Stahl

Als Stahl (aus ahd. stahel / stāl; auch in mnd. stāl, mnl. stael und an. stál; verwandt mit as. stehli ‚Axt‘ und ae. stīle; weitere Herkunft nicht gesichert)<ref>Etymologie nach: Friedrich Kluge: Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache. Bearbeitet von Elmar Seebold. 24. durchgesehene und erweiterte Auflage. Walter de Gruyter, Berlin u. a. 2002, ISBN 3-11-017473-1, S. 874.</ref> werden metallische Legierungen bezeichnet, deren Hauptbestandteil Eisen ist und die (im Unterschied zum Gusseisen) umformtechnisch verarbeitet werden können. Genauere Definitionen sind nicht einheitlich, einige sind durch die heutige Vielfalt an technischen Legierungen ungenau geworden. Häufig anzutreffen ist die Definition nach DIN EN 10020:2000–07, nach der der Kohlenstoffgehalt der Eisenlegierung im Allgemeinen kleiner als 2,06 % sein muss, mit Ausnahme einer begrenzten Anzahl an Chromstählen.

Diese allgemeine, seit dem frühen 20. Jahrhundert gebräuchliche Definition umfasst mit dem Begriff Stahl auch das damals kaum mehr produzierte Schmiedeeisen, das ebenfalls einen Kohlenstoff-Gehalt von unter 2,06 % hatte. Der Begriff Schmiedeeisen beschreibt nicht die Bestandteile der Legierung, sondern die über viele Jahrhunderte entwickelten Verfahren zur Herstellung verformbarer Eisenteile, die im Wesentlichen auf unterschiedlichen Arten des Frischens von Eisen-Luppen und anschließendem Schmieden beruhten. Zwar hat Schmiedeeisen ähnliche Kohlenstoffanteile wie heutiger Stahl, ist aber aufgrund einer geringfügig abweichenden Legierung mit anderen Stoffen und den nicht restlos entfernten Schlacketeilen nicht identisch mit modernem Stahl.

Einfacher härtbarer Stahl wurde bereits bei den Hethitern<ref>Friedrich Cornelius: Geistesgeschichte der Frühzeit. Band 1, Verlag Brill Archive, 1960, S. 132.</ref> vor ca. 3500 Jahren z. B. für Waffen hergestellt. Heute wird er mit verschiedenen vorbestimmten Eigenschaften (Festigkeit, Korrosionsverhalten, Verformbarkeit, Schweißeignung) angeboten. Im Register europäischer Stähle sind über 2500 Stahlsorten (Stand: 2013) aufgelistet. Kohle und Stahl (Montanindustrie) waren lange Zeit Hauptsäulen der Schwerindustrie und Grundlage für die politische Macht eines Staats. Weltweit werden jährlich etwa 1,6 Mrd. t Stahl hergestellt (Stand 2014),<ref name="Statistiken">Statistiken. Bei: stahl-online.de.</ref><ref>World Steel In Figures 2015. Abgerufen am 21. Dezember 2015. </ref> damit ist Stahl der mit Abstand meistverwendete metallische Werkstoff.

Definitionen

DIN EN 10020

In der DIN EN 10020:2000–07 wird unter Punkt 2.1 folgende Begriffsbestimmung vorgenommen:

Aktuelle Metallurgie

Als Stahl werden alle technischen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bezeichnet, deren Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 2,06 % liegt und deren Anteil weiterer Elemente deutlich geringer als der des Eisens ist.

Diese Definition leitet sich direkt aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ab. Außerdem werden Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die zusätzliche Karbide im Gefüge besitzen und einen Gesamtkohlenstoffanteil von 2,06 % überschreiten, zu den Stählen gezählt. Allerdings spricht man bei hohen Karbidanteilen nur noch von Eisenbasis-Legierungen, wobei eine Grenze nicht allgemeingültig festgelegt ist. Des Weiteren gibt es noch viele Stähle, die neben Kohlenstoff hohe Anteile anderer Elemente besitzen. Diese Stähle haben sich historisch für spezielle Anwendungen entwickelt. Die bekanntesten Vertreter sind rost- und säurebeständige Stähle mit einem Chromanteil von ca. 13 %, Maragingstähle und Warmarbeitsstähle.

