<b>Eisen</b> {{navi|Edelstahl|Roheisen}}'''Stahl''' ist ein die Bezeichnung für die [[Legierung]]en des [[PSE|chemisches Elementchemischen Elementes]] [[Bild:Pfeil.gif]]'''[[Eisen]]'''.
== Allgemein ==
Wegen seines unedlen Charakters kommt '''[[Eisen''' ]] in der Natur nicht rein, sondern nur chemisch gebunden vor. Dies sind in erster Linie [[Eisen]]-[[Sauerstoff]]-Verbindungen, die auch noch mit mineralischen Bestandteilen (genannt Gangart) durchsetzt sind. Das [[Gemenge ]] von [[Eisen]]-Sauerstoffverbindungen und Gangart wird als Eisenerz bezeichnet.
Die Aufgabe der Hüttentechnik ist es jetzt, zum einen die [[Eisen]]-Sauerstoffverbindungen von dieser Gangart zu trennen und zum anderen das [[Eisen ]] vom [[Sauerstoff]].
Erzvorkommen der Erde ca. 500 Milliarden Tonnen
* Spateisenstein (Siderit).
== Hochofen -Prozess ==
Das Eisenerz wird in verschiedenen Verfahren Ausgangsmaterial für die Verhüttung (Schmelze im Hochofen) aufbereitetStahlherstellung ist i.d. Die Aufbereitung besteht im Wesentlichen aus einer Zerkleinerung und Reinigung von Steinen, Erde und anderen Fremdstoffen; diese Aufbereitung wird mechanische Aufbereitung genanntR. Bei einer chemischen Aufbereitung wird durch Erhitzung des Erzes im Drehrohrofen Feuchtigkeit, [[SchwefelRoheisen]] und , welches im [[KohlenstoffdioxidHochofen]] ausgetrieben; Dieser Vorgang nennt sich Rösten (Krupp-Renn-Verfahren). Beim Rösten verlieren die Erze etwa 1/3 des Gewichtes. Das aufbereitete Erz Prozess aus Eisenerzen gewonnen wird mit Zuschlägen (z, s. B. Kalkstein CaCO<sub>3</sub> oder gebrannter Kalk '''[[CaORoheisen]]) gemischt. Diese Mischung wird Möller genannt. Zu dem Möller wird dann Koks (entgaste Steinkohle) hinzugegeben und man erhält dadurch Beschickungsmaterial für den Hochofenherstellung'''.
[[Bild:Hochofen.JPG]]== Stahlherstellung == In den Hochofen werden fortlaufend schichtweise Koks und Möller eingefüllt. Während des langsamen Absackens zur eigentlichen Reaktionszone erwärmt sich da Gemisch mehr und mehr. Gleichzeitig drückt man in den unteren Teil des Hochofens den auf 600 - 1.300 °C vorgewärmten Heißwind, so dass die Luft (+Heizöl oder Kohlenstoffgas) im Inneren des Hochofens nach oben strömt. Von der heißen Luft wird der [[Kohlenstoff]] des glühenden Kokses zu [[Kohlenstoffdioxid|CO<sub>2</sub>]] verbrannt, dieser setzt sich jedoch sofort mit dem Koks wieder zu [[CO]] um. Dieser Vorgang vollzieht sich im stetigen Wechsel bis etwa zur halben Höhe des Schachtes und hört dann wegen der zu niedrigen Temperatur auf.Etwa alle 2 Stunden erfolgt ein Hochofenabstich. Zuerst fließt das schwere Roheisen Damit aus dem Stichloch, dann die leichtere Schlacke, die im Hochofen auf dem Roheisen schwimmt.Das Roheisen wurde früher oft zu 1 m langen, 40 kg schweren Masseln vergossen, (das geschieht in einer Masselgießmaschine mit Kokillen auf einem unendlichen Band), heute wird es in so genannten Torpedowagen zur Weiterverarbeitung transportiert oder es wird flüssig in Roheisenpfannen zum Mischer gebracht. Der Mischer ist ein waagerecht liegender ausgemauerter Zylinder, der um seine Längsachse drehbar ist. Je nach Ausführung hat der Mischer ein Gesamtgewicht von bis zu 3.000 t.Der Mischer hat im Wesentlichen folgende Aufgaben:* Sammelbehälter für das Stahlwerk* Mischung der nie ganz gleichen Abstiche* Schwefelverminderung (fortlaufend langsame Umsetzung von [[Mangan]] ([[Mn]]) + FeS zu MnS + [[Fe]]. MnS ist leichter als [[Fe]] und setzt sich in der Schlacke ab.Dies wird beschleunigt durch die Zugabe von [[Soda]], Calciumcarbid oder [[Magnesium]]. Zusätze zur Reduzierung des [[Phosphor]]s (kalkhaltige Flussmittel) oder [[Silizium]] sind möglich. Die gebundenen Stoffe schwimmen dann auf und können als Schlacke abgegossen werden.Das entstehende Roheisen (1320°C) enthält folgende Bestandteile:* 3…5% [[C]]* 0,2…2% [[Fe]]* 0,2…3% [[Mn]]* 0,1…2% [[P]]* 0,02…0,06% [[S]]Damit aus Roheisen Stahl wird, müssen die Gehalte an diesen verschiedener Begleit[[Elementeelemente]]n deutlich gesenkt werden. Die Umwandlung von [[Roheisen ]] in Stahl wird „Frischen“ „'''Frischen'''“ genannt. Beim Frischen wird [[Luft]] durch oder auf das schmelzflüssige [[Roheisen ]] geblasen, wodurch sich FeO bildet, das mit den Roheisenbegleitern ([[Si]], [[Mn]], [[P]]) wiederum regiert. Diese Reaktionsprodukte gehen dann in die Schlacke über.
