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Stahl,

 

allgemeine Bezeichnung für metallische Werkstoffe, die zum größten Teil aus Eisen bestehen und nicht mehr als 2 % Kohlenstoff enthalten. Stahl ist der wichtigste Konstruktionswerkstoff in nahezu allen Bereichen der Technik. Die Eigenschaften von Stahl sind bei der Erschmelzung durch eine Änderung der Legierungszusammensetzung, d. h. durch Zusatz von Legierungselementen (v. a. Metalle), in großen Bereichen variierbar. Nach der Herstellung können die Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung (z. B. Härten, Glühen, Anlassen), durch die Art der Kaltverformung sowie durch thermomechanische Behandlung oder durch Beschichten verändert und dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden. Stahl ist im warmen und kalten Zustand durch Walzen, Pressen, Schmieden, Schneiden u. a. Verfahren umformbar. Bei einem Kohlenstoffgehalt über 2 % wird der Stahl spröde und verliert seine Umformbarkeit. Eisen mit einem höheren Kohlenstoffgehalt bezeichnet man als Gusseisen oder Roheisen. Als Grundlage für die Einstellung der Gefüge und der damit verbundenen Eigenschaften dient das Verhalten reiner Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, ersichtlich im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Je nach eingestellter Gefügeart unterscheidet man austenitischen Stahl, martensitischen Stahl (martensitaushärtende Stähle), ferritischen Stahl mit ferromagnetischen Eigenschaften, perlitischen Stahl mit hoher Härtbarkeit und Vergütbarkeit (Vergütungsstahl), ledeburitischer Stahl, die Eisencarbid oder harte Carbide von Wolfram, Titan u. a. enthalten, und bainitischer Stahl (Bainit). Wird der Stahl außer mit Kohlenstoff noch mit anderen Elementen zu bestimmten Prozentanteilen legiert, spricht man von legiertem Stahl, z. B. Chromstahl, Manganstähle, Nickelstahl (Nickellegierungen). Diese Legierungselemente lassen sich einteilen in solche, die das Gebiet des γ-Eisens (im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) erweitern (neben Kohlenstoff u. a. Mangan, Nickel, Kobalt, Stickstoff), und solche, die es verengen (u. a. Silicium, Phosphor, Vanadium, Chrom, Molybdän, Wolfram). Bei den Stählen mit erweitertem γ-Gebiet bleibt beim Abkühlen vom Schmelzpunkt bis zur Raumtemperatur das kubisch-flächenzentrierte Gitter des Austenits (beim austenitischen Stahl), bei den in der Zusammensetzung außerhalb des verengten γ -Gebietes liegenden Stählen das kubisch-raumzentrierte Gitter des α-Eisens erhalten (beim ferritischen Stahl). Stähle mit einem niedrigeren Gehalt an Legierungselementen als in der DIN EN 10 020-89 festgelegt (z. B. Mangan 1,65 %, Nickel 0,3 %, Kobalt 0,1 %, Silicium 0,5 %, Vanadium 0,1 %, Chrom 0,3 %, Molybdän 0,08 %, Wolfram 0,1 %) werden als unlegierte Stähle bezeichnet.

 

In der DIN EN 10 020-89 werden innerhalb der Hauptgruppen der legierten beziehungsweise unlegierten Stähle Grundstahl, Qualitätsstahl und Edelstahl unterschieden. Grundstähle sind unlegierte Stähle mit Güteanforderungen, deren Erfüllung keine besonderen Maßnahmen bei der Herstellung erfordern. Als Qualitätsstahl bezeichnet man bestimmte legierte und unlegierte Sorten, für die im Allgemeinen kein gleichmäßiges Ansprechen auf eine Wärmebehandlung verlangt wird. Bei der Herstellung ist besondere Sorgfalt nötig, um bestimmte Oberflächenbeschaffenheit, Gefüge und Zähigkeit zu erreichen (z. B. Baustahl, Schienenstahl). Zu den Edelstählen gehören legierte und unlegierte Sorten, die für eine besondere Wärmebehandlung bestimmt sind und durch spezielle Herstellungsbedingungen eine höhere Reinheit als Qualitätsstähle haben (z. B. Werkzeugstahl, nicht rostender Stahl, warmfester Stahl).

