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Kasten 2.1
Stahl
Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis
maximal 2 % werden als Stahl bezeichnet. Durch Variation
der Gehalte an Kohlenstoff und zulegierten Metallen (den
sogenannten Stahlveredlern) können Stähle mit sehr unter-
schiedlichen Eigenschaften (Härte, Elastizität und Zugfestigkeit,
Korrosionsanfälligkeit, Hitzebeständigkeit, Schweißeignung,
Magnetisierbarkeit und so weiter) erzeugt werden. Wichtige
Stahlveredler sind Chrom, Mangan, Kobalt, Molybdän, Vana-
dium, Nickel, Titan, Niob und Wolfram. Rostfreier Stahl enthält
mindestens 11 % Chrom, was gleichzeitig die Härte verbessert.
Mangan bindet ungewollten Schwefel, vermindert den Ver-
schleiß und erhöht die Härtbarkeit, Wolfram verbessert die
Hitzebeständigkeit und so weiter. Außerdem enthält Stahl
weitere Bestandteile wie Schwefel und Phosphor, die zwar
in der Regel nicht erwünscht sind, sich aber nur unter erheb-
lichem Aufwand vermindern lassen.
Eisen und die anderen Elemente sind nicht gleichmäßig im
Stahl verteilt. Stattdessen besteht er aus mikroskopisch
kleinen Körnchen, den sogenannten Kristalliten, die jeweils
eine ganz bestimmte Zusammensetzung in einem ganz be-
stimmten Kristallgitter haben - zum Beispiel Ferrit, Perlit,
Zementit, Martensit und Austenit (
schaften deutlich verbessert. Bei einem sehr hohen Chrom-
gehalt entsteht noch eine intermetallische Phase FeCr.
Bei höherer Temperatur liegt Eisen hingegen im kubisch-
flächenzentrierten Kristallgitter vor, als Austenit. Diese Phase
kann durch die »Austenitbilder« Nickel, Kobalt, Kohlenstoff,
Mangan und Stickstoff bei Raumtemperatur stabilisiert
werden. Austenit kann deutlich mehr Kohlenstoff enthalten
als Ferrit. Die Gehalte an anderen Elementen machen ihn
etwas härter als Ferrit und weniger korrosionsanfällig. Er ist
nicht ferromagnetisch.
Zementit ist Eisenkarbid mit der Zusammensetzung Fe
3
C.
Er ist sehr hart, aber spröde. Das sogenannte weiße Gusseisen
enthält viel Zementit, was der Grund dafür ist, dass es sich
nicht schmieden lässt. In Stahl kommt Zementit nur in geringer
Menge in Form sehr kleiner Kristallite vor.
Perlitkörner bestehen aus eng verwachsenen, zufällig ange-
ordneten Ferrit- und Zementitlamellen (»perlitisch«). Es
handelt sich um ein eutektisches Gefüge (
Kasten 3.3), das
Eutektikum liegt bei 0,8 % C und 723 °C. Perlit ist ein wichtiger
Bestandteil in Stahl, mit sehr guten Eigenschaften. Je näher
der Kohlenstoffgehalt des Stahls am Eutektikum liegt, desto
höher ist der Perlitanteil.
Martensit ist eine metastabile Phase, die durch eine Scherbe-
wegung erzeugt wurde. Bei Stahl hat sie eine ähnliche Zusam-
mensetzung wie Austenit, aber in einem tetragonalen Kristall-
gitter. Martensitkörner machen einen Stahl wesentlich härter,
sind aber relativ spröde. Sie können erzeugt werden, indem
man den Stahl auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und an-
schließend abschreckt, was man als Härten bezeichnet.
Die Stahlveredler und der Kohlenstoffgehalt wirken sich darauf
aus, welche Phasen sich in welchen Mengenverhältnissen
bilden und wie sie genau zusammengesetzt sind. Im Detail
ändern sich auch Korngröße und Gefüge. Wie sich eine be-
stimmte Mischung auf die Eigenschaften der Legierung aus-
7
Abb. 2.2). Das Gefüge
dieser unterschiedlichen Phasen kann durch Schmieden,
Walzen, Ziehen, Härten, Glühen und so weiter verändert
werden (
.
Abb. 2.3). Die Eigenschaften des Stahls hängen
also zum einen von den vorhandenen Kristalliten und deren
Mengenverhältnissen, zum anderen vom Gefüge ab. Ganz
ähnlich bestehen auch andere Legierungen wie Bronze und
Messing aus verschiedenen Kristalliten.
Ferrit, die normale Modifikation von reinem Eisen bei Raum-
temperatur, hat ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter. Er ist
ferromagnetisch (also magnetisierbar), weich und korrosions-
anfällig. Kohlenstoff ist nur in Spuren enthalten. Chrom kann
als »feste Lösung« in Ferrit gemischt werden, was die Eigen-
.
Abb. 2.2
Stahl mit ferritisch-perlitischem Gefüge. Ferrit ist hell,
Perlit dunkel gestreift. Der Kohlenstoffgehalt des Stahls liegt bei
0,45 %. © Samson00 / Wikimedia.
Abb. 2.3
Gehärteter Stahl mit 0,35 % Kohlenstoff, von 870 °C in
Wasser abgeschreckt. © Unbound / Wikimedia.
