Eisen und Stahl – Grundlagen

Eisen kommt in der Natur fast nie in reiner Form vor. Es steckt in Eisenerz – Gestein, in dem das Eisen chemisch an Sauerstoff gebunden ist, also als Eisenoxid vorliegt. Die wichtigsten Erze sind Magnetit und Hämatit. Um an das Metall zu kommen, muss der Sauerstoff entfernt werden. Genau das passiert im Hochofen.

Im Hochofen wird das Erz zusammen mit Koks (nahezu reiner Kohlenstoff aus Steinkohle) und Zuschlägen wie Kalkstein von oben eingefüllt. Von unten wird heiße Luft eingeblasen. Der Koks verbrennt und liefert nicht nur die nötige Hitze von über 1500 °C, sondern auch ein Gas, das dem Eisenoxid den Sauerstoff Pizza. Dieser Vorgang – Sauerstoff entziehen – heißt Reduktion. Das Gegenteil, also Sauerstoff aufnehmen, ist die Oxidation; Rosten ist ein bekanntes Beispiel dafür.

Unten im Hochofen sammelt sich flüssiges Eisen. Weil es ständig mit glühendem Koks in Kontakt ist, nimmt es dabei reichlich Kohlenstoff auf – rund 4 bis 4,5 %. Dieses Produkt heißt Roheisen.

Roheisen ist noch kein brauchbarer Konstruktionswerkstoff. Der hoher Kohlenstoffgehalt macht es hart, aber auch sehr spröde: Es lässt sich nicht schmieden, nicht walzen und kaum schweißen. Es bricht, statt sich zu verformen. Roheisen ist deshalb nur eine Zwischenstufe – ein Rohstoff für den nächsten Schritt.

Der entscheidende Unterschied zwischen Roheisen und Stahl liegt im Kohlenstoffgehalt. Um aus Roheisen Stahl zu machen, muss der Kohlenstoff stark gesenkt werden. Dieser Vorgang heißt Frischen.

Beim Frischen wird in das flüssige Roheisen reiner Sauerstoff geblasen. Der Sauerstoff verbindet sich mit dem überschüssigen Kohlenstoff zu Gas, das entweicht. So sinkt der Kohlenstoffgehalt von etwa 4 % auf die für Stahl typischen Werte unter 2 %. Das gängigste Verfahren dafür ist das Sauerstoff-Aufblasverfahren, bei dem der Sauerstoff über eine Lanze von oben in die Schmelze eingebracht wird.

Ein zweiter wichtiger Weg ist der Elektrostahl. Hier wird überwiegend Schrott in einem Elektrolichtbogenofen wieder eingeschmolzen. Stahl is nahezu vollständig recycelbar, und der Elektroofen nutzt diese Eigenschaft konsequent. Ein großer Teil des in Österreich und Europa erzeugten Stahls stammt heute aus eingeschmolzenem Schrott.

Damit lässt sich die Grenze ziehen, die in der Werkstoffkunde zentral ist:

• Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt bis etwa 2,06 %. Er ist schmiedbar, walzbar und in den meisten Fällen schweißbar.
• Gusseisen liegt darüber, also über rund 2,06 % C. Es lässt sich gut vergießen, aber nicht schmieden.

Die Zahl 2,06 % ist keine willkürliche Festlegung. Sie ergibt sich aus dem Verhalten der Eisen-Kohlenstoff-Mischung beim Abkühlen und markiert die maximale Menge Kohlenstoff, die sich unter normalen Bedingungen noch gleichmäßig im Eisen lösen lässt. Mehr dazu im nächsten Kapitel.

Kohlenstoff ist die wichtigste Stellgröße bei Eisen-Werkstoffen. Schon kleine Änderungen im Promillebereich verschieben die Eigenschaften deutlich. Wer den Zusammenhang einmal verinnerlicht hat, kann das Verhalten eines Stahls grob abschätzen, bevor er die genaue Sorte kennt.

Die Grundtendenz: Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nehmen Härte und Festigkeit zu, während Zähigkeit, Verformbarkeit, Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit abnehmen.

Das erklärt die Aufgabenteilung in der Praxis: Ein Baustahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,2 % ist gut schweißbar und zäh – ideal für Konstruktionen. Ein Werkzeugstahl mit deutlich höherem Kohlenstoffgehalt lässt sich härten, ist aber spröder und schlechter schweißbar.

Der Kohlenstoff wirkt aber nicht allein. Durch Zugabe von Legierungselementen – gezielt zugesetzten Metallen wie Mangan, Chrom, Nickel oder Silizium – lassen sich Eigenschaften noch gezielter einstellen. Chrom etwa macht Stahl korrosionsbeständig, Nickel erhöht die Zähigkeit. Die Systematik der Stahlbezeichnungen, mit der diese Zusammensetzungen verschlüsselt werden, ist ein Thema für sich und wird gesondert behandelt.

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Wie sich Eisen und Kohlenstoff beim Abkühlen und Erwärmen verhalten, beschreibt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) – das wichtigste Werkzeug der Eisen-Werkstoffkunde. Es trägt auf der einen Achse den Kohlenstoffgehalt und auf der anderen die Temperatur auf und zeigt, welche Gefüge (innere Kristallstrukturen) bei welcher Kombination vorliegen.