Aufgrund der Vielzahl von verschiedenen Stählen, die inzwischen entwickelt wurden und die sich nicht nur in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden, ist eine vollständige Aufzählung kaum möglich.

Umgangssprache

Fast alle eisenhaltigen Legierungen werden umgangssprachlich als Stahl bezeichnet, manchmal auch nur als Eisen. Die beiden Begriffe werden oft synonym verwendet. Teilweise werden auch Hartmetalle als Stahl bezeichnet (da sie optisch von diesem kaum zu unterscheiden sind).

Struktureller Aufbau

Die als Stahl bezeichneten Werkstoffe sind ein Gemisch aus mehreren Metallen, Kohlenstoff und anderen Nichtmetallen. Dabei nimmt Eisen meist den mit Abstand größten Anteil ein. Viele Elemente befinden sich in geringen Mengen im Stahl, ohne dass sie bei der Herstellung absichtlich hinzugefügt wurden. Diese Stahlbegleiter sind jedoch mehr oder weniger unschädlich für den technischen Einsatz.

Stahl ist unter Standardbedingungen ein Festkörper, dessen genauerer Aufbau stark von dessen Abkühlungsgeschwindigkeit aus dem schmelzflüssigen Zustand abhängt (mit Ausnahme des Rennofenstahls wird jeder Stahl anfangs aus einer Schmelze hergestellt, selbst beim Sintern stammt das Ausgangsmaterial aus einer Schmelze). In der Schmelze gibt es zunächst noch keine Strukturen. Durch die Dominanz der Eisenatome bilden sich bei normaler Abkühlung lokale kristalline Strukturen (in diesem Fall Körner genannt): lokal, weil die Schmelze unter normalen Bedingungen an sehr vielen Stellen (Keime genannt) gleichzeitig zu erstarren beginnt. Von dort aus beginnen Kristalle zu wachsen, bis diese zusammenstoßen und Korngrenzen bilden. In jedem Korn herrscht die Metallbindung vor. Die Atome der anderen Legierungsbestandteile werden auf verschiedene Weise in die Kristallite aufgenommen. Entweder werden sie direkt in das Eisengitter eingebaut (man spricht von einer festen Lösung) oder sie bilden innerhalb des Kristallits eigene Verbindungen. Jeder homogene Bereich innerhalb des Korns bildet dann eine Phase. Dies führt auch zur nächsthöheren Strukturebene. Je nach Zusammensetzung und Abkühlungsgeschwindigkeit bilden sich unterschiedliche Phasen (z. B. Austenit). Einige Phasen bilden feine Gemische (z. B. Perlit). Genau genommen erstreckt sich eine Phase nur innerhalb eines Korns, oftmals (auch in der Literatur) werden aber alle mikroskopischen Phasen in ihrer Gesamtheit als eine Phase (des Festkörpers) bezeichnet. Manche Phasen bilden sich auch an den Korngrenzen. Alle Körner mit ihren Phasen, die Korngrenzen und die sog. Baufehler (Abweichungen vom idealen Kristallaufbau) bilden die Realstruktur des Stahls, und damit einen polykristallinen Festkörper. Erstellt man eine entsprechend präparierte Probe eines Schnitts dieses Körpers (Schliffbild), kann man dessen Aufbau als Gefüge erkennen.

Amorpher Stahl

Bei extrem schneller Abkühlung aus der Schmelze kann es gelingen, die Bildung von Kristalliten zu unterbinden. Es entsteht eine Art metallisches Glas mit besonderen und teils erstaunlichen Eigenschaften. Dies ist aber noch Gegenstand aktueller Forschung.

Einkristall

Über bestimmte Verfahren kann eine Schmelze gerichtet erstarrt werden. Dies führt dazu, dass nur ein einziger großer Kristall entsteht, genauer gesagt, wächst. Diese auch „monokristallin“ genannten Stähle haben nur einige wenige Anwendungen. Ein einkristalliner Stahl besteht meist jedoch nicht aus nur einer Phase. Einphasige Einkristalle wurden bisher nur im Labor hergestellt.

Aus Nickelbasislegierungen derart hergestellte technische Einkristalle sind deutlich weiter verbreitet.