* Bildung von FeO auf dem Roheisen, das dann den [[Kohlenstoff]] und die anderen [[Elemente]] im [[Roheisen ]] oxidiert.
* Durch Zusatz von Kalk ist die Schlacke in der Lage, die in dieser Menge unerwünschten Begleit[[elemente]] ([[P]], [[Mn]], [[Si]]) in Form von flüssigen Oxidationsprodukten zu binden.
* Aufgrund der größeren Affinität zu [[Sauerstoff]] werden zunächst [[Silizium]] und [[Mangan]] oxidiert. Das ist für die Stahlherstellung ungünstig, da für den Stahl ein gewisser Prozentsatz (z.B. [[Mn]]) erforderlich ist; und deshalb später wieder zulegiert werden muss. Anschließend verbrennt [[C]] zu [[CO]], das durch Blasenbildung das Bad weiter in Bewegung bringt und schließlich [[Phosphor]]. Dieser Ablauf ist natürlich nicht so zu verstehen, das die Oxidation des [[Kohlenstoff]]s erst dann beginnt wenn [[Si]] und [[Mn]] vollständig verbrannt ist. In Abhängigkeit von Temperatur und Zeit überschneiden sich die Vorgänge. Wenn der Gehalt an [[Kohlenstoff]] oder [[Phosphor]] (0,08 %) zu stark absinkt, muss der Prozess unterbrochen werden, da die Gefahr des Überfrischens besteht (d. h. [[Fe]] verbrennt mit [[Sauerstoff]] im Bad [[Bild:Pfeil.gif]] Der Prozess wird unwirtschaftlich und die Stahlqualität schlecht).
=== Sauerstoffblasverfahren ===[[Bild:Sauerstoffblasverfahren1.JPG|right]]Durch Anreicherung der Verbrennungs[[luft]] mit [[Sauerstoff]] oder durch direktes Aufblasen von [[Sauerstoff]] lässt sich der Wärmehaushalt gegenüber dem SM-Verfahren verbessern. Unter Ausnutzung dieses physikalischen Effektes wurde 1952 in Linz an der Donau das erste LD(Linz/Donawitz)-Verfahren in Betrieb genommen, das mit reinem [[Sauerstoff]] arbeitet.
Durch eine Lanze, die von einem wassergekühlten Mantel umgeben ist, wird reiner [[Sauerstoff]] auf das flüssige Roheisen in den Konverter geblasen. Durch das Verhältnis von Düsenabstand vom Bad und Sauerstoffdruck lässt sich die Schaumigkeit der Schlacke und damit die Größe der Reaktionsfläche zwischen Bad und Schlacke regulieren.
Wegen der hohen Temperaturen von 25002.500 -3000°C 3.000 °C im Brennfleck (also der Auftrefffläche des O2O<sub>2</sub>-Strahles) eilt beim LD-Verfahren die Entphosphorung Ent[[phosphor]]ung der Entkohlung etwas voraus. Es ist daher noch stets ausreichend [[Kohlenstoff]] im Bad enthalten, um ohne Gefahr des Überfrischens den [[P]]-Gehalt auf Werte von weniger als 0,05% zu senken. Ein Blasvorgang dauert 15-30 Min. bei Konvertern bis 400 t.
