Stahl

mini|Zu Coils aufgewickeltes Stahlband mini|Verschiedene Profilstäbe

Stahl ist ein Werkstoff, der überwiegend aus Eisen mit geringem Kohlenstoffanteil besteht. Stahl lässt sich warm oder kalt umformen, er kann also geschmiedet, gebogen, gewalzt und gezogen werden.

Häufig wird Stahl als Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoff-Massenanteil von maximal 2 %Siehe Abschnitt #Definitionen definiert. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit höheren Kohlenstoffanteilen werden Gusseisen genannt und sind nicht plastisch umformbar, lassen sich also nicht schmieden oder walzen. Neben Kohlenstoff enthält Stahl immer auch Rückstände von unerwünschtem Phosphor, Schwefel und einige weitere Verunreinigungen. Moderne Stahlsorten enthalten zusätzlich weitere Elemente, die gezielt zulegiert wurden, um die Eigenschaften des Stahls zu verbessern. Entscheidend für die Eigenschaften des Stahls sind Mengenanteile der Begleit- und der nachträglich hinzugefügten Legierungselemente sowie die Kristallstruktur nach Verformung und der Wärmebehandlungszustand.

Stahl ist einer der vielseitigsten Konstruktionswerkstoffe und ist nahezu unbegrenzt wiederverwertbar. Seine Produktion (im Jahr 2016: 1629 Millionen Tonnen) übertrifft die Menge aller übrigen metallischen Werkstoffe zusammen um mehr als das Zehnfache. Stahl ist in großen Mengen und zu geringen Kosten verfügbar. Seine Eigenschaften lassen sich durch Legieren und Wärmebehandeln in weiten Bereichen variieren. Es gibt etwa 3500 Stahlsorten.Jörg Römer: Ein Nugget aus der Zukunft. In: Der Spiegel, Heft 1/2022, S. 116.

Stahl lässt sich durch Gießen und vor allem gut durch Walzen, Schmieden, Fräsen und Schweißen verarbeiten und hat eine hohe Festigkeit (einfacher Stahl 180 bis 350 N/mm², hochfester Stahl bis weit über 1200 N/mm²)The Challenge for Maximum Tensile Strength Steel Cord. In: Nippon Steel Technical Report No. 80, July 1999 (PDF, 333 kB)., gute Härtbarkeit, Steifigkeit (E-Modul) und Bruchdehnung.

Kohle und Stahl (Montanindustrie) waren lange Zeit Hauptsäulen der Schwerindustrie. Die moderne Stahlerzeugung wird unter den Gesichtspunkten der CO2-Emissionen weiterentwickelt.

Wortherkunft Das Wort „Stahl“ entwickelte sich aus dem mittelhochdeutschen stahel, stāl, dem althochdeutschen Wort stahal, dem mittelniederdeutschen stāl, mittelniederländischen stael und dem altnordischen stál, welche sich auf stehen oder stellen zurückführen lassen und als Substantivierung von standhaft und stark aufzufassen sind„Stahl“, in: Wolfgang Pfeifer et al., Etymologisches Wörterbuch des Deutschen (1993), digitalisierte und von Wolfgang Pfeifer überarbeitete Version im Digitalen Wörterbuch der deutschen Sprache, https://www.dwds.de/wb/etymwb/Stahl, abgerufen am 3. Dezember 2024.; daneben die j-Bildung im altsächsischen stehli ‚Axt‘ und altenglischen stīle.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.