Eigenschaften

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit wärme- und thermomechanischer Behandlung entsteht aus Roheisen Stahl. Durch gezielte Zugabe von Legierungselementen können die Eigenschaften für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden.

Der Stahl kann zum Beispiel sehr duktil und damit ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, etwa zum Weißblech von Konservendosen. Demgegenüber kann er sehr fest und dafür spröde hergestellt werden wie martensitische Stähle für Messer (Messerstahl). Im Gebäudebau soll die Stahlarmierung vor allem Zugkräfte aufnehmen; verschiedene Stahlsorten erreichen eine maximale Zugfestigkeit R_m von über 2000 MPa.<ref>Maximale Zugfestigkeit verschiedener Stahlsorten:

• Federstahl ("46Si7"), Zugfestigkeit [ft] bis zu 1600 MPa.
• Federstahldraht nach EN 10270-2-VDSiCr bei 0.07 mm Durchmesser 2629 MPa (bei größerem Durchmesser deutlich abnehmende Zugfestigkeit).
• Federwerkstoffe für kaltgewalzte Federbandstähle mit Zugfestigkeiten bis 2200 MPa.</ref> Moderne Entwicklungen zielen darauf, den Stahl gleichzeitig fest und duktil (verformbar) herzustellen, als Beitrag für den Leichtbau von Maschinen.

Das wichtigste Legierungselement im Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt als Verbindung (Zementit bzw. Eisencarbid, Fe₃C) vor. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen.

Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche Phasen: Austenit, Ferrit, Primär-, Sekundär-, Tertiärzementit und Phasengemische: Perlit, Ledeburit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasengemische wie fein- (ex Sorbit) und feinststreifiger Perlit (ex Troostit) sowie nadeliger/körniger Bainit („Zwischenstufe“) und massiver/nadeliger Martensit entstehen (siehe auch Härten (Stahl)).

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

Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt 7,85–7,87  g/cm³ (7850–7870 kg/m³), der E-Modul ca. 210  GPa (2,1·10⁵ N/mm²).

Der Schmelzpunkt von Stahl kann je nach den Legierungsanteilen bis zu 1536 °C betragen.

Veränderung von Stahleigenschaften

Stahl kann verschiedene Eigenschaften (Härte, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit, …) in besonderer Ausprägung annehmen.

Veränderung durch Prozesse

Grundsätzlich sind es drei Prozesse, die einzeln oder miteinander kombiniert eingesetzt werden können, um Stahleigenschaften gezielt zu verändern:

• Legieren
• Wärmebehandeln (Glühen, Härten, Vergüten, Tempcore-Verfahren, …)
• Kaltumformen (Walzen, Ziehen, …)

Stahl hat seinen Ursprung meist in einer Schmelze. Beim Erstarren entstehen kleine Kristalle mit unterschiedlichen Gitterrichtungen. Diese sind unter dem Mikroskop als Schliffbild sichtbar. Man bezeichnet diese Kristallite auch als Körner. So ist zum Beispiel die Bezeichnung Feinkornbaustahl zu verstehen. An den Korngrenzen, wo beim Erstarren die kleinen Kristalle zusammengewachsen sind, können Seigerungen auftreten. Diese beeinflussen das spätere Verhalten des Stahls bei Umformungen und Einsatz.

Stahl kann aber auch über den pulvermetallurgischen Weg hergestellt werden. Dabei werden Pulvermischungen in bauteilnahe Form gepresst und dann bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponente gesintert. Je nach Pulverteilchengröße und Prozessführung können sehr kleine Korngrößen erzielt werden. Eine Besonderheit des Sinterstahls ist eine gewisse Restporosität. Diese führt zu einer Verschlechterung der Eigenschaften. Sie kann aber auch gewollt sein. In Gleitlagerwerkstoffen beispielsweise ermöglicht die Porosität die Aufnahme von Schmieröl, das kontinuierlich über die gesamte Lebensdauer abgegeben wird.

Veränderung durch Stahlveredler

Die Eigenschaft von Stahl kann durch Stahlveredler verändert werden. Beispiele für Stahlveredler sind Chrom (für Härte und Korrosionsbeständigkeit), Cobalt, Mangan (für Verschleißfestigkeit), Molybdän (für Zugfestigkeit), Niob, Vanadium (für Elastizität) und Wolfram (für Hitzebeständigkeit).

