkstoffkunde Stahl, Band 1: Grundlagen. Springer-Verlag , Berlin/ Heidelberg/ New York/ Tokyo 1984, ISBN 3-540-12619-8 , und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1984.
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Hrsg.): Werkstoffkunde Stahl, Band 2: Anwendungen. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York/ Tokyo 1985, ISBN 3-540-13084-5 , und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1985.
• Claus und Micah Wegst: Stahlschlüssel – Key to Steel 2010 Nachschlagewerk. Verlag Stahlschlüssel, 2010, ISBN 978-3-922599-26-5 .
• Industrieverband Massivumformung: Neue Stähle für die Massivumformung. Inforeihe Massivumformung, Hagen 2012, ISBN 978-3-928726-28-3 .
• Theisen Berns: Eisenwerkstoffe. 4. Auflage. Springer, 2013.

Weblinks

Wikibooks: Werkstoffkunde Metall/ Eisen und Stahl – Lern- und Lehrmaterialien

Wiktionary: Stahl – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons : Stahl – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikiquote: Stahl – Zitate

• Literatur von und über Stahl im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• Stahl Informationszentrum
• Stahlseite: Fotografien zu fast allen Verfahren der Stahlerzeugung und Stahlverarbeitung
• Transport-Informations-Service: Fachinformationen zum Transport von Stahl
• Hüttenwerke Krupp Mannesmann Flash-Animation „Wege der Stahlerzeugung“
• Beste verfügbare Techniken – (BVT). Download der BVT-Merkblätter und Durchführungsbeschlüsse. ( Memento vom 17. Juli 2013 im Internet Archive ) Bei: Umweltbundesamt.de.
• Patrick Chudalla, Thomas Stahl: Vom Eisenerz zum Stahl. Auf www.fh-muenster.de [1]