== Elektrostrahlverfahren ==Die erforderliche Wärme wird bei diesem Verfahren meist durch einen Lichtbogen erzeugt; seltener durch [[Induktion]]. Einsatzstoffe sind neben Roheisen, das bei diesem Verfahren meist in fester Form zugefügt wird, Schrott und Eisenschwamm (aus der Direktreduktion). Da hier kaum wärmeabführende Verbrennungsgase auftreten, lassen sich sehr hohe Temperaturen erreichen (bis 3.500°C). Außerdem können keine Verunreinigungen ins Bad geblasen werden, da kein Heißwind verwendet wird. Der zum Frischen erforderliche [[Sauerstoff]] wird durch Zugabe von Erz zugeführt.
Die erforderliche Wärme wird bei diesem Verfahren meist durch einen Lichtbogen erzeugt; seltener durch [[Induktion]]. Einsatzstoffe sind neben Roheisen, das bei diesem Verfahren meist in fester Form zugefügt wird, Schrott und Eisenschwamm (aus der Direktreduktion). Da hier kaum Wärmeabführende Verbrennungsgase auftreten, lassen sich sehr hohe Temperaturen erreichen (bis 3.500°C). Außerdem können keine Verunreinigungen ins Bad geblasen werden, da kein Heißwind verwendet wird. Der zum Frischen erforderliche [[Sauerstoff]] wird durch Zugabe von Erz zugeführt.Wg. der umfangreichen Frischarbeiten wird der Elektroofen aber heute nicht mehr zur klassischen Stahlherstellung eingesetzt , da die Unterhaltungskosten zu hoch sind. Deshalb ist sein Haupteinsatzgebiet die Herstellung von hochlegierten Edelstählen.
Häufigster Typ: Heroult-Lichtbogenofen mit 3 Elektroden und bis zu 200 t Chargengewicht.
=== Edelstähle ===
Unlegierte Edelstähle sind Stahlsorten, die gegenüber Qualitätsstählen einen höheren '''Reinheitsgrad''', insbesondere bezüglich der nichtmetallischen Einschlüsse, aufweisen. Zu den Edelstählen zählen die im Folgenden aufgeführten unlegierten Stähle:* Stähle mit Anforderungen an die Kerbschlagarbeit im vergüteten Zustand.* Stähle mit Anforderungen an die Einhärtungstiefe oder Oberflächenhärte im gehärteten und ggf. angelassenen Zustand.* Stähle mit besonderen Anforderungen an besonders niedrige Gehalte an nichtmetallische Einschlüsse.* Stähle mit einem vorgeschriebenen Höchstgehalt an [[Phosphor]] und [[Schwefel]] von < 0,02% in der Schmelze und 0,025% am StückBild:Pfeil.* Stähle mit Mindestwerten von über 27 J beim Kerbschlagbiegeversuch an ISO-V-Längsproben bei -50°C.* Kernreaktorstähle mit gleichzeitiger Begrenzung der Gehalte an [[Kupfergif]], '''[[CobaltEdelstahl]] und [[Vanadium]] auf folgende für die Stückanalyse geltende Werte: [[Cu]] < 0,10%, [[Co]] < 0,05%, [[V]] < 0,05%* Stähle mit einem vorgeschriebenen Mindestwert der elektrischen Leitfähigkeit größer als 9m/Ωmm2.* Spannbetonstähle'''
== Werkstoff-Kennzeichnung nach der [[Streckgrenze]] ==
* Härtbare Chromstähle (martensitische Stähle): Dies sind reine Chromstähle, die nach Abschrecken von höherer Temperatur eine starke Härtezunahme zeigen, d.h. sie sind durch eine Wärmebehandlung härtbar. Sie sind magnetisch.
* Nicht härtbare Chromstähle (ferritische Stähle): Da sie keinen [[Kohlenstoff]] enthalten, reagieren sie nicht auf eine Warmbehandlung, d. h. sie sind nicht härtbar. Auch diese Stähle sind magnetisch.
* [[Chrom]]-[[Nickel]] und [[Chrom]]-[[Nickel]]-[[Mangan]]-Stähle (austenitische [[austenit]]ische Stähle): Sie sind durch eine Wärmebehandlung nicht härtbar. Eine Steigerung von [[Härte]] und [[Festigkeit]] kann nur durch Kaltverformung erreicht werden. Sie sind nicht magnetisch, können jedoch nach einer Kaltverformung leicht magnetisch werden.