Stahlveredler sind vor allem für High-Tech-Industrien von besonderer Bedeutung. Dabei zeichnen sich die Vertreter der Gruppe in der Regel durch sehr gute Legierbarkeit und die Endprodukte häufig durch hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Verformbarkeit aus. Stahlveredler finden sich dementsprechend unter anderem in nichtrostenden Stählen, Baustählen, Werkzeugstählen, Schnellarbeitsstählen, Hochtemperaturlegierungen, Superlegierungen, Dauermagnetstählen und Sonderedelstählen. Konkrete Beispiele sind Molybdän in Kontakten, Elektroden, Düsen, Heizelementen und Hitzeschilden, Mangan in Werkzeugen, Federn und Ventilen, Niob in Elektrolytkondensatoren oder Wolfram für Glühwendeln in Leuchtmitteln, Strahlenabschirmungen oder für Fliehgewichte und Exzenterringe.

Arten von Stählen

Einteilung nach 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, d. h. 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 denen dies entnommen werden kann:

• Automatenstahl – Hoher Schwefelanteil (S) zur besseren Zerspanbarkeit, d. h. mechanischen Bearbeitung von Maschinen ohne Kontrolle durch den Facharbeiter.
• Allgemeiner Baustahl – Einsatz bei Schaffung von Infrastruktur und im Maschinenbau, da gut zu verarbeiten (überwiegend gut schweißbar, zerspanbar, umformbar, vergießbar) und kostengünstig. Baustähle machen über die Hälfte der weltweiten Stahlproduktion aus.<ref>Sustainability. Sustainable steel. Auf: worldsteel.org.</ref>
• Bewehrungsstahl (Betonstahl) – Beton ist allein nur gut auf Druck beanspruchbar, mit einer Stahlbewehrung ist er auch auf Zug belastbar.
• Damaszener Stahl – Dieser ist ein Werkstoff für Klingen, andere Blankwaffen, Gewehrläufe usw. und ist bei geeigneter Wärmebehandlung für seine Flexibilität und Festigkeit bekannt. Damaszener-Stahl ist kein homogener Stahl (Mono-Material), sondern ein Verbundwerkstoff aus unterschiedlich legierten Stahlsorten, die durch Feuerschweißen verbunden wurden. Nach dem Härten können die Strukturen dieses Schweißverbundstahls durch Anätzen oder durch spezielle Schleifverfahren sichtbar gemacht werden.
• Edelstahl (nach EN 10020) – Ein legierter oder unlegierter Stahl mit besonderem Reinheitsgrad, dessen Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) zum Beispiel 0,025 % nicht überschreitet (nicht zu verwechseln mit nichtrostendem Stahl, s. u.).
• Einsatzstahl – Vorgesehen für eine Einsatzhärtung der Randschichten des fertigen Werkstücks durch Diffusionsverfahren (Carbonitrieren). 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.<ref name="Krupp">C-Stahl Produktdatenblatt (Memento vom 17. Dezember 2010 im Internet Archive), ThyssenKrupp Steel Europe, abgerufen im Juli 2013.</ref> Besonders häufig verwendet für Kleinteile sowie verschleißfeste Bauteile mit dynamischer Beanspruchung. Siehe DIN EN 10084.
• Federstahl – Der Kohlenstoffanteil liegt zwischen 0,55 % und 1 %.<ref name="Krupp" /> Hoher Siliciumanteil (Si) erhöht die Elastizität des Stahls, meist auch mit Chrom (Cr) legiert.
• Messerstahl
• 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 (Cr) erhalten. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel (Ni) legiert. Austenitische Stähle sind bei Raumtemperatur nicht magnetisch.
• Nitrierstahl – auf Verschleiß beanspruchte Teile, z. B. Kolbenstangen.
• Pipelinestahl: ca. 10 % der Weltstahlproduktion werden zur Herstellung von Rohren genutzt (Stand 2013).<ref>Markt. Bei: wv-stahlrohre.de.</ref> Meist handelt es sich um TM-Stahl.
• Säurebeständiger Stahl – Ab einem Chromgehalt (Cr) von mindestens 17 % säure- und laugenbeständig; Verwendung: z. B. Abfüllanlagen für Putzmittel.
• Spannstahl
• Tiefziehstahl – Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst, die zum Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle sind im Allgemeinen sehr weich und dürfen keine ausgeprägte Mindeststreckgrenze (Re) aufweisen.
• U-Boot-Stahl: Als U-Boot-Stahl werden in der Uhrenindustrie spezielle austenitische Stahlsorten bezeichnet, die sich durch hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegen Meerwasser, und das Fehlen jeglicher Magnetisierbarkeit auszeichnen.
• Vergütungsstahl – Der Kohlenstoffanteil liegt zwischen 0,2 und 0,6 %. Gute Eignung zur Vergütung bzw. Veredelung, z. B. durch klassisches Härten durch Erhitzung und schnelle Abkühlung mit anschließendem Anlassen auf eine definierte Temperatur. Z. B. für Zahnräder. Siehe DIN EN 10083 Teil 1 bis 3.<ref name="Krupp" />
• Werkzeugstahl – Wird zur Herstellung von Werkzeugen und Formen verwendet.
  • Kaltarbeitsstahl
  • Warmarbeitsstahl
  • Schnellarbeitsstahl – Bezeichnung für spanende Werkzeuge, wird immer in folgender Reihenfolge (Elemente) entschlüsselt:

