Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16

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Stahl und Edelstahl: Zusammensetzung und Herstellungsverfahren

Vortrag von Katrin Küffner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 05/06

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Gliederung:

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1.Wie wird Stahl heute hergestellt?

Der Mensch unterscheidet sich - unter anderem - vom Tier durch den Gebrauch von Werkzeugen, die er selbst hergestellt hat. Durch Versuch und Irrtum, wurde Wissen geschaffen, und an andere Menschen weitergegeben. Der Durchbruch kam mit den Metallen; nach Kupfer kam Bronze und dann die Eisenzeit. Mit der Eisenzeit bzw. der Stahlzeit entstand ein neuer Mythos: der des zauberkundigen Schmiedes. Zum einen war die Eisengewinnung ein überaus geheimnisvoller Prozess: hier wurde aus "wertlosem Dreck" (Raseneisenerz) ein wertvolles Metall hergestellt, zum anderen hatte der Schmied auch sehr mysteriöse Rituale:

"Rezeptur zur Herstellung von Damaszenerklingen

Dann stößt der Meisterschmied, nachdem er der Klinge durch Hämmern eine scharfe und gerade Schneide verliehen hat, das Schwert in ein Feuer von Zedernholzkohle, hinein und wieder heraus, während er das Gebet zu Baal rezitiert, bis der Stahl die rote Farbe der aufgehenden Sonne angenommen hat, so wie sie bei Sonnenaufgang über der Wüste gen Osten erscheint, um dann mit einer schnellen Bewegung den Stahl von der Spitze bis zum Haft sechsmal durch die fleischreichsten Teile des Rückens und der Oberschenkel eines Sklaven zu stoßen, bis die Farbe dem königlichen Purpur gleicht. Dann, falls das Schwert mit einem Streich und einem Schlag des rechten Armes des Meisters den Kopf des Sklavens ohne Scharte oder Riß vom Rumpf getrennt hat, und die Klinge um den Körper eines Mannes gebogen werden kann ohne sich zu verbiegen, mag das Schwert als perfekt gelten und dem Dienste des Gottes Baal geweiht werden.

Aus einem Alchemistenbuch aus Nürnberg von 1532 ("Von Stahel und Eysen") zur Qualitätsverbesserung von Schwertern

Nimm Stengel und Blätter von Verbenen, zerstoße sie, und drücke den Saft durch ein Tuch. Gib eine gleichgroße Menge von Männerpisse dazu, und etwas von dem Saft den man aus Käfermaden gewinnt. Laß das Eisen nicht zu heiß werden sondern halte Maß. Laß es abkühlen, bis es goldene Flecken zeigt, dann kühle es zur Gänze in dem Gebräu. Wenn es sehr blau wird, ist es noch zu weich." [1]

Wie wird Stahl heute hergestellt?

Man benötig Eisenerze wie z.B. Magneteisenstein, Roteisenstein oder Brauneisenstein und Koks. Aus Koks und Eisenerz wird im Hochofen Roheisen durch Reduktionsprozesse hergestellt.


Abb.1: Hochofenprozesse [2]

Das flüssige Roheisen kommt in den Konverter. Zusätzlich wird noch Eisenschrott zugegeben. Unter Sauerstoffzugabe werden die Begleitelemente oxidiert. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das Frischen), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten; eine externe Wärmezufuhr ist in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Schlacke und die Stahlschmelze werden getrennt voneinander abgestochen, d.h. aus dem Konverter in einen Transportkübel gegossen. Dann folgt der Prozess der Rückkopplung, bei der man noch etwas kohlenstoffhaltiges Eisen hinzu gibt, um den Kohlenstoffgehalt des Stahls zu regulieren, denn dieser darf nicht zu klein werden

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2. Hintergrundwissen

Im 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts hatte man die Beherrschung der Metalle soweit gelernt, das man Schlachtschiffe, große Brücken oder den Eiffelturm, aber auch komplizierte Taschenuhren bauen konnte.  Aber erst seit ca. 1930 hatte man verstanden warum Metalle sich so verhalten, wie sie es tun und man wusste, was im Inneren eines Metalls passiert und warum sich die Eigenschaften ändern.

2.1 Eisen

Eisen kommt in 3 Modifikationen vor: 


Abb.2: Eisenmodifikationen [3]

Neben dem Eisen ist Kohlenstoff der wichtigste Bestandteil im Stahl. Je nach Eisenmodifikation entsteht somit ein Mischkristall aus Eisen und Kohlenstoff.