 

Neben der Stahlsorte ist auch die Erzeugnisform für eine Unterscheidung wichtig (DIN EN 10 079-92). Es gibt aus dem Rohstahl hergestellte Halbzeuge und Walzstahlfertigerzeugnisse, z. B. Band-, Breitflach-, Stabstahl, Stahlblech (Blech) sowie Formstahl, Profilstahl und Walzdraht (Profil). Andere Einteilungen, z. B. die nach der Herstellungsart, haben an Bedeutung verloren, da die klassischen Stahlerzeugungsverfahren (Blasverfahren - Blasstahl) wie das Thomas-Verfahren (Thomas-Stahl), das Bessemer-Verfahren (Bessemer-Stahl) und das Siemens-Martin-Verfahren (Martin-Stahl) weitgehend durch moderne Sauerstoffblasverfahren (Oxygenstahl) oder, v. a. in der Schrottverwertung, durch Elektrostahlverfahren (Elektrostahl) abgelöst wurden. Im allgemeinen Gebrauch sind weiterhin Bezeichnungen, die sich am Verwendungszweck beziehungsweise an der Eignung für besondere Fertigungsverfahren orientieren, z. B. Automatenstahl (Automatenlegierungen), Baustahl, Betonstahl, Federstahl, Schnellarbeitsstahl und Werkzeugstahl. Aufgrund zahlreicher Neuentwicklungen auf dem Stahlsektor ist diese Einteilung jedoch zum Teil überholt. Weitere Kriterien sind die Art der Wärmebehandlung (gehärteter Stahl, angelassener Stahl, vergüteter Stahl, getemperter Stahl), der Nachbehandlung (Einsatzstahl, Nitrierstahl) oder der Oberflächenbeschichtung (verzinkter Stahl, verchromter Stahl). Man spricht von beruhigtem Stahl, wenn vor dem Vergießen des flüssigen Stahls der gelöste Sauerstoff durch Elemente mit hoher Bindungsenthalpie (z. B. Silicium, Mangan, Aluminium, Calcium) abgebunden wird. Im Gegensatz zum unberuhigten Stahl verläuft die Erstarrung ohne Gasentwicklung, bei geringerer Seigerung, aber mit Lunkerbildung. Stähle mit besonderen technologischen Eigenschaften (Sonderstahl) sind kaltzähe Stähle (austenitischer Stahl mit Nickel und Chrom-Nickel-Legierungen mit ausreichender Zähigkeit im Bereich von —50 ºC bis —270 ºC), warmfeste Stähle (ferritisch-perlitischer Chromstahl bis 800 ºC), korrosionsbeständige Stähle (ferritischer oder perlitisch-martensitischer Chromstahl mit mehr als 12 % Chrom, austenitischer Chrom-Nickel-Stahl) und altersbeständige Stähle.

 

Zur systematischen Benennung von Stahl gibt es einheitliche Kennzeichnungssysteme (DIN EN 10 027, Teile 1 und 2-92), bei denen die Stahlsorte durch eine Folge von Zahlen und Buchstaben beschrieben werden kann. Allgemeine Baustähle werden nach der Streckgrenze eingeteilt. Dabei ist der Abkürzung S eine Zahl zugeordnet, die die Streckgrenze in N/mm² benennt. Die chemische Zusammensetzung wird bei Stahl angegeben, die durch Kohlenstoffgehalt und Legierungselemente besondere Eigenschaften erhalten, z. B. C 45 für Qualitätsstahl mit 0,45 % Kohlenstoff. Bei legierten Stählen werden neben der Kohlenstoffkonzentration die Legierungselemente (chemisches Symbol) und bei höherem Gehalt ihr prozentualer Anteil aufgeführt (z. B. 10 CrMo 9-10). Zusätzliche Buchstaben kennzeichnen gegebenenfalls den Behandlungszustand (z. B. A - angelassen, H - gehärtet, NT - nitriert) oder bestimmte Eigenschaften (z. B. C - für Kaltumformung geeignet).

