Stahl

	DIN EN 10020
Bereich	Werkstoffe
Titel	Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle
Kurzbeschreibung:	Stahl, Definitionen
Letzte Ausgabe	2000-07
ISO

Elektroofen

Schmiedemaschine

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) 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.

Einfacher härtbarer Stahl wurde bereits bei den Hethitern 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 2400 Stahlsorten (Stand: Dezember 2011) aufgelistet. Kohle und Stahl (Montanindustrie) waren lange Zeit Hauptsäulen der Schwerindustrie und Grundlage für die politische Macht eines Staats. Weltweit werden jährlich etw 1,5 Mrd t Stahl hergestellt (Stand 2012), damit ist Stahl der mit Abstand meistverwendete metallische Werkstoff.

Definitionen

DIN EN 10020

In der aktuellen DIN EN 10020:2000-07 wird unter Punkt 2.1 folgende Begriffsbestimmung vorgenommen: Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 % ist und der andere Elemente enthält. Eine begrenzte Anzahl von Chromstählen kann mehr als 2 % Kohlenstoff enthalten, aber 2 % ist die übliche Grenze zwischen Stahl und Gusseisen. Damit sind vor allem die klassischen Bau- und Werkzeugstähle gemeint. Viele von heutigen Herstellern immer noch als Stahl angebotene Legierungen würde diese Definition bereits nicht mehr erfassen.

Aktuelle Metallurgie

Als Stahl können alle technischen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bezeichnet werden, deren Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 2,06 % liegt. Der Anteil weiterer Elemente muss deutlich geringer als der des Eisens sein. Diese Definition leitet sich aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ab. Dazu kommen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die zusätzliche Karbide im Gefüge besitzen, wobei der Gesamtkohlenstoffanteil durchaus 2,06 % überschreitet. Allerdings spricht man bei hohen Karbidanteilen nur noch von Eisenbasis-Legierungen. Diese Grenze ist nicht allgemein festgelegt. Des Weiteren gibt es noch viele Stähle, die neben Kohlenstoff hohe Anteile an anderen Elementen 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. Eine vollständige Definition ist auch hier kaum möglich, weil man auf Gefüge und weitere Details eingehen müsste, die sich nicht allgemein umschreiben lassen. Außerdem gäbe es trotzdem viele Ausnahmen.

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

Alle als Stähle bezeichneten Werkstoffe sind ein Gemisch aus den Elementen Eisen (mit Abstand größter Massenanteil), weiteren Metallen, Kohlenstoff und anderen Nichtmetallen. Viele Elemente befinden sich auch unerwünschterweise im Stahl (was sich aber nur schwer vermeiden lässt), sind jedoch mehr oder weniger unschädlich für den technischen Einsatz (siehe sog. „Eisenbegleiter“). Stahl ist unter Normalbedingungen 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 nächst höheren 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 großer Kristall entsteht, genauer gesagt, wächst. Diese auch monokristallin genannten Stähle haben einige wenige Anwendungen, mehr verbreitet sind diese technischen Einkristalle bei Nickelbasislegierung. Ein einkristalliner Stahl muss allerdings nicht aus nur einer Phase bestehen. Solche einphasigen Einkristalle wurden bisher nur im Labor hergestellt.

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). 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

Freiformschmieden mit einem Hammer

Walzen von Knüppeln

Ziehen von Stahldraht

Freiformschmieden auf einer Schmiedepresse

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 nicht-rostenden 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:

• Allgemeiner Baustahl – Einsatz bei großen Bedarfsmengen im Maschinenbau an Stahl, da er gut zu verarbeiten (überwiegend gut schweißbar, zerspanbar, umformbar, vergießbar) und kostengünstig ist.
• Automatenstahl – Hoher Schwefelanteil (S) zur besseren Zerspanbarkeit, d. h. mechanischen Bearbeitung von Maschinen ohne Kontrolle durch den Facharbeiter.
• Bewehrungsstahl (Betonstahl) – Beton ist allein nur gut auf Druck beanspruchbar, mit einer Stahlbewehrung ist er auch auf Zug belastbar.
• 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. Besonders häufig verwendet für Kleinteile sowie verschleißfeste Bauteile mit dynamischer Beanspruchung. Siehe DIN EN 10084.
• Federstahl – Der Kohlenstoffanteil liegt zwischen 0,55 % und 1 %. Hoher Siliciumanteil (Si) erhöht die Elastizität des Stahls, meist auch mit Chrom (Cr) legiert.
• 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.
• 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.
• 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.
• Werkzeugstahl – Wird zur Herstellung von Werkzeugen und Formen verwendet.
  • 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.

• Messerstahl
  • 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.

Herstellung

→ Hauptartikel: Stahlerzeugung

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 vonstatten geht.

Technisch weit verbreitet 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.

Wirtschaftliche und historische Bedeutung

Die frühe Verhüttung (vergl. Eisenschwamm) von Eisenerz ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt, wo auch die wohl erste Herstellung eines einfachen härtbaren Stahls um die Mitte des 1. Jahrtausends v. Chr. stattfand.

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.

Stahlplatten im Schützengrabenkrieg (1915)

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.

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 Prognosen von PricewaterhouseCoopers soll die weltweite Stahlnachfrage bis 2025 um mehr 60 % auf 2,5 Mrd. t steigen.