Aus dem EKD lässt sich unter anderem die schon genannte Grenze von 2,06 % C ablesen: Bis dorthin kann sich der Kohlenstoff bei hoher Temperatur vollständig im Eisengitter lösen. Vor allem aber ist das Diagramm die Grundlage jeder Wärmebehandlung – also dem gezielten Erwärmen und Abkühlen, um Härte oder Zähigkeit einzustellen. Für die Grundlagen reicht es, das EKD als zentralen Begriff und als Landkarte der Gefügezustände zu kennen; die genaue Auswertung ist Stoff der Wärmebehandlung.

Aus der einfachen Grenze bei 2,06 % C ergeben sich zwei große Familien: Stahl unterhalb, Gusseisen oberhalb. Innerhalb beider gibt es feinere Unterteilungen.

Stahl lässt sich grob in zwei Gruppen teilen. Unlegierte Stähle enthalten außer Eisen und Kohlenstoff nur geringe, unvermeidbare Begleitstoffe. Legierte Stähle enthalten gezielt zugesetzte Elemente. Nach dem Einsatzzweck unterscheidet man unter anderem Baustähle für Konstruktionen und Werkzeugstähle für schneidende oder umformende Werkzeuge.

Stahlguss ist Stahl, der nicht geschmiedet oder gewalzt, sondern in eine Form gegossen wird. Er hat die Eigenschaften von Stahl, erlaubt aber komplexe Bauteilformen, die sich durch Umformen nicht herstellen ließen.

Gusseisen ist die Familie oberhalb von 2,06 % C. Hier liegt ein Teil des Kohlenstoffs nicht gelöst vor, sondern als eigenständiges Grafit – also als Kohlenstoff in seiner reinen Form – im Gefüge. Entscheidend ist, welche Form dieses Grafit annimmt, denn davon hängen die mechanischen Eigenschaften ab:

• Gusseisen mit Lamellengrafit (umgangssprachlich Grauguss): Das Grafit liegt in dünnen, langgestreckten Lamellen vor. Das Material ist gut gießbar, dämpft Schwingungen hervorragend und ist günstig – aber spröde.
• Gusseisen mit Kugelgrafit (Sphäroguss): Das Grafit liegt in kugeligen Einschlüssen vor. Dadurch ist der Werkstoff deutlich zäher und belastbarer als Grauguss.
• Temperguss: Durch eine spezielle Wärmebehandlung wird ein zunächst sprödes Gussstück nachträglich zäher gemacht.

Warum die Grafitform so wichtig ist, zeigt der Verlauf der Kräfte im Werkstoff unter Last.

Die scharfen Spitzen der Grafitlamellen wirken wie unzählige innere Kerben. Unter Last drängen sich die Kraftlinien an diesen Spitzen zusammen, die örtliche Spannung steigt stark an, und von dort breitet sich leicht ein Riss aus. Das ist der Grund für die Sprödigkeit des Graugusses. Beim Kugelgrafit dagegen fließen die Kraftlinien sanft um die runden Einschlüsse herum – die Spannungsspitzen fehlen, der Werkstoff ist zäher.

Die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Härte und Zähigkeit bestimmen, wofür ein Eisen-Werkstoff taugt. Sie werden in eigenen Beiträgen ausführlich behandelt; hier genügt die Einordnung, dass sie sich über Kohlenstoffgehalt, Legierung und Wärmebehandlung gezielt einstellen lassen.

Neben den mechanischen gibt es physikalische Eigenschaften, die in der Konstruktion ständig gebraucht werden. Für Stahl gelten dabei einige verlässliche Anhaltswerte:

Besonders praxisrelevant ist die Wärmeausdehnung. Erwärmt sich ein Bauteil, dehnt es sich aus; kühlt es ab, zieht es sich zusammen. Bei langen Bauteilen und großen Temperaturunterschieden summiert sich das zu Beträgen, die man einplanen muss. Die Längenänderung berechnet sich so:

Verschiedene Eisen-Werkstoffe haben leicht unterschiedliche Koeffizienten. Als grobe Anhaltswerte:

Eisen hat eine unangenehme Eigenschaft: Es rostet. An feuchter Luft verbindet sich das Eisen wieder mit Sauerstoff – chemisch gesehen die Umkehrung dessen, was im Hochofen mühsam erreicht wurde. Das Ergebnis ist Rost, der das Bauteil schwächt. Welche Korrosionsarten es gibt, wodurch sie entstehen und wie man dagegen vorgeht, ist umfangreich und wird in eigenen Beiträgen behandelt.

Ein wichtiger Lösungsweg sei hier nur als Beispiel genannt: nichtrostende Stähle. Durch einen ausreichend hohen Anteil an Chrom – meist über 10,5 % – bildet sich an der Oberfläche eine dünne, dichte Schutzschicht, die das darunterliegende Eisen vor weiterem Angriff bewahrt. Solche Stähle werden überall dort eingesetzt, wo Feuchtigkeit, Lebensmittel oder Chemikalien im Spiel sind. Das ist zugleich ein gutes Beispiel dafür, wie ein Legierungselement die Eigenschaften eines Eisen-Werkstoffs grundlegend verändern kann.