Stahl

Man kennt dies aus fast allen Gebieten Lateinamerikas und Teilen Südosteuropas. Zwischen eine Verschalung aus Bretterwänden wird zähflüssiger Beton gekippt. Ein neues Haus entsteht. Um die tragenden Wände des Gebäudes zu stabilisieren und vor äußeren Kräften und Stürmen zu schützen, werden kreisförmige Stahlprofile eingegossen. Dies nennt man Bewehrung. Für das mitteleuropäische Auge befremdlich ist allerdings die Tatsache, dass die Stahlstangen noch Jahre nach Bezug des Hauses gerne bis zu einem halben Meter nach oben herausluken. Für den Nachwuchs wird offenbar vorgesorgt. Denn wird das Haus zu klein, setzt man einfach eine Etage oben drauf. Und dann sind die Stahlstumpen von großer Hilfe.

Eigenschaften:

Stähle sind Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,06 % und 2,06 %. Durch Zulegieren anderer Werkstoffe, den so genannten Stahlveredlern, wird es zum vielseitigsten Werkstoff überhaupt. Beispiele stahlveredelnder Legierungsbestandteile sind Mangan, Chrom, Nickel, Kobalt, Wolfram, Molybdän und Vanadium. Durch Chrom wird er beständiger gegen Korrosion, verschleißfester und härter. Allerdings nimmt die Dehnfähigkeit deutlich ab. Vanadium macht Stahl dauerfest und weniger spröde, und Wolfram verschafft ihm eine hohe Warmfestigkeit. Die Durchhärtung und Zähigkeit wird durch Beimischung von Mangan als Legierungselement erhöht, jedoch sinken die Verarbeitungsqualitäten bei der zerspanenden Bearbeitung ebenso wie der Grad der Verformbarkeit bei niedrigen Temperaturen. Durch das Beimischen von Silizium kann die Zerspanbarkeit dann wieder gesteigert werden.

Anwendung:

Durch die Vielzahl der möglichen Legierungszusammensetzungen kann ein Stahlwerkstoff fast exakt auf seinen Anwendungsfall eingestellt werden. Je nach Gehalt von Legierungselementen spricht man von unlegiertem, niedrig legiertem oder hoch legiertem Stahl. Niedrig legiert ist er dann, wenn die Summe der Legierungsbestandteile die 5 % Prozent-Marke nicht übersteigt. Enthält ein Stahl von einem bestimmten Legierungselement mehr als 5 %, gilt er als hoch legiert. Um die Vielzahl der Stahlwerkstoffe besser unterscheiden zu können, hat sich ein Ordnungssystem etabliert, in dem sowohl die unlegierten als auch die legierten Stahlsorten in Grund-, Qualitäts- und Edelstähle eingeteilt werden.

Grundstähle enthalten nur wenige Stahlveredler. Sie werden auf einfache Weise hergestellt, sind preiswert und für keine Wärmebehandlung vorgesehen. Daher weisen sie nur mäßige Gebrauchseigenschaften auf und sind nur bei geringen Beanspruchungen einsetzbar. Im Gegensatz dazu werden Edelstähle durch eine spezielle Zusammenstellung eben für diese hochwertigen Einsatzfälle ausgelegt. Sie sind hochrein, enthalten zum Teil einen großen Anteil an Legierungselementen und sind für die Wärmebehandlung bestimmt. Anschließend weisen Edelstähle in aller Regel eine hohe Zähigkeit und Härte auf. Qualitätsstähle liegen in ihrem Anwendungsprofil zwischen den Grund- und Edelstählen. Vom Gesetzgeber sind keine Anforderungen an Reinheit oder an das Verhalten bei einer Wärmebehandlung vorgeschrieben.

Neben der Einteilung entsprechend der Menge beigemischter Legierungsbestandteile werden zahlreiche Bezeichnungen verwendet, die den Einsatzzweck der unterschiedlichen Stahlsorten ausdrücken. Demnach teilt man Stähle in die Hauptgruppen Bau-, Konstruktions- und Werkzeugstähle ein. An Baustähle werden vielfältige Anforderungen gestellt. Sie sollten eine hohe plastische Verformbarkeit bei schlagartiger Beanspruchung aufweisen, gut zu verarbeiten, warmfest, korrosions- und hitzebeständig sein und je nach Einsatzzweck über eine gute Leitfähigkeit für Wärme verfügen. Zu den Baustählen zählen beispielsweise Hochbau-, Spann-, Draht- und Schienenstähle.

Einsatz-, Nitrier- und Vergütungsstähle sind Konstruktionswerkstoffe, die sich im Besonderen für eine Wärmebehandlung eignen. Die Randzone von Einsatzstählen ist sehr hart, so dass sich diese Stahlsorte vor allem für Zahnräder oder andere hochbelastete Bauteile eignet. Wird ein sehr verschleißfester Werkstoff benötigt, eignen sich Nitrierstähle, die durch Einbringung von Stickstoff in den Randzonenbereich eine extrem hohe Härte aufweisen.