HSS 10-4-3-10 → Hochleistungsschnellarbeitstahl (HSS), 10 % Wolfram, 4 % Molybdän, 3 % Vanadium, 10 % Cobalt.

Herstellung

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 (Si), Mangan (Mn), Schwefel (S) und Phosphor (P) durch Zugabe von Sauerstoff verbrannt (oxidiert) werden. Heute relativ unbedeutende Frischverfahren sind das Bessemer-Verfahren und das Thomas-Verfahren, bei denen die Oxidation durch Luft vonstattengeht.<ref>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.</ref>

Technisch weit verbreitet (72 % der Welterzeugung)<ref>Stahlproduktion: Sauerstoff-Konverter vor Elektroofen. Bei: stahl-online.de.</ref> ist aber das Linz-Donawitz-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird das flüssige Roheisen aus dem Hochofen in einen großen, schwenkbaren Behälter gefüllt. Dieser Behälter heißt Konverter und 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 Lanze in die Schmelze. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10 bar in die Schmelze geblasen. Der Sauerstoff 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 werden getrennt voneinander aus dem Konverter in Transportkübel gegossen. Für eine saubere Trennung kommt bei der Konverterleerung ein sogenannter Stopfen zum Einsatz. Er besteht aus feuerfestem Material und besitzt eine kegelförmige Geometrie. Seine Dichte liegt zwischen der von Stahl und Schlacke, sodass er sich vor dem Konverterauslauf setzt, sobald der Stahl herausgeflossen ist. So soll ein Nachlaufen der Schlacke verhindert werden. Dann folgt der Prozess der Rückkopplung, bei der noch etwas kohlenstoffhaltiges Eisen hinzugegeben wird, um den Kohlenstoffgehalt des Stahls zu regulieren, da dieser nicht zu klein werden darf.

Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das Elektrostahlverfahren. Mit Graphitelektroden wird ein Lichtbogen mit einer Temperatur bis zu 3500 °C erzeugt. Außer Roheisen wird Schrott zugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidiert. Anschließend werden Legierungsmetalle in bestimmten Mengen zugesetzt, sodass eine Stahllegierung entsteht. Stähle, die im Elektroofen erzeugt wurden, heißen Elektrostähle und sind besonders hochwertig.

Darüber hinaus lässt sich die Qualität des Stahls zusätzlich erhöhen, indem man ihn einer Desoxidation unterzieht. Dabei werden der Stahlschmelze Ferrosilicium und Aluminium beigesetzt, die den Sauerstoff in der Schmelze binden; dies verhindert Sauerstoffeinschlüsse und erhöht damit die Festigkeit des Stahls. Bei dem Vorgang der Desoxidation, also der Erstarrung (Abkühlung) des Stahls, ist die Randzone genauso temperiert wie der Kern des Stahlblocks. 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 Tonnagen oder beim Einsatz in Gießereibetrieben finden Induktionsöfen häufig Anwendung. Kernstück des Induktionsofens ist die Induktionsspule um den Tiegel. In dieser Spule baut sich ein magnetisches Wechselfeld auf, wenn sie von Wechselstrom durchflossen wird. Die Schmelze bzw. die zu schmelzende Charge bildet eine kurzgeschlossene Spule, durch die in der Charge eine Spannung induziert wird, die im Werkstück induzierte Wirbelströme zur Folge hat. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Materials, wobei die Wärme nicht von der Oberfläche her in das Material gelangt, sondern in diesem selbst entsteht. Die Stromeindringtiefe ist abhängig von der Betriebsfrequenz der Induktionsanlage. Für die Induktion sind ferromagnetische Einsatzstoffe unumgänglich.