 

 Stahlerzeugung

 

Die Herstellung von Stahl aus dem im Hochofen gewonnenen Roheisen, Schrott sowie in geringen Mengen auch Eisenschwamm beruht im Wesentlichen darauf, dass die im Roheisen gelösten Begleitelemente des Eisens, besonders der Kohlenstoff (3,5-4,5 %), daneben auch Mangan (0,3-0,5 %), Silicium (0,2-0,4 %), Phosphor (unter 0,1 %) und Schwefel (unter 0,03 %) durch Frischen in Form von Schlacke oder gasförmigen Verbindungen ganz oder teilweise entfernt werden.

 

Für das Frischen des Roheisens wurden mehrere technische Verfahren entwickelt, die sich allgemein in die Blasverfahren und die Herdfrischverfahren unterteilen lassen. Bei den Blasverfahren sind als ältere Verfahren v. a. das Bessemer-Verfahren und das Thomas-Verfahren zu nennen, die inzwischen durch die Sauerstoffblasverfahren verdrängt wurden. Bei diesen Verfahren gibt es mehrere Varianten, die sich v. a. durch die Art des Blasens mit reinem Sauerstoff voneinander unterscheiden. Am bekanntesten ist das LD-Verfahren, mit dem heute weltweit der meiste Stahl hergestellt wird. Ein wichtiges Konkurrenzverfahren zur Sauerstoffblas-Metallurgie ist das OBM-Verfahren. Dieses Verfahren zeichnet sich gegenüber dem LD-Verfahren u. a. durch eine intensivere Durchmischung der Schmelze und eine kürzere Blasdauer aus. Das OBM-Verfahren gab wichtige Impulse für weitere Entwicklungen. Es entstanden die kombinierten Blasverfahren, bei denen der Sauerstoff sowohl über eine Blaslanze als auch über Düsen im Konverterboden zugeführt wird. Die kombinierten Verfahren erlauben den hohen Schrottsatz der reinen Aufblasverfahren, weisen aber gleichzeitig die Vorteile der Bodenblasverfahren auf. Außerdem ist die Treffsicherheit beim Einstellen der chemischen Zusammensetzung der Schmelze höher, der Reinheitsgrad wird verbessert und die Schlackenmenge und Auswurfneigung verringern sich. Weitere Vorteile sind geringere Kosten und gute Bedingungen für den Einsatz eines Prozessmesssystems. Bei den kombinierten Blasverfahren gibt es zahlreiche Varianten. Da mit ihnen unterschiedliche Stahlsorten optimal und wirtschaftlich hergestellt werden können, sind sie heute bei der Stahlerzeugung allgemein üblich.

 

Bei den Herdfrischverfahren sind das Elektrostahlverfahren und das Siemens-Martin-Verfahren zu nennen. In Elektrostahlwerken werden etwa zwei Drittel des zur Verfügung stehenden Schrotts verbraucht. Eingeschmolzen wird Edelstahlschrott für die Erzeugung von hochlegierten Edelstahl und verunreinigter Sammelschrott, der sich aus qualitativen Gründen nicht ohne weiteres für die Produkte eignet, die mit der Sauerstoffblas-Metallurgie erzeugt werden. Zur Herstellung von Stählen mit niedrigen Anteilen an Spurenelementen kann ein Teil des Schrotts durch Eisenschwamm ersetzt werden. Das Siemens-Martin-Verfahren wurde in Westeuropa und Japan durch die Sauerstoffblasverfahren weitgehend verdrängt, stellt aber v. a. in den osteuropäischen Ländern sowie in China, Brasilien und Indien noch ein wichtiges Stahlerzeugungsverfahren dar. - Von Bedeutung ist, neben der Aufarbeitung von Roheisen zu Stahl, auch die Stahlerzeugung durch Eisenschwamm. Nach dem Frischen wird der gewonnene Rohstahl im Allgemeinen einer Nachbehandlung unterzogen, um die Qualität des Stahls zu verbessern. Diese Verfahren sind heute unter dem Begriff Sekundärmetallurgie zusammengefasst. Dazu gehören die weitere Reduzierung unerwünschter Elemente und nichtmetallischer Verunreinigungen, das Legieren und Homogenisieren der Schmelze sowie das Einformen nichtmetallischer Einschlüsse zur Erzielung spezifischer Stahleigenschaften. Übliche Behandlungen sind z. B. die Desoxidation (Entfernung des Sauerstoffs für beruhigte Stähle) durch Zusatz von Ferrosilicium oder Aluminium, die Spülgasbehandlung (Argon durchperlt die Schmelze und schwemmt Verunreinigungen an die Oberfläche) und die Vakuumbehandlung (der Druck über der Schmelze wird vermindert, damit gelöste Gase besser entweichen), die Behandlung mit synthetischen Schlacken oder Pulvergemischen und das Aufheizen der Schmelze im Pfannenofen. Durch die Sekundärmetallurgie können die Zusammensetzung des Stahls mit hoher Genauigkeit eingestellt, eine gleich bleibende Qualität gewährleistet und vielfältig modifizierte Stahlsorten (heute über 2 000) hergestellt werden. Die durchgeführten Maßnahmen sind vom Primärprozess (Frischen) losgelöst und werden in Pfannen aus hochwertigem Feuerfestmaterial vorgenommen, weshalb man auch von Pfannenmetallurgie spricht.