Vergütungsstähle kommen für dynamisch beanspruchte Maschinenteile wie Wellen, Achsen und Walzen zur Anwendung, da sie durch Härten und anschließendes Anlassen eine enorme Festigkeit aufweisen. Werkzeugstähle werden, wie der Name schon sagt, hauptsächlich zur Anfertigung von Werkzeugen verwendet. Man teilt sie entsprechend ihrer Eignung für die unterschiedlichen Temperaturbereiche in Kalt-, Warm- und Schnellarbeitsstähle ein. Kaltarbeitsstahl wird bis zu einer

Temperatur von maximal 200 °C eingesetzt und eignet sich insbesondere für den Formenbau in der Kunststoffverarbeitung und für Tiefziehwerkzeuge. Beispiele sind 145 Cr 6 für Reibbahlen oder Chromstahl X 210 Cr 12 für Schnittwerkzeuge. Übersteigen die Temperaturen die Marke von 200 °C deutlich, wird auf einen Warmarbeitsstahl zurückgegriffen (z. B. X30WCrV5-3 oder X40CrMoV5-3). Sie sind warmfest, sehr zäh und werden für die spanlose Formgebung von Metallwerkstoffen verwendet. Typische Anwendungen sind Gießkokillen, Pressstempel oder Schmiedegesenke. Zerspan- und Umformwerkzeuge bestehen meist aus Schnellarbeitsstählen, die auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung bis zu einer Temperatur von 600 °C verwendbar sind. Sie haben die höchste Wärmeund Anlassbeständigkeit aller Stahlwerkstoffe. In der Kennung deuten die Buchstaben HS auf einen Schnellarbeitsstahl hin. Die Zahlen geben den Anteil der Legierungselemente Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V) und Kobalt (Co) in Prozent an. HS 18-1-2-5 enthält beispielsweise 18 % W, 1 % Mo, 2 % V und 5 % Co. Mit Schnellarbeitsstählen können hohe Schnittgeschwindigkeiten und Schneidleistungen erzielt werden. 

Verarbeitung:

Die Verarbeitbarkeit von Stahl ist vielfältig und richtet sich nach den Legierungsbestandteilen. Während sich beispielsweise der Baustahl St 37 gut schweißen aber nur mäßig zerspanen lässt, ist der Automatenstahl 9 S Mn Pb 28 wegen seiner hohen Festigkeit für die Zerspanung sehr gut geeignet. Durch die hohen Härtewerte der meisten Stahlwerkstoffe ist die handwerkliche Bearbeitung meist schwierig und nur mit schweren Werkzeugen möglich. Wer sich eine Stahlwerkstatt einrichtet, sollte sich daher umfassend über die Stahlverarbeitung und die dafür benötigten Werkzeuge informieren. Zu diesem Thema sind zahlreiche Bücher veröffentlicht.

Als Grundregel gilt, dass Stahlsorten mit einem geringen Kohlenstoffgehalt leichter umzuformen sind als solche, mit einen hohen Anteil und vielen Legierungsbestandteilen. Wärmebehandlungen erhöhen die Festigkeit und Verringern den Abrieb, so dass sich zwar die mechanischen Eigenschaften verbessern, die Verarbeitbarkeit aber deutlich schwieriger wird. Die bevorzugten Fügetechniken für Stahlwerkstoffe sind das Schweißen und Löten. Für die Oberflächenbehandlung zum dauerhaften Färben von Stahl hat sich ein einfaches Verfahren bewährt, das im Gestaltungsbereich und Modellbau gerne angewendet wird. Hierzu werden Stahlbauteile auf Temperaturen zwischen 220 °C und 300 °C erwärmt, was auch im Küchenbackofen erfolgen kann. Da sich die Anlauffärbung nachträglich nur durch mühsames Abschleifen wieder entfernen lässt, empfiehlt sich vorab der Test an einem Reststück. Vor dem Verfärben muss die Oxidschicht von der Metalloberfläche entfernt werden. Dies kann mit stark verdünnter Schwefelsäure, durch Abschleifen oder Reinigen mit Flussmittel, wie es beim Löten verwendet wird, erfolgen. Wenn die Oxidschicht komplett entfernt wurde, perlen beim abschließenden Spülen keine Wassertropfen mehr ab.

Neben der thermischen Behandlung kann eine schwarze Färbung auch auf chemischem Weg erfolgen. Die von der Oxidschicht befreiten Stahlteile werden hierzu in ein Wasserbad getaucht, in dem auf 3,5 Liter Wasser 6 Teelöffel Natriumthiosulfat gelöst wurden. Der Tauchvorgang sollte so lange wiederholt werden, bis sich die Schwarzfärbung eingestellt hat. Zum Schluss wird mit kaltem Wasser abgespült.

Lieferformen:

Rohstahl wird in flüssiger Form erzeugt und zu Blöcken, Knüppeln, Strängen oder auch Formteilen gegossen. Stahlhalbzeuge werden normalerweise durch Ziehen oder Walzen aus den Rohstahlkörpern erzeugt. Sie sind als T- und U Träger, Hohl- und Rohrprofile, Bleche und Bänder, Flach- und Rundstahl sowie als Drahtwerkstoffe in einem weiten Dimensionierungsbereich erhältlich.

Alternativen:

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, Eisengusswerkstoffe, Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium oder Magnesium