Einzelnachweise

1. ↑ Siehe Abschnitt #Definitionen
2. ↑ nssmc.com, Nippon Steel Technical Report No. 80, July 1999 (PDF, 333 kB)
3. ↑ Kluge. Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache . Bearbeitet von Elmar Seebold . 25., durchgesehene und erweiterte Auflage. Walter de Gruyter, Berlin/Boston 2011, ISBN 978-3-11-022364-4 , S. 875.
4. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band I, Propyläen, Berlin 1997, S. 419–421.
5. ↑ Friedrich Cornelius : Geistesgeschichte der Frühzeit. Band 1, Verlag Brill Archive, 1960, S. 132.
6. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 98 f.
   Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 49–51.
7. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 99 f.
8. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 57 f.
9. ↑ Alex R. Furger: Antike Stahlerzeugung. Ein Nachweis der Aufkohlung von Eisen aus Augusta Raurica. LIBRUM Publishers & Editors, Basel/Frankfurt am Main 2019, ISBN 978-3-906897-28-8
10. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 67, 70 f., 77.
    Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Propyläen, Berlin 1997:
    • Band 1, S. 346–408, 419–435.
    • Band 2, S. 76–107.
11. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 68, 79–81.
    Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Propyläen, Berlin 1997, Band I, S. 423–425 (Damast), Band II 390 (Gusseisen).
12. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 69 f., 79-81.
    Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 2, Propyläen, Berlin 1997, S. 377, 391.
13. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 69, 85–88.
14. ↑ Beispiel Solingen: Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 76.
    Regionale Verteilung allgemein: Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 1, Propyläen, Berlin 1997, S. 426.
15. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 383.
16. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 330.
17. ↑ Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 103.
18. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 383 f., 397.
19. ↑ Gottfried Pumpe: Chemische Industrie. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 161–163.
20. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 127–129.
    Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 390–393, 395.
21. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 129.
    Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 397.
22. ↑ Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, S. 130.
    Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 399 f., 406 f.
    Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 101–103.
23. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 402 f.
    Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 100–103.
24. ↑ Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 103–109.
25. ↑ Lothar Gall (Hrsg.): Enzyklopädie Deutscher Geschichte. Band 79, Christian Kleinschmidt: Technik und Wirtschaft im 19. und 20. Jahrhundert S. 17f.
26. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band IV, Propyläen, Berlin 1997, S. 71–78, 286f.
27. ↑ Martina Heßler: Kulturgeschichte der Technik. Campus Verlag, Frankfurt/ New York, S. 47 f.
28. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 4, Propyläen, Berlin 1997, S. 288 f., 427–431.
29. ↑ Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 111 f.
30. ↑ Lothar Gall (Hrsg.): Enzyklopädie Deutscher Geschichte – Band 79. Christian Kleinschmidt: Technik und Wirtschaft im 19. und 20. Jahrhundert. Oldenbourg, 2007, S. 18, 23.
31. ↑ Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 115–119.
32. ↑ Ulrich Wengenroth: Elektroenergie. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 342.
33. ↑ Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 118.
34. ↑ Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 5, Propyläen, Berlin, 1997, S. 46.
35. ↑ stahl-online.de
36. ↑ stahl-online.de
37. ↑ Stahlinstitut VDEh (Hrsg.): Stahlfibel , Verlag Stahleisen, 2007, S. 162.
38. ↑ ^{a b c} stahl-online.de abgerufen am 13. Juni 2017.
39. ↑ world-aluminium.org
40. ↑ Stahl und Nachhaltigkeit. (PDF) Abgerufen am 21. Dezember 2015 .  
41. ↑ Werkstoffkunde Stahl – Band 1, S. 4 f.
42. ↑ Stahlfibel, S. 2.
43. ↑ Eckhard Ignatowitz: Chemie für Schule und Beruf. Ein Lehr- und Lernbuch. 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel Nourney, Haan-Gruiten 1999, ISBN 3-8085-7054-7 , S. 142.
44. ↑ Stahlproduktion: Sauerstoff-Konverter vor Elektroofen. Bei: stahl-online.de.
45. ↑ Kun He, Li Wang: A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry . In: Renewable and Sustainable Energy Reviews . 2016, doi : 10.1016/j.rser.2016.12.007 .  
46. ↑ Manfred Fischedick ua: Techno-economic evaluation of innovative steel production technologies. In: Journal of Cleaner Production . 84, 2014, S. 563–580, S. 564, doi:10.1016/j.jclepro.2014.05.063 .
47. ↑ Stahlschrottbilanz 2014: Stahlrecyclingwirtschaft musste Rückgang des Gesamtversands um 1,7 Prozent verkraften. ( Memento vom 2. April 2015 im Internet Archive ; PDF) bdsv.org, Pressemitteilung, 23. März 2015.
48. ↑ https://www.sueddeutsche.de/wirtschaft/kreislaufwirtschaft-fuer-die-tonne-1.5004792
49. ↑ Multireycling of steel. (PDF) Bei: stahl-online.de. (PDF; 1,03 MB).
50. ↑ Ökobilanz nach ISO 14040/44 für das Multirecycling von Stahl. (PDF) Bei: stahl-online.de. (PDF; 1,3 MB).
51. ↑ Lohnt sich Alu-/Weißblech-Recycling? (PDF) Bei: kopytziok.de. (PDF; 92 kB).
52. ↑ Steels: Facts, Figures, Environment and Green Steels. Bei: dierk-raabe.com.
53. ↑ Recycling Rates of Metal. (PDF) Bei: unep.org. (PDF; 2,4 MB).
54. ↑ Sachstandsbericht zum Stahlrecycling im Bauwesen. (PDF) Bergische Universität Wuppertal (PDF).
55. ↑ Weißblech-Recyclingquote: 93,7 %. Auf: stahl-online.de.
56. ↑ Eintrag Stahl , BiBuch – Zweisprachiges Informationsportal für Industrie und Technik; abgerufen im März 2019.
57. ↑ B. Ilschner, RF Singer: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik. 5. Auflage. Springer, 2010, S. 438 f., 441–445.
58. ↑ Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulz (Hrsg.): Werkstoffkunde. 11. Auflage. Springer, 2012, S. 239–284.
59. ↑ ^{a b} C-Stahl Produktdatenblatt ( Memento vom 17. Dezember 2010 im Internet Archive ), ThyssenKrupp Steel Europe, abgerufen im Juli 2013.
60. ↑ Dr.-Ing. Hans-Joachim Wieland: Information Erzeugnisformen (PDF) S. 1, Stahl-Zentrum; In: stahl-online.de. Abgerufen im Oktober 2019
61. ↑ Metallische Werkstoffe – Physikalische Eigenschaften
62. ↑ nssmc.com (PDF)
63. ↑ H. Czichos, B. Skrotzki, F.-G. Simon: Das Ingenieurwissen – Werkstoffe. Springer, 2014, S. 66.
64. ↑ google.com.pg
65. ↑ B. Ilschner, RF Singer: Werkstofftechnik und Fertigungstechnik. Springer, 2010, S. 433 f.
66. ↑ H. Czichos, B. Skrotzki, F.-G. Simon: Das Ingenieurwissen – Werkstoffe. Springer, 2014, S. 59.
67. ↑ Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulz (Hrsg.): Werkstoffkunde. 11. Auflage. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-17716-3 , S. 241, 248.
68. ↑ H. Czichos, B. Skrotzki, F.-G. Simon: Das Ingenieurwissen – Werkstoffe. Springer, 2014, S. 62.
69. ↑ H. Czichos, B. Skrotzki, F.-G. Simon: Das Ingenieurwissen – Werkstoffe. Springer, 2014, S. 71.
70. ↑ Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Urformen. Hanser, 2014, S. 16.
71. ↑ Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 24, 34.
72. ↑ Eckart Doege, Bernd-Arno Behrens: Handbuch Umformtechnik. 2. Auflage. Springer, 2010, S. 438–440.
73. ↑ Hartmut Hoffmann, Reimund Neugebauer, Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Umformen. Hanser, 2012, S. 253.
74. ↑ Werkstoffkunde Stahl – Band 1: Grundlagen. 1984, S. 564–615, insb. 564 f., 567, 576.
75. ↑ B. Ilschner, RF Singer: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik. 5. Auflage. Springer, 2010, S. 387.
76. ↑ Hans Berns, Werner Theisen: Eisenwerkstoffe. 4. Auflage. Springer, 2013, S. 3–15.
77. ↑ Alfred Böge (Hrsg.): Handbuch Maschinenbau. 21. Auflage. Springer, 2013, S. E35–E40.
78. ↑ Alfred Böge (Hrsg.): Handbuch Maschinenbau. 21. Auflage. Springer, 2013, S. E40f.
79. ↑ Alfred Böge (Hrsg.): Handbuch Maschinenbau. 21. Auflage. Springer, 2013, S. E41f.