Woraus besteht Stahl? Die kurze Antwort lautet: Eisen und Kohlenstoff. Die vollständige eröffnet eine ganze Welt. Stahl ist eine Metalllegierung, die zu über 95% aus Eisen besteht, doch sind es die übrigen Elemente, die seine Eigenschaften bestimmen.
Die Zusammensetzung des Stahls zu verstehen, bedeutet zu verstehen, warum ein S355 sich anders verhält als ein 42CrMo4, warum ein AISI 304 der Korrosion standhält, während ein C40 dies nicht tut, und wie man eine Bezeichnung interpretiert, um die für die eigene Komponente am besten geeignete Güte zu wählen.
Per Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen etwa 0,02% und 2,1% nach Gewicht. Unter 0,02% spricht man von technisch reinem Eisen; über 2,1% betritt man das Feld der Gusseisen, die durch sehr unterschiedliche Eigenschaften und Verhaltensweisen gekennzeichnet sind.
Kohlenstoff ist das Element, das mehr als jedes andere die Eigenschaften des Stahls beeinflusst:
Das Eisen bildet die Kristallmatrix: bei Raumtemperatur präsentiert es sich in ferritischer Phase (kubisch-raumzentriert, duktil) oder, nach dem Härten, in martensitischer Phase (hart und widerstandsfähig). Die Phasenumwandlungen des Stahls, die durch das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden, sind die Grundlage aller Wärmebehandlungen.
Reines Eisen ist ein relativ weiches Metall (Bruchlast ~250 MPa) und strukturell wenig verwendbar. Stahl ist Eisen mit einem kontrollierten Zusatz von Kohlenstoff, zwischen 0,02% und 2,1%, der seine Festigkeit, Härte und Wärmebehandelbarkeit erheblich erhöht. In der industriellen Praxis ist das kommerziell verkaufte „Eisen" fast immer ein weicher Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Neben Kohlenstoff können dem Stahl zahlreiche Elemente in kontrollierten Mengen zugesetzt werden, um spezifische Eigenschaften zu verändern. Jedes erfüllt eine präzise Funktion.
Chrom ist das Element, das die nichtrostenden Stähle von den anderen unterscheidet: mit einem Gehalt von 10,5% oder mehr bildet der Stahl an seiner Oberfläche einen passiven Film aus Chromoxid, der ihn vor Korrosion schützt. In Vergütungsstählen verbessert es in niedrigeren Prozentsätzen (0,5-2%) die Härtbarkeit und die Verschleißbeständigkeit.
Nickel stabilisiert die austenitische Phase bei Raumtemperatur und lässt so die austenitischen nichtrostenden Stähle der Serie AISI 300 entstehen, die durch ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und Unmagnetismus gekennzeichnet sind. In Vergütungsstählen, wie dem 39NiCrMo3, verbessert es Zähigkeit und Härtbarkeit.
Molybdän erhöht die Beständigkeit gegen Lochkorrosion in nichtrostenden Stählen und stellt den Hauptunterschied zwischen AISI 304 und 316 dar. Es verbessert zudem die Hochtemperaturbeständigkeit und die Härtbarkeit der Baustähle.
In fast allen Stählen in Prozentsätzen zwischen 0,3% und 1,5% vorhanden, verbessert Mangan die Härtbarkeit, wirkt den negativen Effekten des Schwefels entgegen, indem es Mangansulfide anstelle der spröden Eisensulfide bildet, und erhöht die mechanische Festigkeit, ohne die Duktilität übermäßig zu verringern.
Silizium ist ein in der Gießerei verwendetes Desoxidationsmittel und ein den Ferrit verstärkendes Element. In hohen Prozentsätzen, zwischen 1% und 3%, erhöht es die Elastizitätsgrenze erheblich und ist daher die Basis der Federstähle. Es verbessert auch die Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur.
Vanadium verfeinert das Korn und bildet sehr harte Karbide. Auch in kleinen Mengen, zwischen 0,1% und 0,3%, verbessert es Festigkeit und Zähigkeit erheblich. Es ist in Werkzeugstählen und in vielen Hochleistungs-Vergütungsstählen vorhanden.
Wolfram bildet bei hohen Temperaturen stabile Karbide, die in Schnellarbeitsstählen für Schneidwerkzeuge unverzichtbar sind. Kobalt trägt dazu bei, die Warmhärte aufrechtzuerhalten. Zusammen kennzeichnen sie die in den mechanischen Bearbeitungen eingesetzten HSS-Schnellarbeitsstähle.
Stickstoff verstärkt den Austenit und wird in Duplex- und superaustenitischen nichtrostenden Stählen verwendet, um die mechanische Festigkeit und die Beständigkeit gegen Lochkorrosion zu erhöhen, wobei er das Nickel teilweise ersetzt.