Historische und wirtschaftliche Bedeutung

Die frühe Verhüttung (vergl. Eisenschwamm) von Eisenerz ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt, wo auch um die Mitte des 1. Jahrtausends v. Chr. wohl erstmals ein einfacher härtbarer Stahl hergestellt wurde.

In der Antike und Mittelalter wurde das Erz in mit Holzkohle beheizten Schachtöfen (Rennofen) bei Temperaturen von etwa 1.250 °C verhüttet. Dabei kam es zu keiner Schmelze. Das Produkt war ein inhomogener Stahl mit variierendem Kohlenstoffgehalt, und ohne wesentliche Bestandteile von anderen Legierungsmetallen (Rennofeneisen/Rennofenstahl). Im 14. Jahrhundert n. Chr. wurde in Europa der Holzkohle-Hochofen (Stückofen) entwickelt, dessen Prozesstemperatur das Schmelzen von Eisen ermöglichte. Das Produkt hieraus ist das frühe Roheisen (Gusseisen). Das Roheisen war wegen seines häufig hohen Kohlenstoffgehalts spröde und nicht schmiedbar, es musste durch Gärben „abgekohlt“ werden, indem der Kohlenstoff, Schlacke und andere Begleitelemente herausgebrannt und unter wiederholtem Ausschmieden „herausgepresst“ wurde. Dies geschah bis zur Erfindung der Hochofentechnik, bei dem flüssiges Roheisen Gusseisen erzeugt werden konnte. In der Antike wurden die notwendigen Arbeiten häufig von Sklaven verrichtet. Im Mittelalter wurden dazu durch Wind- oder Wasserräder angetriebene Hammerwerke entwickelt.

Gussstahl stellte erstmals 1740 der Engländer Benjamin Huntsman im Tiegelstahlverfahren her. 1784 erfand der Engländer Henry Cort das Puddelverfahren (engl. „puddle“ = Pfütze), bei dem durch manuelles Umrühren der Schmelze das Roheisen in Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft gebracht wurde und somit die „Verunreinigungen“ wie Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor verbrennen konnten. Durch das Frischen entstand ein gut schmiedbarer und bruchsicherer Rohstahl, das sog. Puddeleisen. Die erste deutsche Gussstahlfabrik gründete Friedrich Krupp 1811 in Essen. Der Impuls für die sprunghafte Zunahme der Stahlproduktion erfolgte etwa in der Mitte des 19. Jahrhunderts durch die gleichzeitige Anwendung mehrerer technischer Erfindungen: Die Dampfmaschine stellte der Eisenindustrie eine leistungsstarke und flexible Arbeitskraft zur Verfügung, der Steinkohlebergbau erzeugte den für die Stahlerzeugung notwendigen Koks, und die Entwicklung des Eisenbahnwesens sowie der Dampfschifffahrt schufen neue, große Absatzmärkte für Stahl.

Die Stahlindustrie hatte in allen Ländern, unabhängig von ökonomischen Erwägungen, eine enorme politische Bedeutung, da sie neben einem Indikator für die technisch-wirtschaftliche Entwicklung und der Bedeutung für die Rüstungsindustrie auch eine nationale Prestigefrage war. Die Bedeutung des Stahls für die damalige Zeit symbolisiert der Eiffelturm (allerdings wegen der hohen Anforderung an Bruchsicherheit noch aus Puddeleisen), der anlässlich der Pariser Weltausstellung von 1889 als ein Monument des technischen Fortschritts aus Stahl erbaut wurde.

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 mit einer Rohstahlproduktion von 16 Millionen Tonnen der Vorkriegsstand 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.

