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Stahl

»Stahl« ist ein homogener Baustoff von gleichmäßiger physikalischer Beschaffenheit. Unter Stahl versteht man jedes hüttenmännisch hergestellte, unlegierte oder mit den verschiedensten Elementen legierte Eisen mit Kohlenstoffgehalten von bis zu etwa 2 %. Stahl lässt sich ohne besondere Vorbereitung walzen oder schmieden. Die Herstellung von Stahl wird ständig überwacht und seine chemischen und physikalischen Eigenschaften dauernd überprüft. Die hervorstechende Eigenschaft des Stahles ist sein großes Tragvermögen, verbunden mit einem guten elastischen Verhalten. Eine große plastische Reserve, die mit einer erheblichen Zunahme der Tragfähigkeit einhergeht, verringert im Katastrophenfall das Risiko, da Überlastungen vom Material gut aufgenommen werden.

Die Eigenschaften von Stahl sind bei der Herstellung durch Änderung der Legierungszusammensetzung, d.h. durch eine Änderung des Kohlenstoffgehalts beziehungsweise -gefüges und durch Zusatz von weiteren Elementen (vor allem Metalle), in großen Bereichen variierbar. Bei einem Kohlenstoffgehalt über 2 % wird der Stahl spröde und verliert seine Verformbarkeit. Eisen mit einem höheren Kohlenstoffgehalt bezeichnet man als Gusseisen oder Roheisen. Wird der Stahl außer mit Kohlenstoff noch mit anderen Elementen zu bestimmten Prozentanteilen legiert, spricht man von legiertem Stahl, z. B. Chromstahl, Manganstahl, Nickelstahl. Stahl mit einem Gesamtgehalt an Legierungselementen über 5 % gilt als hochlegierter Stahl. Stahl mit einem niedrigeren Gehalt an Legierungselementen als in der Euronorm festgelegt wird als unlegierter Stahl bezeichnet.

Innerhalb der Hauptgruppen der legierten beziehungsweise unlegierten Stähle unterscheidet man zwischen Grundstahl, Qualitätsstahl und Edelstahl. Neben der Stahlsorte ist auch die Erzeugnisform für eine Unterscheidung wichtig. Es gibt aus dem Rohstahl hergestellte Halbzeuge und Walzstahlfertigerzeugnisse, z. B. Bandstahl, Profilstahl und Walzdraht.

Die zulässigen Spannungen liegen unterhalb der Streckgrenze im elastischen Bereich. Aber selbst dann, wenn die Streckgrenze erreicht wird, ist die Tragfähigkeit keinesfalls erschöpft. Die Formänderungen nehmen dann zwar schneller zu, aber der Bruch tritt noch lange nicht ein (vgl. Abb. oben).

Die Herstellung von Stahl aus dem im Hochofen gewonnenen Roheisen, zum Teil unter Zusatz von Schrott, beruht im Wesentlichen darauf, dass die im Roheisen gelösten unerwünschten Begleitelemente des Eisens, vor allem Kohlenstoff, daneben auch Mangan, Silizium, Phosphor und Schwefel, durch Frischen in Form von Schlacke oder gasförmigen Verbindungen ganz oder teilweise entfernt werden. Hierzu sind bei den Blasverfahren als ältere Verfahren vor allem das Bessemer-Verfahren und das Thomas-Verfahren zu nennen, bei denen das Roheisen in Konvertern durch Einblasen von Luft vom Konverterboden aus gefrischt wird (Windfrischverfahren). Große technische Bedeutung haben heute die so genannten Sauerstoffblasverfahren, vor allem das für phosphorarmes Roheisen geeignete LD-Verfahren, mit dem heute weltweit der meiste Stahl hergestellt wird.

Ein wichtiges Konkurrenzverfahren zur Sauerstoffaufblasmetallurgie ist das OBM-Verfahren (Oxygen-Bottom-Maximilianshütte-Verfahren; benannt nach der Eisenwerk-Gesellschaft Maximilianshütte mbH, Sulzbach-Rosenberg) ein Sauerstoffdurchblasverfahren mit Schutzmedium für den Sauerstoffstrahl.

Herdfrischverfahren sind das Siemens-Martin-Verfahren, bei dem die unerwünschten Begleitstoffe durch Einwirkung heißer, oxidierender Flammengase und durch die Frischwirkung des von Schrott oder oxidiertem Eisenerz abgegebenen Sauerstoffs entfernt werden, und das Elektrostahlverfahren, d.h. die Herstellung von Elektrostahl in Elektroschmelzöfen wie Lichtbogen- oder Induktionsöfen. In den letzten Jahren gewann die Stahlherstellung durch Direktreduktion von Eisenerzen zunehmende Bedeutung.