Definitionen EN 10020 – Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle

In der EN 10020:2000–07 Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle wird unter Punkt 2.1 folgendes ausgeführt:

Der Grenzgehalt an Kohlenstoff von 2 % leitet sich direkt aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ab. Bis zu einem Gehalt von 2,06 % kann der Werkstoff bei hohen Temperaturen in der Phase von Austenit vorliegen, der sich gut umformen lässt.Wilhelm Domke: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung. 10., verbesserte Auflage, Cornelsen-Velhagen & Klasing, 2001, ISBN 3-590-81220-6, S. 78Grundlagen des Schmiedens und der Wärmebehandlung, Juli 2011. In: messerforum.net

Fachliteratur Die in der Fachliteratur gebräuchlichen Definitionen orientieren sich an der DIN EN 10020 und enthalten alle die Definition als Eisenwerkstoff, meist mit Hinweis auf den Kohlenstoffanteil von weniger als 2 %. Zusätzlich wird aber immer betont, dass Stähle umformbar sind, also durch Schmieden, Walzen und ähnliche Verfahren bearbeitet werden können.

„… Eisenlegierungen bezeichnet, die weniger als 2 % Kohlenstoff enthalten und die für eine Warmumformung geeignet sind.“ Bernhard Ilschner, R. F. Singer Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik: Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. 5. Auflage. 2010, S. 431. „Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffanteil i. Allg. unter 2 Gew.-%, die kalt oder warm umformbar (schmiedbar) sind, …“ H. Czichos, B. Skrotzki, F.-G. Simon: Hütte – Das Ingenieurwissen: Werkstoffe. 2014, S. 24. „Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die ohne weitere Nachbehandlung schmiedbar sind, sind Stähle (C ≤ 2 %).“ Der Zusatz „ohne weitere Nachbehandlung“ schließt hier Temperguss aus, eine Gusseisensorte, die nach einer Wärmebehandlung (Tempern) schmiedbar wird. Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulz (Hrsg.): Werkstoffkunde. 11. Auflage. 2012, S. 181. „Stahl ist schmiedbares Eisen …“ Böge: Handbuch Maschinenbau. 21. Auflage. S. E14. „Als Stähle werden praktisch alle verformbaren technischen Legierungen des Eisens bezeichnet.“ Erhard Hornbogen, Hans Warlimont Metalle: Struktur und Eigenschaften der Metalle und Legierungen. 6. Auflage. 2016, S. 291. „… Eisenwerkstoffe darstellen, die sich i. Allg. für die Warmumformung eignen, …“ Dubbel, 24. Auflage, S. E34.

VDEh: Werkstoffkunde Stahl – Band 1: Grundlagen, 1984, S. 21.

Technikhistorische Begriffsverwendung Diese allgemeine, seit dem frühen 20. Jahrhundert gebräuchliche Definition umfasst mit dem Begriff Stahl auch das damals kaum mehr produzierte Schmiedeeisen, das einen geringen Kohlenstoff-Gehalt von meist unter 0,3 % hat. Damit ist es dann nicht härtbar und hat einen anderen Einsatzbereich. Trotz ähnlicher Zusammensetzung wie Stahl ist es aber aufgrund verschiedener Verunreinigungen nicht identisch mit Stahl. Wenn in modernen Werken (ab dem 20. Jahrhundert) im historischen Kontext von „Stahl“ die Rede ist, so ist damit meist „Schmiedeeisen“ gemeint. Selbst in Werken der Technikgeschichte wird für frühere schmiedbare Eisenwerkstoffe der Begriff Stahl verwendet. Der Begriff Schmiedeeisen diente in der Antike als Abgrenzung gegenüber dem Roheisen, das noch sehr stark verunreinigt war, und ab dem Mittelalter zusätzlich gegenüber dem nicht schmiedbaren Gusseisen.Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band I, Propyläen, Berlin 1997, S. 419–421.

Geschichte mini|Eiserne Waffen aus der Zeit der Völkerwanderung

Die frühe Verhüttung 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. einfache schmiedbare Eisenwerkstoffe und erstmals ein einfacher härtbarer Stahl hergestellt wurde.Friedrich Cornelius: Geistesgeschichte der Frühzeit. Band 1, Verlag Brill Archive, 1960, S. 132. Damals wurde das Erz in mit Holzkohle beheizten Rennöfen bei Temperaturen von etwa 1250 °C verhüttet. Der hohe Grad an Verunreinigungen in der Luppe erlaubte nur die Herstellung von Schmiedeeisen geringer Qualität. Genutzt wurde Eisen vor allem für Waffen und Rüstungen sowie für Werkzeuge, weniger in der Landwirtschaft oder als Schmuck.