Eisenmodifikation Fe-C-Mischkristall metallograph. Bezeichnung max. C-Gehalt Struktur
alpha-Eisen alpha-Mischkristall   Ferrit 0,018% bei 723°C kubischraumzentrierte Kristallstruktur
gamma-Eisen gamma-Mischkristall   Austenit 2,06% bei 1147°C kubischflächenzentrierte Kristallstruktur
delta-Eisen delta-Mischkristall delta-Ferrit 0,10% bei 1493°C kubischraumzentrierte Kristallstruktur

Bereits kleinste Veränderungen des Kohlenstoffgehaltes haben große Auswirkungen auf die Eigenschaften des Stahls. Stähle mit einem Gehalt von weniger als 0,25% Kohlenstoff sind leicht verformbar und werden zur Herstellung von Blechen, Konservendosen, Autokarosserien, Drähten und Nägeln verwendet. Liegt der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,25% und 0,7% wird der Stahl härter und lässt sich weniger leicht verformen. Daher wird dieser Kohlenstoffstahl für Eisenbahnschienen, im Maschinenbau, sowie im Stahlbau hauptsächlich verwendet. Die höchste Kohlenstoffkonzentration im Stahl beträgt 0,7% bis 1,5% - der Stahl ist somit sehr hart und kaum verformbar. Seine Verwendung findet Anwendung in der Chirurgie (Chirurgische Instrumente), in der Werkzeugherstellung, sowie als Rasierklingen und Stahlfedern.

2.2 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm


Abb.3: Eisen - Kohlenstoff - Diagramm [4]

Das Diagramm stellt nur den technisch interessanten Kohlenstoffgehalt von 0 bis 6,67% dar.

Grobe Unterteilung:

Oberhalb der Liquiduslinie (ABCD) ist das gesamte Eisen flüssig, zwischen Liquidus- und Soliduslinie (AHIECF) nur ein Teil. Wird bei der Abkühlung der Legierung die Liquiduslinie unterschritten, so beginnt die Primärkristallisation aus der Schmelze.

Zementit = Eisen-Kohlenstoff-Verbindung Fe3C ist eine Phase

Als Primärzementit wird Zementit bezeichnet, das durch eine Kristallisation aus der Schmelze hervorgegangen ist (Linie CD). Sekundärzementit entsteht durch Ausscheidung aus dem Austenit (Linie ES), Tertiärzementit durch Ausscheidung aus dem Ferrit (Linie PQ)

Bei Perlit und Ledeburit handelt es sich nicht um Phasen, sondern um besondere Phasengemische (Gefüge).

Anwendung

Das Zustandsschaubild bildet eine wichtige Grundlage für technische Eisenlegierungen, insbesondere für die Wärmebehandlung von Stählen, mit der man neben der Auswahl von Legierungselementen gezielt Einfluss auf deren Eigenschaften nehmen kann. Mit Hilfe des Fe-C - Diagramms wird festgestellt, in welchem Zustand sich ein unlegierter Stahl mit bekanntem Kohlenstoffgehalt bei einer bestimmten Temperatur befindet und welche Gefügeveränderungen bei Temperaturänderungen zu erwarten sind.

2.3 Veränderung von Stahleigenschaften

Die drei grundsätzlichen Methoden zur Veränderung der Stahleigenschaften sind:

bulletLegieren
bulletKaltverformen (Walzen, Ziehen...)
bulletWärmebehandlung:
a) Glühen: Stahl wird erwärmt und in ruhender Luft abgekühlt;
b) Härten: Stahl wird erwärmt und extrem schnell abgekühlt; man unterscheidet ja nach Abschreckmittel zwischen Wasser-, Öl- oder Lufthärten;
c) Vergüten: Ziel: hohe Zähigkeit und Duktilität zu erreichen. Härten und Anlassen des Stahls bei höherer Temperatur.

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3. Einteilungen von Stählen

Die Einteilung von Stählen verläuft nach Ihren Anwendungen und Eigenschaften.

Gruppe 1: unlegierte Baustähle

bulletS - allgemeiner Baustahl (z.B.: S295)
bulletE - Maschinenbaustahl
bulletP - Druckbehälterbaustahl

Gruppe 2: Einsatzstähle und Vergütungsstähle

bulletC 10 C15 ...... C60...... C n C bedeutet der Anteil des Kohlenstoffes in n/100 in %

Gruppe 3: niedrig legierte Stähle

bullet

Gehalt aller Legierungselementen (außer Kohlenstoff) < 5 %

bulletBeispiel: 15CrNi6
bulletDie erste Zahl kennzeichnet den Anteil von Kohlenstoff: 15 / 100 in % C hier: 0,15%
bullet

Das Legierungselement mit dem höchsten Anteil an der Legierung steht an erster Stelle: Cr

bullet

diesem wird die 1. Zahl hinter den Legierungselementen zugeordnet, dem 2. Element die 2. Zahl usw. Kann man keine Zahl zuordnen, so ist der Anteil unter 1%

bullet

Um den Anteil der jeweiligen Legierungselemente zu bestimmen, muss die Zahl, die dem Element zuzuordnen ist durch eine bestimmte Konstante dividiert werden.

