Stahl

Stahl ist eine metallische Legierung aus Eisen und Kohlenstoff sowie weiteren Legierungselementen. Dabei ist der Massenanteil von Eisen höher als der jedes anderen Elementes und der Anteil von Kohlenstoff liegt bei maximal 2 Prozent. Eisenlegierungen mit einem höheren Kohlenstoffanteil als 2 Prozent werden als Gusseisen bezeichnet. Legierungselemente sind metallische oder nichtmetallische Elemente, die dem Stahl bei der Stahlherstellung beigefügt werden, um dessen Eigenschaften zu verändern. Dabei handelt es sich vorwiegend um Elemente wie z. B. Stickstoff, Chrom, Nickel, Molybdän, Mangan, Silizium, Aluminium, Phosphor und Schwefel.

Kohlenstoff beeinflusst als wichtigstes Legierungselement maßgeblich die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung, welche mittels Zugversuch bestimmt werden. Des Weiteren beeinflusst Kohlenstoff die Härte, Schweißeignung, die Umformbarkeit und den Verschleißwiderstand.

Derzeit gibt es weltweit etwa 2.500 unterschiedliche Stahlsorten, deren Eigenschaften gezielt durch die chemische Zusammensetzung, die Wärmebehandlung und die Verarbeitung beeinflusst und an die spätere Nutzung angepasst werden können. Der Grund für diese Vielfalt hängt sehr stark mit dem Umwandlungsverhalten des chemischen Elementes Eisen, der sogenannten Allotropie, zusammen. Darunter versteht man, dass ein Element im gleichen Aggregatzustand mehrere unterschiedliche Strukturformen aufweist, die sich in den Eigenschaften unterscheiden. Hinzu kommt, dass Kohlenstoff mit den unterschiedlichen Strukturformen des Eisens sehr spezielle Wechselwirkungen eingehen kann, was zu weiteren unterschiedlichen Strukturformen führt. Diese werden als Phasenzustände oder Gefügemodifikationen bezeichnet.

Die Stahlwerkstoffe werden anhand unterschiedlicher Kriterien in verschiedene Gruppen eingeteilt. Laut DIN EN 10020 erfolgt eine Einteilung anhand der chemischen Zusammensetzung in unlegierte, nichtrostende und andere legierte Stähle. Oftmals wird auch eine Einteilung anhand der Anwendungsgebiete vorgenommen. In diesem Fall werden Stähle z. B. als Betonstahl, Spannstahl, Automatenstahl, Federstahl, warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl, hitzebeständiger Stahl usw. bezeichnet.

Ein Nachteil der Stähle besteht darin, dass sie unter gewissen Bedingungen zur Korrosion neigen können. Somit müssen Stähle für spezielle Anwendungen vor Korrosion geschützt werden. Dies kann zum Beispiel durch den Einsatz nichtrostender Stähle oder durch das Aufbringen einer geeigneten Oberflächenbeschichtung erfolgen. Nichtrostende Stähle verdanken ihre hohe Korrosionsbeständigkeit besonders dem zulegierten Element Chrom, dessen Gehalt in diesen Stähle mindestens 10,5% beträgt. Höhere Chromgehalte und weitere Legierungsbestandteile wie Nickel und Molybdän verbessern die Korrosionsbeständigkeit, können aber auch die mechanischen Eigenschaften verändern.

Stahl ist der dominierende Werkstoff im Baugewerbe, Stahlbau, Schiffbau, Schienenbau und Elektrotechnik sowie bei der Herstellung von Fahrzeugen und Maschinen. Die Stahlherstellung ist dabei ein sehr energieintensiver Prozess, der aber auch viel Energie freisetzt. Um die Energiekosten zu senken und somit die Energieeffizienz zu erhöhen, ist die Stahlindustrie bestrebt, diese freigesetzte Energie weiter zu nutzen. Dies kann zum Beispiel durch eine Abwärmenutzung erfolgen. Zusätzlich hat die Stahlindustrie das Bestreben die anfallenden Mengen an Abfall so gering wie möglich zu halten, um die Kosten für die Deponie zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden Reststoffe, die bei der Stahlherstellung anfallen, auch gezielt extern verwertet. So wird z. B. die im Hochofen anfallende Schlacke der Zementherstellung zugeführt und somit in weiterer Folge als Baustoff eingesetzt.

Durch eine gezielte Verbesserung der Stahleigenschaften ist es ebenfalls möglich, die Leistungsfähigkeit von Anlagen oder Produkten zu erhöhen und somit deren Energieeffizienz zu steigern. Ein weiterer großer Vorteil von Stahl liegt in seiner hohen Recyclingfähigkeit.

Englische Übersetzung(en):

steel