Für die AISI-Code-Klassifizierung ergeben sich folgende Kurzbeschreibungen:
* Serie AISI 2xx: Sie werden der Klasse 3 zugeordnet. Sie haben erhebliche Nickelgehalte[[Nickel]]gehalte, die teilweise durch Mn ersetzt werden, um die austenitische Struktur zu erhalten. Die Korrosionsbeständigkeit liegt über der 400 Serie. Sie besitzen ausgezeichnete Verformungs- und Schweißeigenschaften. Sie sind nicht magnetisch und nicht härtbar.
* Serie AISI 3xx: Auch sie werden der Klasse 3 zugeordnet. Ihre Eigenschaften entsprechen den der Serie 200. Daneben besitzen sie jedoch ausgezeichnete Tieftemperatureigenschaften. Die Zähigkeit bleibt bis zum absoluten Nullpunkt erhalten.
* Serie AISI 4xx: Je nach ihrer Zusammensetzung erfolgt eine Zuordnung zur Klasse 1 oder die Verformbarkeit ist noch gut, de Schweißbarkeit nur mäßig. Sie sind magnetisch und härtbar. Die Korrosionsbeständigkeit ist schlechter als bei den Serien 200 und 300.
Einsatzbereiche:
* Allgemeine Verwendung: AISI 202, 302, 410, 430
* Hohe [[Festigkeit]]: AISI 201, 301
* Gut schweißbar: AISI 304, 321, 347, 405, 304L, 316L
* Max. Korrosionsbeständigkeit: AISI 316
* Für höhere Temperatur: AISI 310, 446
* Gut Schweißbarschweißbar: AISI 303, 416, 430F
* durch Warmbehandlung härtbar: AISI 420, 440
Bei werkstoffgerechter Verarbeitung sind die Korrosionsbeständigen Stähle kaum heißrissgefährdet. Dennoch kann beim Schweißen einiges verkehrt gemacht werden. Beim [[Schweißen]] der austenitischen Stähle sind deren physikalische Eigenschaften unbedingt zu beachten:
* Die [[Wärmeleitfähigkeit]] ist im Vergleich zum einfachen Baustahl weitaus geringer. Es kommt zum Wärmestau im Bereich der Schweißnaht. Hinzu kommt das die Austenite einen um 50% höheren [[AusdehnungskoeffizientenAusdehnungskoeffizient]] en besitzen. Dies führt besonders bei den dünnen Blechen zum Verzug. Die Wärme muss aus dem Schweißbereich abgeführt werden. Bewährt hat sich Festspannen auf Kupferschienen, die unmittelbar neben der Schweißfuge positioniert werden. Der hohe elektrische Widerstand macht sich bei der Strombelastbarkeit der Elektroden bemerkbar.
* Heißrisse entstehen durch niedrig schmelzende Phasen auf den Korngrenzen.
* [[Nickel]] bildet mit [[Schwefel]] ein [[Eutektikum]], das erst bei 630°C erstarrt. Daher ist jeglicher Schwefeleintrag in das Schweißbad zu vermeiden. Der Nahtbereich ist vor dem Schweißen zu entfetten. Es sind saubere Handschuhe bei der Verarbeitung zu tragen.
* Die Wärmeableitung in dem austenitischen Grundwerkstoff erfolgt nur langsam. Der Wärmestau an der Schmelzlinie verlangsamt die [[Erstarrung ]] der Schmelze und erhöht somit die Neigung zum Seigern, wodurch die Heißrissgefahr wieder wächst. Daraus ergibt sich die Forderung, mit möglichst kleiner Streckenenergie (= Wärmeenergie) zu schweißen. Ein Vorwärmen ist unbedingt zu vermeiden. Die Zwischenlagentemperatur ist nach oben (ca. 160-180°C) zu begrenzen. Bei Bedarf ist sofort Zwischenzukühlen.
* Der Lichtbogen ist möglichst kurz zu halten, um den Stickstoffeintrag aus der [[Luft]] in das Schweißbad zu verhindern. [[Stickstoff]] wirkt sehr stark austenitisierend (Faktor 30 bezogen auf Nickel) so das Gefahr besteht, das die Legierung in das vollaustenitische Gebiet hineindriftet und dadurch plötzlich heißrissgefährdet wird.
== Korrosionsbeständigkeit ==
Die Korrosionsbeständigkeit der [[Cr]]-[[Ni]]-Stähle wird durch das Ausbilden einer Passivschicht auf der Werkstoffoberfläche erreicht, die den Kontakt und damit eine chemische Reaktion zwischen Medium und Grundwerkstoff verhindert bzw. reduziert. Zur Bildung dieser Schicht sind mindestens 12% freies [[Chrom]] in den oberflächennahen bereichen Bereichen erforderlich.