bullet

hier: Cr hat die Konstante 4: der Anteil von Cr beträgt 6/4 in % = 1,5%

bullet

Ni hat einen Anteil von unter 1%

Gruppe 4: hochlegierte Stähle

bulletDer Gehalt eines der Legierungselemente beträgt mindestens 5%
bulletBeispiel: X5CrNiMoV18-8-2
bulletX - Kennzahl für alle hochlegierten Stähle
bullet5/100 in % C
bulletCr Ni Mo V charakterisieren die Legierungselemente
bullet18 % Cr 8 % Ni 2 % Mo unter 1 % V (Molybdän, Vanadium)    

(Vorgehensweise analog Gruppe 3, jedoch kann der Anteil der Legierungselemente in Prozent direkt abgelesen werden, und muss nicht über eine Konstante berechnet werden)

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4. Edelstahl

Alltagsrelevanz: Edelstahl im Haushalt: Töpfe, Besteck, Messer 

Hiermit wird eine Chrom-Nickel-Legierung bezeichnet, die rostfrei, geschmacksneutral und spülmaschinengeeignet ist. Auf Gegenständen aus Edelstahl ist diese Legierung als Ziffernfolge zu finden. So bedeuten: 18/8 einen Anteil von 18 % Chrom, 8 % Nickel, 74 % Stahl, oder 18/10 einen Anteil von 18 % Chrom, 10 % Nickel, 72 % Stahl .

Stähle, die besonders aggressiven Anforderungen im Haushalt genügen müssen, insbesondere alle Arten von Küchenmessern, können folgende Kennzeichnung für Klingenstahl aufweisen: X 45 Cr Mo V 15

Hier liegt ein hochlegierter Stahl (X) vor, dem 15 % Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Vanadium (V) zur Erhöhung der Verarbeitungsfähigkeit hinzugefügt wurde. Der Kohlenstoffanteil, der dafür sorgt dass die Klinge scharf bleibt, beträgt 0,45 %.

Ein so legierter Stahl zeichnet sich durch außergewöhnliche Härte, Beständigkeit, Zähigkeit und Säurebeständigkeit aus.

Experiment:

Kohlenstoffstahl und Edelstahl in Salzsäure legen. Bei dem Kohlenstoffstahl ist eine Gasentwicklung zu beobachten, beim Edelstahl erfolgt keine Reaktion.

Reaktionsgleichung:

2 Fe + 6 HCl --> 2 Fe3+ + 6 Cl- + 3 H2

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5. Rückblick

In der ca. 3000 jährigen Stahlgeschichte sind in den letzten 2 Jahrhunderten sehr viele neue Industriebranchen hinzugekommen, die den Stahl für sich nutzen. Aber ein großer Industriezweig existiert schon mindestens seit den alten Römern: Die Rüstungsindustrie.

Jeder der ca. 900.000 römischen Legionäre war mit einem Kurzschwert, dem "Gladius" bewaffnet und es gab eine regelrechte Rüstungsindustrie.

Die Waffenproduktion war immer schon ein besonders lukrativer Wirtschaftszweig. Kriege, gab und gibt es immer irgendwo, und Aufrüstung bedeutet Arbeit und Aufschwung. Was der Markt verlangt und bezahlt, das wird produziert und geliefert, damals wie heute.

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6. Literatur

  1. http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/advanced/t4_1_1.html  Stand 19.01.2006
  2. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schema_kopie.jpg   Stand 13.04.2016 (Autor: Ivak, Lizenz: Public Domain) 
  3. http://www.lernwerkstoffe.de/.service.html Stand 10.01.2006 (verschollen)
  4. http://de.wikipedia.org/wiki/Eisen-Kohlenstoff-Diagramm  Stand 13.12.2005 (Autor: Eisenbeisser, Lizenz: GNU Free Documentation License)
  5. Holleman - Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, de Gruyter Verlag, Berlin - New York, 1995
  6. Moore - Hummel, Physikalische Chemie, 2. Auflage, de Gruyter Verlag, Berlin - New York, 1973
  7. http://de.wikipedia.org/wiki/Stahl  Stand 13.12.2005  
  8. http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2  Stand 13.12.2005
  9. http://stahl.profzone.ch/stahlx.htm, Stand 10.01.2006
  10. http://www.walzwerke-einsal.de/index.php?id=62  Stand 11.01.2006
  11. http://www.code-knacker.de/edelstahl.htm  Stand 20.01.2006
  12. http://www.damaszener.de/Lexikon/lexikon.html  Stand 22.01.2006
  13. http://home.t-online.de/home/Martin.Marheinecke/home.htm  Stand 19.01.2006

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