Stahl

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Edelstahl		Roheisen

Stahl ist die Bezeichnung für die Legierungen des chemischen Elementes 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

Jährliche Fördermenge ca. 700 Millionen Tonnen

Die wichtigsten Eisenerze sind:

• Magneteisenstein (Magnetit)
• Roteisenstein (Hämatit)
• Brauneisenstein (Limonit)
• Spateisenstein (Siderit).

Hochofen-Prozess

Ausgangsmaterial für die Stahlherstellung ist i.d.R. Roheisen, welches im Hochofen-Prozess aus Eisenerzen gewonnen wird, s. Roheisenherstellung.

Stahlherstellung

Damit aus Roheisen Stahl wird, müssen die Gehalte verschiedener Begleitelemente deutlich gesenkt werden. Die Umwandlung von Roheisen in Stahl wird „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.

• Si + FeO SiO₂ + 2 Fe
• Mn + FeO MnO + Fe
• C + FeO CO + Fe
• 2 P + 5 FeO P₂O₅ + Fe

Die Schlackeschicht hat folgende Funktionen:

• 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 Begleitelemente (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 Kohlenstoffs 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 Der Prozess wird unwirtschaftlich und die Stahlqualität schlecht).

Sauerstoffblasverfahren

Durch Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauerstoff oder 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 2.500 - 3.000 °C im Brennfleck (also der Auftrefffläche des O₂-Strahles) eilt beim LD-Verfahren die Entphosphorung 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.

Elektrostahlverfahren

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.

Bezeichnungen

Der nach dem Frischen gewonnene Stahl lässt sich nach seiner chemischen Zusammensetzung in drei Legierungshauptgruppen unterteilen:

• Unlegierter Stahl: Die Grenzgehalte der nachfolgenden Elemente wird nicht überschritten (Auszug): Si = 0,50%, Mn = 1,65%, Al = 0,01%, Ti = 0,05%, Cr/Ni = 0,30%, Bor = 0,00008%
• Niedriglegierter Stahl: Die Grenzgehalte der obigen Elemente wird überschritten, im Allgemeinen jedoch nicht mehr als 5%.
• Hochlegierter Stahl: Stähle mit mehr als 5% Legierungsbestandteilen.

Grundstähle

Grundstähle sind unlegierte Stahlsorten mit Güteanforderungen, deren Erfüllungen keine Maßnahmen bei der Herstellung erfordert. Sie erfüllen die folgenden Bedingungen:

• Die Stähle sind nicht für eine Warmbehandlung bestimmt.
• Die nach den Normen oder Lieferbedingungen für den unbehandelten oder normalgeglühten Zustand einzuhaltenden Anforderungen, liegen innerhalb definierter Grenzen z.B.: max. zul. Schwefel- und Phosphorgehalt 0,045%.
• Weitere besondere Merkmale (wie Eignung zum Tiefziehen, Ziehen, Kaltprofilieren) sind nicht vorgeschrieben.
• Abgesehen von den Silizium- und Mangangehalten sind keine weitern Gehalte für Legierungselemente vorgeschrieben.

Qualitätsstähle

Qualitätsstähle sind Stahlsorten, für die im Allgemeinen kein gleichmäßiges Ansprechen auf eine Wärmebehandlung und keine Anforderungen an den Reinheitsgrad bezüglich nichtmetallischer Einschlüsse vorgeschrieben sind. Aufgrund der Beanspruchungen, denen sie beim Gebrauch ausgesetzt sind, bestehen jedoch im Vergleich zu den Grundstählen schärfere oder zusätzliche Anforderungen, zum Beispiel hinsichtlich der Sprödbruchempfindlichkeit, der Korngröße, der Verformbarkeit, so das die Herstellung der Stähle besondere Sorgfalt erfordert. Zu den unlegierten Qualitätsstählen zählen alle unlegierten Stähle, die nicht als Grundstähle oder Edelstähle einzustufen sind.

Legierte Qualitätsstähle sind:

• Schweißgeeignete Feinkornstähle
• Stähle mit besonderen elektrotechnischen Anforderungen wie Permeabilität, magnetische Induktion.
• Legierte Stähle für Schienen, Grubenausbau und Spundwände
• Stähle, die für schwierige Kaltformarbeiten bestimmt sind, und
• Stähle, die nur Cu als Legierungselement aufweisen.

Edelstähle

Edelstahl

Werkstoff-Kennzeichnung nach der Streckgrenze

Warmgewalzte Erzeugnisse aus unlegierten Baustählen nach DIN EN 10025 z.B.: Stahl EN 10025 – S 355 J 2G 3 C (früher DIN 17100: QSt 52-3)

• S 355= Mindestwert der Streckgrenze von 355 N/mm² für Dicken < 16 mm
• J2G3= Kennzeichen für die Gütegruppe im Hinblick auf die Schweißeignung und Kerbschlagarbeit.
• C= Eignung zum Kaltbiegen, Abkanten, Kaltflanschen oder Kaltbördeln.

Benennung der Stähle nach DIN EN 10027 Teil 1

Zur Identifizierung von Stählen erschien im September 1992 die DIN EN 10027 Teil 1. Diese Norm legt die Regeln für die Bezeichnung der Stähle durch Kennbuchstaben und Zahlen sowie Hinweise auf besondere Eigenschaften fest.