 

Der fertig behandelte Stahl wird schließlich mithilfe verschiedener Abgießtechniken in eine für die nachfolgende Weiterverarbeitung im Walzwerk oder in der Schmiede geeignete Form gebracht. Dabei hat sich das Stranggießen (Gießerei) durchgesetzt. Im Gegensatz zu dem früher v. a. angewandten Blockgießen entfällt aufgrund der kleineren Querschnitte der Stahlstränge das Vorwalzen auf einer besonderen Walzstraße (Blockbrammenstraße). Die weitere Entwicklung in der Abgießtechnik ist auf die Erzielung noch geringerer Ausgangsquerschnitte gerichtet (endabmessungsnahes Gießen). Aussichtsreiche Technologien sind das Bandgießen und Dünnbandgießen, bei denen gegossenes Vorband in der Stranggießanlage durch Walz-Reduzieren auf Dicken von 20 beziehungsweise 10 mm gebracht wird.

 

Wirtschaftliches

 

Stahlindustrie.

 

 Geschichte

 

Schmiedbares Eisen (Stahl) wurde etwa seit der Mitte des 2. Jahrtausends v. Chr. durch Reduktion von Eisenerzen mit Holzkohle im Rennfeuer, später Rennofen in Form fester Luppen direkt erzeugt. Mit Einführung der Wasserkraft begann im 12. Jahrhundert n. Chr. die zweistufige, indirekte Stahlerzeugung durch Erschmelzen von flüssigem Roheisen im Floßofen (Hochofen) und anschließendes Entfernen der unerwünschten chemische Begleitelemente im Frischherd. Die hierbei entstehenden Luppen wurden von anhaftenden Schlacken gereinigt und dann unter dem Hammer zusammengeschweißt (Schweißeisen beziehungsweise Schweißstahl). Ab Mitte des 18. Jahrhunderts begann die Substitution der Holzkohle durch Steinkohle und Koks: 1735 nahm Abraham Darby II (* 1711, ✝ 1763) den ersten Kokshochofen in Betrieb; 1742 gelang es Benjamin Huntsman (* 1704, ✝ 1776), durch Einschmelzen von Luppen und Schrott erstmals flüssigen Stahl herzustellen. Dieses Verfahren wurde in der 1. Hälfte des 19. Jahrhunderts durch F. Krupp in großtechnischem Maßstab eingesetzt. 1783/84 entwickelte H. Cort das Puddelverfahren, bei dem das Roheisen im Flammofen durch den Gasstrom der Kohle- beziehungsweise Koksfeuerung geschmolzen und gefrischt und die entstehende Luppe zu Schweißstahl weiterverarbeitet wurde. Das Zeitalter der Flussstahlerzeugung begann 1856 mit der Erfindung des sauren Windfrischverfahrens durch H. Bessemer, bei dem das in einem sauer zugestellten Konverter befindliche flüssige, siliziumreiche Roheisen mittels von unten durchgepresster Luft gefrischt wurde (Bessemer-Verfahren). 1878 entwickelten S. G. Thomas und Percy Carlyle Gilchrist (* 1851, ✝ 1935) das basische Windfrischverfahren, das es ermöglichte, unter Kalkzugabe phosphorreiches Roheisen zu Stahl zu frischen (Thomas-Verfahren). 1864 gelang es P. E. Martin in Zusammenarbeit mit Wilhelm und Friedrich Siemens, einen Flammofen (Herdfrischen) mit Regenerativfeuerung zu bauen, in dem flüssiger Stahl erschmolzen werden konnte (Siemens-Martin-Verfahren). 1904 ging der erste Elektroofen zur Stahlerzeugung, entwickelt von P. L. T. Héroult, in Betrieb.