Im 14. Jahrhundert n. Chr. wurde in Europa der Holzkohle-Hochofen (Stückofen) entwickelt. Er erreichte höhere Temperaturen und benötigte weniger Kohle. Das Eisenerz reagierte darin mit dem Kohlenstoff der Holzkohle. Die Schmelztemperatur lag dank des Kohlenstoffgehalts nun unter der Hochofentemperatur, sodass erstmals flüssiges Roheisen entstand. Die Eigenschaften des Eisens konnten gezielt durch Anlassen, Aufkohlen, Abschrecken und Glühen beeinflusst werden.

In der Industrialisierung wurden die Hochöfen immer mehr durch Steinkohle (Koks) befeuert, was die Eisenwerkstoffe preisgünstiger werden ließ und die Produktionsmengen erhöhte. Innerhalb der Produktionstechnik konnten Eisen oder Stahl nun als Konstruktionswerkstoff für WerkzeugmaschinenWolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 3, Propyläen, Berlin 1997, S. 330. genutzt werden, die dadurch präziser und leistungsfähiger wurden. Das durch Puddeln gefrischte Eisen wurde anschließend unter dem Schmiedehammer bearbeitet, um die Schlackereste zu entfernen und den Werkstoff homogener zu machen. Dieser Schmiedeprozess hatte ebenfalls großen Einfluss auf die Qualität des Stahls. Erst danach wurde er zu Blechen oder Schienen gewalzt und ermöglichte anspruchsvolle Anwendungen wie z. B. Dampfkessel, Dampflokomotiven, Bahnschienen, die Griethausener Eisenbahnbrücke und den Eiffelturm.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.Literaturhinweis: Ulrich Wengenroth: Eisen, Stahl und Buntmetalle. In: Ulrich Wengenroth (Hrsg.): Technik und Wirtschaft. (= Technik und Kultur. Band 8). VDI-Verlag, Düsseldorf 1993, S. 103. sprache=de|mini|Entwicklung der Marktanteile der verschiedenen Stahlerzeugungsverfahren Das Bessemer-Verfahren (ab 1864) und später das Siemens-Martin-Verfahren erlauben das gezielte Frischen des Roheisens, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren.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. Beim Frischen werden auch unerwünschte Begleitelemente wie Silicium, Mangan, Schwefel und Phosphor durch Zugabe von Sauerstoff verbrannt. Dies ermöglichte die Herstellung von qualitativ höherwertigem Stahl; er war wegen des aufwendigeren Prozesses zunächst etwas teurer. In den vertikal integrierten Stahlkonzernen mit ihren Erzgruben, Hochöfen, Bessemer- oder Siemens-Martin-Hütten und den Walzwerken ging es nun darum, die Kosten für das gesamte Unternehmen zu minimieren.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. Das Siemens-Martin-Verfahren wurde erst Mitte des 20. Jahrhunderts allmählich vom sogenannten Elektrostahl aus Lichtbogenöfen und dem Linz-Donawitz-Verfahren abgelöst.

In der chemischen Industrie wurden bei einigen Prozessen wie dem damals neuen Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak sehr hohe Drücke und Temperaturen von bis zu 330 bar und 550 °C benötigt. 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.Wolfgang König (Hrsg.): Propyläen Technikgeschichte. Band 5, Propyläen, Berlin, 1997, S. 46.

1952 wurde 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. Im Jahr 2008 benötigt die Stahlindustrie in Deutschland etwa 76.500 Mitarbeiter, um rund 46 Millionen Tonnen Stahl herzustellen. Diese enorme Produktivitätssteigerung war nur durch bedeutende technische Innovationen möglich.

Herstellung, Recycling und Ökologie

Herstellung mini|Arbeiter am Hochofen