Ein Nachteil des Baustoffs Stahl soll hier jedoch nicht verschwiegen werden:

Stahl reagiert sehr empfindlich auf steigende Temperaturen, im Brandfall versagt Stahl sehr schnell und dann ohne Vorankündigung im Gegensatz zum Holz, welches durch Knistern rechtzeitig darauf hinweist, dass die Tragreserven bald aufgebraucht sind. Stahlträger müssen daher hinsichtlich des Brandschutzes insbesondere in größeren Gebäuden grundsätzlich mit Brandschutzplatten verkleidet oder mit Beton ummantelt werden, bei geringeren Sicherheitsanforderungen (F 30) sind auch spezielle Anstriche möglich.

Zu diesem Thema haben wir den folgenden interessante Bericht in der Zeitschrift „Mobil - Das Magazin der Bahn“, Nr. 12/05 gefunden:

Ausgekocht

In ihrer Vielfalt ist die deutsche »Stahlküche« kaum zu überbieten. Mehr als 2000 verschiedene Stahlsorten stehen auf der Karte. Ihre Eigenschaften sind jeweils auf ganz genau definierte Anwendungen zugeschnitten. Und immer wieder werden die Rezepturen ein Stück weiter verfeinert. Ein Stück? Dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf, einem 50:50 Joint Venture der Max-Planck-Gesellschaft und der Mitgliedsunternehmen des Stahlinstituts VDEh, ist die Kreation neuer Stahlsorten mit einer bislang unerreichten Kombination von Eigenschaften gelungen.

Jahrelang wurden in der metallurgischen »Stahlküche« des MPIE Stähle zubereitet und abgeschmeckt, bis die Wissenschaftler mit dem Ergebnis zufrieden waren. Heraus kam ein raffiniertes Fünf-Sterne-Menü neuartiger »Leichtbaustähle«, zum Beispiel für den Fahrzeugbau. Diese Stähle sind extrem fest und gleichzeitig besonders dehnfähig.

Als sich das Team um Prof. Frommeyer daran machte, solche Stähle zu entwickeln, experimentierte man mit den Zutaten: Silizium, Aluminium und vor allem Mangan. Diese Mischung sollte definierte Kristallstrukturen bilden, die dem Stahl die gewünschten Eigenschaften verleihen, und ein niedriges spezifisches Gewicht aufweisen. Doch bis die Spezialisten im Max-Planck-Institut ihr Rezept so perfektioniert hatten, dass die angestrebte räumliche Anordnung der Atome tatsächlich entstand und dann auch immer wieder genau so reproduziert werden konnte - die Stahlmenüs also immer gleich gut schmeckten - vergingen immerhin fast fünf Jahre. Es kam nämlich nicht nur auf die exakten Mengen der Zutaten, sprich Legierungselemente, an, sondern auch auf die Art der Zubereitung.

Stahlgourmets finden heute die Ergebnisse auf der Menükarte der Sterne-Stahlköche. Als besonders fest erwies sich zum Beispiel ein Stahl aus dieser Familie, der Zugkräften von etwa 1.100 Megapascal widersteht - als ob zehn Elefantenbullen an einem Strang mit dem Querschnitt einer Briefmarke hängen würden. Trotz seiner Festigkeit erlaubt dieser Stahl eine Dehnung um 50 Prozent.

Ein anderer Stahl ist nicht so fest, lässt sich aber um 90 Prozent in die Länge ziehen, ohne zu zerreißen. Frommeyer: „Eine solche Duktilität, also Dehnbarkeit, erreicht nicht einmal Gold, das als ausgesprochen duktil gilt. Bei 60 Prozent Dehnung ist Schluss.

Bei den Stahlerzeugern besteht großes Interesse an diesen Stählen. Die Hersteller gehen davon aus, dass die neuen Legierungen zum Beispiel in der Automobilindustrie bei Fahrzeuggenerationen im nächsten Jahrzehnt zum Einsatz kommen werden, verringern sie doch das Fahrzeuggewicht, tragen damit zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei und erhöhen die Sicherheit.

Und was könnte der nächste Menüvorschlag sein? Wie wäre es mit einem Rezept für Stähle mit Formgedächtnis? Eine kleine Beule im Auto könnte dann mittels einer Heißluftpistole selbst repariert werden, weil sich beim »Föhnen« das erwärmte Blechteil an seine ursprüngliche Form erinnert und diese wieder annimmt. Das wäre in der Tat noch ausgekochter.

siehe auch:
- Aluminium
- Betonstahl
- Blei
- Edelstahl
- Eisen
- Eisenkunstguss
- Korrosion
- Kupfer
- Oxidation
- Puddelstahl
- Rost
- Stahl- und Eisenbau
- Stahlprofile
- T-Eisen
- Titanzink
- Trapezblech
- Wellblech