 

Literatur:

 

S.-Fibel, bearb. v. A.-K. Bolbrinker (1989);

 H. P. Hougardy: Umwandlung u. Gefüge unlegierter Stähle (²1990);

 

Eigenschaften u. Anwendungen von Stählen, Beitrr. v. W. Dahl u. a., 2 Bde. (1993);

 F. Herbst: Wärmebehandlung des S. (⁷1993);

 

S.-Eisen-Liste, hg. v. Verein Dt. Eisenhüttenleute (⁹1994);

 

S.-Schlüssel (¹⁷1995);

 K. Garbracht u. a.: S.-Lex. (²⁵1996);

 

Hb. der Kennwerte von metall. Werkstoffen zur FEZEN-Werkstoff-Datenbank, hg. v. DVO-Datenverarbeitungs-Service Oberhausen, Losebl. (⁶1997 ff.).

 

Stahl,

 

1) Friedrich Julius, eigentlich F. J. Jọlson-Uhlfelder, Rechtsphilosoph und Politiker, * Würzburg 16. 1. 1802, ✝ Bad Brückenau 10. 8. 1861; jüdischer Herkunft, ließ sich 1819 evangelisch taufen; 1832 Professor in Würzburg, 1834 in Erlangen, 1840 in Berlin, wo er als Staatsrechtler und Theoretiker des preußischen Konservativismus rasch großen Einfluss auf die Politik von König Friedrich Wilhelm IV. gewann; 1849 Mitglied der ersten Kammer, 1850 des Erfurter Unionsparlaments. Seine Schrift »Das monarch. Prinzip« (1845) gilt als Grundlage der preußischen konservativen Partei; lehnte die Unionspolitik J. M. von Radowitz' ab, wirkte im Oberkirchenrat (1852-58) im Sinne lutherischer Orthodoxie. In seiner Staatsphilosophie stellte er dem liberalen Vernunftstaat und dem organischen Staat der Romantik den auf göttliche Recht gegründeten christlichen Staat (»sittliches Reich«) entgegen und vertrat die institutionelle Legitimität der Stände wie des monarch. Prinzips gegen den liberalen Konstitutionalismus, dessen Lehre er als revolutionär ablehnte.

 

 

Weitere Werke: Die Philosophie des Rechts nach geschichtlicher Ansicht, 3 Teile (1830-37); Der christliche Staat und sein Verhältniß zu Deismus und Judenthum (1847); Die Revolution und die constitutionelle Monarchie (1848).

 

Literatur:

 

D. Grosser: Grundl. u. Struktur der Staatslehre F. J. S.s (1963);

 H. Heinrichs: Die Rechtslehre F. J. S.s (Diss. Köln 1967).

 

 2) Georg Ernst, Arzt und Chemiker, * Ansbach 21. 10. 1660, ✝ Berlin 14. 5. 1734; Professor in Halle (Saale), 1716 Leibarzt des preußischen Königs in Berlin. Stahl vertrat den Animismus und entwickelte, ausgehend von den Vorstellungen J. J. Bechers, die Phlogistontheorie.

 

 

 3) Hermann Wilhelm, Maler, Bühnenbildner und Schriftsteller, * Dillenburg 14. 4. 1908; ursprünglich Maler (1933 für »entartet« erklärt), dann freier Schriftsteller; lebt in Dießen am Ammersee. Schrieb formal strenge, sprachlich präzise und klangvolle Lyrik, Romane um Verstrickung und Bewährung junger Menschen, später Zeitromane mit Darstellung von Hetze und Daseinsangst der Nachkriegsgeneration; auch Hörspielautor, Kritiker und Feuilletonist.

 

Werke: Lyrik: Gras und Mohn (1942); Wolkenspur (1954).

 

Romane: Traum der Erde (1936); Die Orgel der Wälder (1939); Die Heimkehr des Odysseus (1940); Die Spiegeltüren (1951); Wildtaubenruf (1958); Jenseits der Jahre (1959); Tage der Schlehen (1960); Strand (1963); Das Pfauenrad (1979).