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.

Insgesamt wurden 2009 weltweit 1232,3 Millionen Tonnen Stahl produziert (2008: 1329,2 Millionen Tonnen). Gegenüber dem Vorjahr betrug der Rückgang 7,3 Prozent. Das mit großem Abstand bedeutendste Herstellerland war die Volksrepublik China mit 573,6 Millionen Tonnen (2008: 500,3 Millionen Tonnen). Der chinesische Anteil an der weltweiten Produktion lag bei 46,5 Prozent. Das Land steigerte seine Stahlerzeugung gegenüber dem Vorjahr um 14,7 Prozent. Die Weltproduktion ohne China lag 2009 bei 658,7 Millionen Tonnen (2008: 828,9 Millionen Tonnen). Sie sank gegenüber dem Vorjahr um 20,5 Prozent. Im Jahr 2010 hatte sich die weltweite Produktion wieder erholt, siehe Stahl/Tabellen und Grafiken.

Im Jahr 2013 erreichte die Weltrohstahlproduktion mit 1607 Mio. t einen neuen Höchststand.<ref name="Statistiken" /> Nach Prognosen von PricewaterhouseCoopers soll die weltweite Stahlnachfrage bis 2025 um mehr als 60 % auf 2,5 Mrd. t steigen.

Stahl ist mittlerweile wegen seiner vielfältigen Verwendbarkeit in allen Produktbereichen zu finden und damit weltweit ein „Grundstoff“ moderner Ökonomien und Gesellschaften.<ref>Der Werkstoff Stahl und seine Anwendung. Bei: bauforumstahl.de. (PDF; 1,9 MB).</ref> In Deutschland sind Bauwesen und Automobilindustrie mit je 25 % die größten Anwendungsfelder für Stahl (Stand: 2014).<ref>Perspektiven mit Stahl. Bei: stahl-online.de. (PDF; 7,5 MB), S. 18.</ref> 2012 setzte die Stahlindustrie weltweit 800 Mrd. Dollar um und beschäftigte 8 Mio. Menschen.<ref>worldsteel: Video verdeutlicht positive Stahl-Eigenschaften. Bei: stahl-online.de.</ref>

In Deutschland werden mit knapp 90.000 direkt Beschäftigten jährlich etwa 40 Mio. t Stahl hergestellt (Zeitraum: 2010–2014).<ref>Stahl und Nachhaltigkeit. Abgerufen am 21. Dezember 2015. </ref>

Rohstoffsituation

Anfang des 21. Jahrhunderts wurde der Rohstoffbedarf der Stahlindustrie zeitweise nicht gedeckt. Grund hierfür war ein nach einem Vierteljahrhundert der Stagnation wiedereinsetzendes exponentielles Wachstum, das im Wesentlichen durch den stark steigenden Stahlbedarf der chinesischen Volkswirtschaft, in geringerem Umfang auch der indischen, verursacht wurde. Zwischen 2003 und 2007 wuchs die Stahlerzeugung in China jährlich um mehr als die Jahresproduktion Deutschlands. Diese Entwicklung wurde nicht vorhergesehen. Daher konnte das Rohstoffangebot aufgrund der Beschränkungen der Förderkapazitäten der Bergwerke sowie der Schiffs- und Umschlagkapazitäten im Seetransport trotz weltweit ausreichend vorhandener Lagerstätten von Eisenerz nicht schnell genug erhöht werden. Nach einem Tiefststand der Stahlpreise 2001 kam es infolgedessen zweimal, im Laufe des Jahres 2004 und im ersten Halbjahr 2008, ungefähr zu Verdoppelungen der Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte. Bis Mitte 2008 blieb Stahl knapp und teuer.

Im Zuge der Finanzkrise nahm die Stahlnachfrage kurzzeitig rapide ab. Im Mai 2009 hatten sich in der Folge die Weltmarktpreise gegenüber dem Höchststand im Juli 2008 mehr als halbiert.

Konkurrierende Materialien

Stahl steht sowohl in der Bahnindustrie als auch in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz zu Werkstoffen mit geringerer Dichte, z. B. zu Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da die anderen metallischen Werkstoffe aber durchwegs 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.