Rohstoffsituation

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Obwohl die Erdkruste zu fünf Prozent aus Eisen, dem wichtigsten Ausgangsmaterial für Stahl, besteht, wird gegenwärtig der Rohstoffbedarf der Industrie nicht gedeckt. Beginnend im 2. Halbjahr 2003 zeigte sich eine dramatisch veränderte Rohstoffsituation, die vor allem durch den stark steigenden Stahlbedarf der Volkswirtschaften in der Volksrepublik China, Indien und Brasilien verursacht wurde. Seit einigen Jahren wächst allein die Stahlproduktion in China jährlich um mehr als die gegenwärtige Gesamtproduktion Deutschlands. Plötzlich reichte die Eisenerzförderung nicht mehr aus. Ähnliche Entwicklungen ergaben sich für Koks, der für die Roheisenherstellung benötigt wird, für Erdöl (Energiegewinnung) und für Schrott als Sekundärrohstoff für die Stahlerzeugung. Infolgedessen haben sich die Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Gegenwärtig ist Stahl knapp und teuer. Langfristig ist keine Trendwende in Sicht. Der steigende Bedarf an Eisenerz muss demzufolge durch das Erschließen neuer Abbaugebiete gedeckt werden. Im Zuge der Finanzkrise sackten die Stahlpreise im dritten und vierten Quartal 2008 drastisch ab. Die sinkende Stahlnachfrage ist auf das geringere Weltwirtschaftswachstum zurückzuführen.

Alternative Materialien

Stahl steht sowohl in der Bahnindustrie als auch in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz zu Werkstoffen mit geringerer Dichte wie 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

Recycling-Code für Stahl

Der Hauptbestandteil des Stahles, das Eisen, ist, auch wenn es korrodiert oder weggeworfen wird, für Umwelt, Tier, Mensch und Pflanzen nicht toxisch. Um jedoch Langlebigkeit trotz Korrosionsneigung, geringen Materialeinsatzes sowie anderer besonderer Eigenschaften zu erreichen, werden teilweise bei der Herstellung oder als Beschichtung giftige oder bedenkliche Stoffe wie Chrom, Nickel, Kobalt oder Schutzlackierungen eingesetzt, die bei der Verarbeitung, Müllverbrennung oder dem Recycling Probleme bereiten.

Stahl ist gut wiederverwendbar, 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 kann das Recycling dünnwandiger, beschichteter, restentleerter Gebinde (Dosenschrott) nur als Downcycling bezeichnet werden und es fällt Sondermüll an.

Die Recyclingquote liegt mit 70 % höher als die Quoten von Papier, Aluminium, Kunststoff und Glas zusammen. Bei der Recyclingroute kann gegenüber der Hochofenroute die zur Eisenerzeugung aus Erz aufgebrachte, aus Kohle stammende chemische Energie eingespart werden. Diese Energie erzeugt Kohlendioxid, sodass durch Recycling auch der Klimaerwärmung entgegengewirkt werden kann. Bei der Ökobilanz von Stahl müssen diese zwei Verfahren unterschieden werden:

• Bei der Herstellung eines Kilogramms Eisen aus Erz werden 1,8 kg CO₂ freigesetzt, das aus etwa 400 g Koks und Heizöl entsteht (Anmerkung: in Deutschland und Österreich werden bei den Hochöfen Effizienzwerte erreicht, die nahe am theoretischen Limit liegen). Auch alternative Reduktionsverfahren vermeiden die Kohlendioxidemission bisher nicht.

• Das Recycling von Stahl erfordert dennoch ca. 0,75 kg CO₂ pro kg Stahl, da die benötigten Temperaturen von 1500 bis 1800 °C mit Elektroenergie erzeugt werden. Die CO₂-Bilanz ist daher abhängig von der verwendeten Stromerzeugung. Je nach verwendetem Stahlschrott kann oft nur minderwertigerer Stahl erzeugt werden.

Probleme beim Recycling stellen einige Fremdstoffe wie z. B. Kupfer dar, das aus Elektrogeräten stammt. Stahlschrott aus Atomreaktoren ist oft zu radioaktiv, um wiederaufbereitet zu werden. Durch unachtsamen Umgang kam es in der Vergangenheit schon zu radioaktiv belastetem Schrott. Daher werden mittlerweile an verschiedenen Stellen der Recyclingwege Radioaktivitätsmessungen vorgenommen.

In der Praxis wird Stahl zuerst aus Erz hergestellt und dann beliebig oft recycliert (einmalig Hochofenroute und mehrfach Recyclingroute). Damit ergibt sich ein durchschnittlicher CO₂-Ausstoß von etwa 1 kg CO₂ pro kg hergestellten Warmbandstahles, da viel Stahl (z. B. Dosenschrott) schlecht oder nicht recycliert wird und viel Material durch Korrosion und als Verbundstoff verloren geht. 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 Lacke, Zinn (Weißblech) und Zink.

Siehe auch

• Stahl/Tabellen und Grafiken

Literatur

• Claus und Micah Wegst (2010) Stahlschlüssel – Key to Steel 2010 Nachschlagewerk, Verlag Stahlschlüssel, ISBN 3-922599-26-5
• Industrieverband Massivumformung,Neue Stähle für die Massivumformung. Inforeihe Massivumformung, März 2012, ISBN 978-3-928726-28-3

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

• 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“
• Grundstahlpreisentwicklung als Diagramm (englisch)
• Beste verfügbare Techniken (BVT-Merkblatt) der Eisen- und Stahlerzeugung Umweltbundesamt (Deutschland), Dessau