Im Allgemeinen als Verunreinigungen betrachtet, werden Schwefel und Phosphor in den meisten Stählen auf sehr niedrigen Niveaus gehalten. Schwefel kann absichtlich hinzugefügt werden, in Prozentsätzen zwischen 0,15% und 0,35%, in Automatenstählen, um deren Zerspanbarkeit zu verbessern, wobei jedoch eine Verringerung der Duktilität in Kauf genommen wird. Phosphor ist fast immer unerwünscht, weil er den Stahl spröder macht.
Die chemische Zusammensetzung ist das erste Kriterium, das zur Klassifizierung der Stähle verwendet wird. Die Hauptfamilien sind fünf.
Sie enthalten hauptsächlich Eisen und Kohlenstoff, mit kleinen Mengen Mangan, Silizium und Verunreinigungen. Sie unterscheiden sich nach dem Kohlenstoffgehalt:
Sie enthalten von 0,25% bis 0,50% Kohlenstoff und moderate Mengen Chrom, Nickel und Molybdän, in der Regel unter 5% für jedes Element. Dafür konzipiert, gehärtet und angelassen zu werden, erreichen sie hohe Festigkeiten und behalten dabei eine gute Zähigkeit. Zu den gängigsten gehören das 42CrMo4, das 39NiCrMo3 und das 34CrNiMo6.
Sie enthalten mindestens 10,5% Chrom und teilen sich nach der Mikrostruktur in vier Unterfamilien.
Sie sind durch einen hohen Gehalt an Kohlenstoff und karbidbildenden Elementen wie Chrom, Wolfram, Molybdän und Vanadium gekennzeichnet. Dafür konzipiert, Verschleiß, Hitze und Verformung unter extremen Bedingungen standzuhalten, umfassen sie die HSS-Schnellarbeitsstähle, jene für Kaltarbeit, wie das X210Cr12, und jene für Warmarbeit, wie das X40CrMoV5-1.
Sie enthalten kleine Zusätze von Vanadium, Niob oder Titan, in der Regel unter 0,1%, die das Korn verfeinern und Festigkeit und Zähigkeit auch ohne Wärmebehandlung verbessern. Sie werden in geschweißten Strukturen, in Hochdruckleitungen und im Automobilsektor verwendet.
Die Bezeichnung beschreibt die Zusammensetzung des Stahls. Auf dem Markt koexistieren zwei Systeme.
Europäisches System (EN 10027): das Kürzel gibt die Legierungselemente und den jeweiligen Gehalt an. Beispiel: 42CrMo4 → 0,42% C, Chrom als Hauptlegierungselement und Molybdän; die abschließende Zahl drückt den Gehalt gemäß den in der Norm vorgesehenen Faktoren aus. X5CrNi18-10 (AISI 304) → 0,05% C, 18% Cr und 10% Ni.
Amerikanisches System (AISI/SAE/UNS): es verwendet numerische Codes. Die Serien 1xxx identifizieren die Kohlenstoffstähle, die 41xx die Cr-Mo-Stähle und die 43xx die Ni-Cr-Mo. Die nichtrostenden Stähle folgen der dreistelligen AISI-Klassifizierung, wie 304, 316 und 430.
Für den Konstrukteur ermöglicht die Bezeichnung, auf das technische Datenblatt der Güte zurückzugehen: garantierte Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften, anwendbare Behandlungen, Schweißbarkeit und Produktnormen.
Stahl ist das weltweit am meisten durch Spanabhebung bearbeitete Material. In der bedarfsgerechten Produktion mittels CNC-Bearbeitung sind die am häufigsten nachgefragten Güten:
Das Rohmaterial wird in Form von Rundstange, Flachstange, Platte oder Block geliefert, mit einem Zertifikat EN 10204 3.1, das seine Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften bescheinigt. Weerg bearbeitet diese Stähle auf 5-Achs-CNC-Zentren und verwandelt sie in fertige Komponenten mit engen Toleranzen und kontrollierter Oberflächengüte.
Stahl besteht aus Eisen und Kohlenstoff, doch sind es die Legierungselemente, die seine wahre Identität bestimmen: Chrom macht ihn nichtrostend, Nickel stabilisiert seine austenitische Struktur, Molybdän schützt ihn vor Pitting und Vanadium verfeinert sein Korn. Für Konstrukteure und Techniker bedeutet die Kenntnis der Zusammensetzung, die Bezeichnung lesen zu können, das Material zu verstehen, die am besten geeignete Güte zu wählen und mit Lieferanten und Laboren über eine gemeinsame Sprache zu kommunizieren.
In der bedarfsgerechten Produktion bleibt der Stahl der Protagonist der CNC-Bearbeitung: vom strukturellen S355 zum vergüteten 42CrMo4, vom AISI 304 für den Lebensmittelsektor zum AISI 316 für maritime Anwendungen, jede Güte geht von zertifiziertem Rohmaterial aus und wird in wenigen Tagen zu einer fertigen Komponente.
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