Das weitaus größte Problem bei der Verarbeitung von austenitischen Stählen ist Chromcarbidausscheidung ([[Kohlenstoff ]] diffundiert sehr stark und verbindet sich mit [[Chrom]]). Der kritische Temperaturbereich liegt bei 450-850°C850 °C. Dabei scheidet sich Chromkarbid bevorzugt an den Korngrenzen ab. Als Folge hiervon verarmen die korngrenznahen Gefügebereiche an [[Chrom]], der Werkstoff fällt unter die Grenze der chemischen Beständigkeit (Resistenzgrenze 12%). Die perlschnurartigen Korngrenzenkarbide führen in Anwesenheit von korrosiven Medien zum Kornzerfall = interkristalline Kossosion.
Die interkristalline Korrosion kann wie folgt verhindert werden:
*1. Verwendung von stabilisierten Legierungen und Schweißzusatzwerkstoffen. Dies sind [[Legierungen]], die Zusätze an [[Titan]] und [[Niob]] besitzen. Sie binden den [[Kohlenstoff]] so fest ab, das auch bei höheren Temperaturen keine Chromkarbide entstehen können. Z.B.:
X 10CrNiTi 10 [[Cr]][[Ni]][[Ti]] 18 9 – Titanstabilisiert[[Titan]]stabilisiert
X 10CrNiNb 10 [[Cr]][[Ni]][[Nb]] 18 9 – Titanstabilisiert[[Titan]]stabilisiert
*2. Einsatz von ELC-Stählen (Extra Low Carbon). Diese Stähle besitzen einen Gehalt von < 0,05% [[Kohlenstoff]]. Der gesamte [[Kohlenstoff ]] bleibt im Austenit gelöst, es kommt zu keiner Chromkarbidausscheidung. Z.B.:X 5 CrNi [[Cr]][[Ni]] 18 9 = 0,05% [[C]]
X 2 CrNi [[Cr]][[Ni]] 18 9 = 0,02% [[C]]
*3. Lösungsglühen: Karbide in nicht stabilisierten Stählen werden durch Glühen bei 1.050-1.150°C gelöst. Nachfolgendes schnelles Abkühlen verhindert dann ein erneutes Ausscheiden.
--[[Benutzer:Anthony|Anthony]]
== Übung ==
Ergänze den folgenden Lückentext zum Thema "Stahlerzeugung":
== Weblinks ==Als Rohstoff für die Roheisenherstellung im Hochofen wird (1) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ eingesetzt. Dieses wird mit Kalk als Zuschlagstoff und Koks dem Hochofen laufend von oben zugeführt. Der Koks erfüllt im Hochofen zwei Aufgaben: Zum einen liefert er die zum Schmelzen des Eisens notwendige (2) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , zum anderen entzieht er dem Eisenoxid den (3) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . Hierbei entsteht (4) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , welches als Abgas dem Hochofen entweicht. Das Roheisen ist aufgrund seines hohen Gehaltes an (5) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ noch zu spröde und damit technisch nicht verwertbar. Das Roheisen wird deshalb noch in einem sich anschließenden Prozess, dem (6) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , zum eigentlichen Stahl aufbereitet. Das schmelzflüssige Roheisen wird hierzu in einen Konverter gefüllt und durch Aufblasen von reinem Sauerstoff gefrischt. Dabei verbindet sich der Sauerstoff mit dem überschüssigen (7) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , des Roheisens zu (8) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , das der Schmelze entweicht. Um das Schmelzbad zu kühlen, wird dem Roheisen noch bis zu 25% (9) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ zugefügt. Hierdurch können gleichzeitig wertvolle Rohstoffe wiedergewonnen werden.
{{cb|-|129 u. 189|240}}{{www}}* [http://www.quarkswdr.de/tv/applications/fernsehen/wissen/quarks/pdf/Q_Stahl.pdf Stahl - Script zur WDR-Sendereihe "Quarks & Co" (PDF-Datei)]* Prof. Dr.-Ing. K.-Ch. Thienel: [http://www.unibw.de/bauv3/lehre/skripten/chemie-und-eigenschaften-metallischer-werkstoffe.pdf Chemie und Eigenschaften metallischer Werkstoffe - Stahl und NE-Metalle. Script zur Vorlesung an der Bundeswehr-Universität München]
[[Kategorie:Werkstofftechnik]][[Kategorie:Lerngebiet 12.7: Werkstoffe auswählen und prüfen]]