Hauptsymbole nach DIN EN 10027 Teil 1

Die Hauptsymbole setzen sich aus einem Buchstaben als Hinweis auf die Verwendung des Stahles und der Beschreibung der Eigenschaften des Werkstoffes zusammen. Hier nur einige Buchstabenbeispiele:

• S = Stähle für den allgemeinen Stahlbau
• P = Stähle für den Druckbehälterbau
• L = Stühle für den Rohrleitungsbau
• E = Maschinenbaustähle
• B = Betonstähle

Nach diesen Buchstaben folt die Beschreibung der Eigenschaften eine Zahl, die den Mindeststreckgrenzwert in N/mm² entspricht. Zur Veranschaulichung folgendes Beispiel:

• Stahl für den Stahlbau = S
• Streckgrenze Reh >= 235 N/mm²

Korrosionsbeständige Stähle

Die korrosionsbeständigen Stähle sind alle hochlegiert, d.h. nach der Normung enthalten diese Legierungen > 5% Legierungselemente. Die wesentlichen Legierungselemente sind Chrom und Nickel. Daneben enthalten sie Kohlenstoff, Mangan und Silizium.

Sonderqualitäten enthalten ferner Molybdän, Tantal, Titan, Schwefel oder andere Elemente. Die Chromgehalte liegen zwischen 11,5 und 27%, die Nickelgehalte zwischen 1,25 und 36%.

Um Vergleichs-Standards zu schaffen, hat das American Iron and Steel Institute (AISI) die Standartsorten mit einem Zifferncode bezeichnet.

Auf Grund ihrer metallurgischen Struktur unterteilt man die korrosionsbeständigen Stähle in 3 Klassen:

• 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 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, 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.
• Serie AISI 5xx: Wegen des geringen Cr-Gehaltes keine wirklich korrosionsbeständigen Stähle, auch wenn sie so bezeichnet werden. Genau genommen gehören sie zu der Kategorie der wärmebeständigen Stähle. Diese sind durch einen Cr-Gehalt zwischen 4-10% definiert, schließen jedoch keine Werkzeugstähle ein.

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 schweißbar: AISI 303, 416, 430F
• durch Warmbehandlung härtbar: AISI 420, 440

Gefügezustände:

• Austenitisch: AISI 201, 202, 301, 302, 303, 304, 310, 316, 321, 347
• Martensitisch: AISI 410, 416, 420, 440
• Ferritisch: AISI 405, 430, 430F, 446

Weitere korrosionsbeständige Stähle mit anderen Bezeichnungen: Hier sind besonders die Bezeichnung PH (Precipitation Hardening = Ausscheidungshärtend) in ihre Benennung. Zu den wichtigsten Vertretern dieser Gattung gehören:

• 15-7 PH: Mo-Cr-Ni, gute mechanische Eigenschaften bis 550°C, sehr gute Korrosionsbeständigkeit, gute Festigkeit, gut bearbeitbar, austenitisch und martensitisch.
• 17-4 PH: Zunderfrei härtbar, gute Festigkeit bis 500°C, gute Korrosionsbeständigkeit, martensitisch
• 17-7 PH: Sehr gute Korrosionsbeständigkeit, gute Festigkeit, austenitisch und martensitisch
• A 286: Korrosion- und wärmebeständiger Stahl, sehr hohe Festigkeit bis ~ 700°C, nicht magnetisch, gute Zähigkeit, ersetzt teilweise Superlegierungen bei Verdichter und Turbinenscheiben.

Um die Korrosionsbeständigkeit gegen besonders aggressive Medien zu erhöhen, werden noch weitere Legierungselemente wie z.B. Mo, Si, Cu hinzulegiert.

• Ferritbildner: Chrom, Titan, Aluminium, Tantal, Silizium, Molybdän und Vanadium sind so genannte Ferritbildner. Je nach Legierungsanteil stabilisieren sie das kubisch-raumzentrierte Gitter und schnüren die austenitische Phase ein. Der Werkstoff besitzt eine ferritische Struktur.

• Austenitbildner: Nickel, Cobalt, Mangan, Stickstoff und Kohlenstoff sind so genannte Austenitbildner, d.h. je nach Legierungsanteil wird das kubisch-flächenzentrierte Gitter stabilisiert und die austenitische Phase erhalten. Nickel hat dabei die größte Wirkung.

Schweißen von korrosionsbeständigen Stählen

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 Ausdehnungskoeffizienten 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 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 °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 10 CrNiTi 18 9 – Titanstabilisiert

X 10 CrNiNb 18 9 – Titanstabilisiert

• 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 18 9 = 0,05% C

X 2 CrNi 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.

--Anthony

Übung

Ergänze den folgenden Lückentext zum Thema "Stahlerzeugung":

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.

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen zum Thema Stahl:
Chemie FOS-T     auf Seite -	Chemie heute     auf Seite 129 u. 189	Elemente Chemie     auf Seite 240

Weblinks

• Stahl als Google-Suchbegriff
• Stahl in der Wikipedia
• Stahl hier in bs-wiki.de mit Google
• Stahl als Youtube-Video
• Stahl - Script zur WDR-Sendereihe "Quarks & Co" (PDF-Datei)
• Prof. Dr.-Ing. K.-Ch. Thienel: Chemie und Eigenschaften metallischer Werkstoffe - Stahl und NE-Metalle. Script zur Vorlesung an der Bundeswehr-Universität München