Ökologie und Recycling

Eisen als Hauptbestandteil des Stahles ist, auch wenn es korrodiert oder weggeworfen wird, für Umwelt, Tier, Mensch und Pflanzen nicht toxisch. Stahl ist sehr gut wiederverwertbar, weil Stahlschrott wieder zu Stahl geschmolzen werden kann. 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.<ref>Lohnt sich Alu-/Weißblech-Recycling? Bei: kopytziok.de. (PDF; 92 kB).</ref>

Stahl ist mit 500 Mio. t pro Jahr der weltweit meistrecycelte Industriewerkstoff. Die Recyclingquote von Stahl liegt bei 70 %,<ref>Steels: Facts, Figures, Environment and Green Steels. Bei: dierk-raabe.com.</ref><ref>Recycling Rates of Metal. Bei: unep.org. (PDF; 2,4 MB).</ref> die von einzelnen Stahlanwendungen z. T. bei deutlich über 90 %.<ref>Sachstandsbericht zum Stahlrecycling im Bauwesen. Bergische Universität Wuppertal (PDF).</ref><ref>Weißblech-Recyclingquote: 93,7 %. Auf: stahl-online.de.</ref> Bei der Ökobilanz von Stahl müssen zwei Herstellungsrouten unterschieden werden:

• Primärerzeugung: Bei der Herstellung eines Kilogramms Rohstahls über die Hochofenroute stoßen die besten Hochöfen in Europa ca. 1,475 kg CO₂-Äquivalent aus, was schon nahe am theoretischen Limit von 1,371  kg CO₂ liegt. Größere Emissionsreduktionen lassen sich dementsprechend nur noch durch völlig neue Produktionsmethoden erreichen.<ref>Manfred Fischedick et al, Techno-economic evaluation of innovative steel production technologies. In: Journal of Cleaner Production 84, (2014), 563-580, S. 564, doi:10.1016/j.jclepro.2014.05.063.</ref> Auch bei der Hochofenroute werden im sogenannten Konverter etwa 20 % Recyclingmaterial (Schrott)<ref>Stahlschrottbilanz 2014: Stahlrecyclingwirtschaft musste Rückgang des Gesamtversands um 1,7 Prozent verkraften. Bei: bdsv.org. Pressemitteilung, 23. März 2015.</ref> 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 erfordert dennoch ca. 0,75 kg CO₂ pro kg Stahl,<ref>Multireycling of steel. Bei: stahl-online.de. (PDF; 1,03 MB).</ref> da die benötigten Temperaturen von 1500 bis 1800 °C mit Elektroenergie erzeugt werden. Die CO₂-Bilanz ist daher 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 mehrfach oft recycliert (einmalig Primärerzeugung und mehrfach Stahlrecycling). Damit ergibt sich ein durchschnittlicher CO₂-Ausstoß von etwa 1 kg CO₂ pro kg hergestellten Warmbandstahles.<ref>Ökobilanz nach ISO 14040/44 für das Multirecycling von Stahl. Bei: stahl-online.de. (PDF; 1,3 MB).</ref> Zum Vergleich: Bei der Herstellung von 1 kg Roh-Aluminium werden 10 kg CO₂ freigesetzt (bei Verwendung eines durchschnittlichen Energiemixes).

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.

Siehe auch

• Stahl/Tabellen und Grafiken

Literatur

• Eduard Houdremont: Einführung in die Sonderstahlkunde. Verlag von Julius Springer, Berlin 1935, 566 p.
• Eduard Houdremont: Handbuch der Sonderstahlkunde. 3. verbesserte Auflage (letzter Hand), Springer-Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg, und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1956, 1538 S. in 2 Bänden.
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Hrsg.): Werkstoffkunde Stahl, Band 1: Grundlagen. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1984, 743 S.
• Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Hrsg.): Werkstoffkunde Stahl, Band 2: Anwendungen. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1985, 862 S.
• Claus und Micah Wegst: Stahlschlüssel – Key to Steel 2010 Nachschlagewerk. Verlag Stahlschlüssel 2010, ISBN 3-922599-26-5.
• Industrieverband Massivumformung: Neue Stähle für die Massivumformung. Inforeihe Massivumformung, März 2012, ISBN 978-3-928726-28-3.

Weblinks

• 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.

Einzelnachweise

<references />