Stahl

Das alte Stahlseil eines Förderturms einer Zeche

Stahl ist ein Metall Legierung, deren Hauptbestandteil ist Eisen , mit Kohlenstoff Gehalt zwischen 0,02 und 1,7 Gew.-%. Kohlenstoff ist das kostengünstigste Legierungsmaterial für Eisen, aber es werden auch viele andere Legierungselemente verwendet. Kohlenstoff und andere Elemente wirken als Härter und verhindern, dass Versetzungen im Kristallgitter der Eisenatome aneinander vorbeigleiten. Die Variation der Menge an Legierungselementen und ihrer Verteilung im Stahl steuert Eigenschaften wie Härte, Elastizität, Duktilität und Zugfestigkeit des resultierenden Stahls. Stahl mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt kann härter und fester gemacht werden als Eisen, ist aber auch spröder. Die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff in Eisen beträgt 1,7 Gew.-% und tritt bei 1130° Celsius auf; Höhere Kohlenstoffkonzentrationen oder niedrigere Temperaturen erzeugen Zementit, der die Festigkeit des Materials verringert. Legierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt werden wegen ihres niedrigeren Schmelzpunktes als Gusseisen bezeichnet. Stahl ist auch von Schmiedeeisen mit wenig oder keinem Kohlenstoff zu unterscheiden, normalerweise weniger als 0,035 %. Es ist heute üblich, von der „Eisen- und Stahlindustrie“ zu sprechen, als wäre sie eine einzige Sache; es ist heute, aber historisch waren sie getrennte Produkte.

Gegenwärtig gibt es mehrere Klassen von Stählen, bei denen Kohlenstoff durch andere Legierungsmaterialien ersetzt wird und Kohlenstoff, falls vorhanden, unerwünscht ist. Eine neuere Definition ist, dass Stähle Eisenbasislegierungen sind, die plastisch verformt (gehämmert, gewalzt etc.) werden können.

Eisen und Stahl

Eisen Legierungsphasen
Austenit (γ-Eisen; hart) Bainit Martensit Zementit (Eisenkarbid; Fe 3 C) Ferrit (α-Eisen; weich) Perlit (88 % Ferrit, 12 % Zementit)
Arten von Stahl
Unlegierter Kohlenstoffstahl (bis zu 2,1 % Kohlenstoff) Edelstahl (Legierung mit Chrom) HSLA-Stahl (hochfeste niedriglegierte) Werkzeugstahl (sehr hart; wärmebehandelt)
Andere Materialien auf Eisenbasis
Gusseisen (>2,1 % Kohlenstoff) Schmiedeeisen (fast kein Kohlenstoff) Sphäroguss

Eisenerzpellets für die Stahlerzeugung

Eisen , wie die meisten Metalle, wird nicht in gefunden Erde 's Kruste in einem elementaren Zustand. Eisen ist in der Kruste nur in Kombination mit zu finden Sauerstoff oder Schwefel . Typischerweise FeO – die Form von Eisenoxid (Rost), die als die gefunden wird Mineral Hämatit und FeS— Pyrit (Katzengold). Eisenoxid ist ein weiches, sandsteinähnliches Material mit begrenzten Verwendungsmöglichkeiten. Eisen wird aus Erz gewonnen, indem der Sauerstoff entfernt wird, indem es mit einem bevorzugten chemischen Partner wie Kohlenstoff kombiniert wird. Dieser als Schmelzen bezeichnete Prozess wurde zuerst auf Metalle mit niedrigeren Schmelzpunkten angewendet. Kupfer schmilzt bei knapp über 1000 °C, während glauben schmilzt bei etwa 250 °C. Stahl schmilzt bei etwa 1370 °C. Beide Temperaturen konnten mit alten Methoden erreicht werden, die seit mindestens 6000 Jahren (seit dem Bronzezeit ). Da die Oxidationsrate selbst über 800 °C schnell ansteigt, ist es wichtig, dass das Schmelzen in einer sauerstoffarmen Umgebung stattfindet. Im Gegensatz zu Kupfer und Zinn löst flüssiges Eisen Kohlenstoff ziemlich leicht auf, so dass beim Schmelzen eine Legierung entsteht, die zu viel Kohlenstoff enthält, um als Stahl bezeichnet zu werden.

Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm, das die Bedingungen zeigt, die zur Bildung verschiedener Phasen erforderlich sind

Selbst in dem engen Konzentrationsbereich, aus dem Stahl besteht, können Mischungen aus Kohlenstoff und Eisen eine Reihe unterschiedlicher Strukturen oder Allotrope mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften bilden; Diese zu verstehen ist für die Herstellung von Qualitätsstahl unerlässlich. Bei Raumtemperatur ist die stabilste Form von Eisen der Ferrit mit kubisch raumzentrierter (BCC) Struktur oder α-Eisen, ein ziemlich weiches metallisches Material, das nur eine geringe Konzentration an Kohlenstoff lösen kann (nicht mehr als 0,021 Gew.-% bei 910 ° C). Oberhalb von 910 °C durchläuft Ferrit einen Phasenübergang von einer kubisch raumzentrierten zu einer kubisch flächenzentrierten (FCC) Struktur, die als Austenit oder γ-Eisen bezeichnet wird und ähnlich weich und metallisch ist, aber erheblich mehr Kohlenstoff (bis zu 2,03 Gew.-%) lösen kann % Kohlenstoff bei 1154 °C). Wenn kohlenstoffreicher Austenit abkühlt, versucht die Mischung, in die Ferritphase zurückzukehren, was zu einem Überschuss an Kohlenstoff führt. Eine Möglichkeit für Kohlenstoff, den Austenit zu verlassen, besteht darin, dass Zementit aus der Mischung ausfällt, wodurch Eisen zurückbleibt, das rein genug ist, um die Form von Ferrit anzunehmen, und was zu einer Zementit-Ferrit-Mischung führt. Zementit ist eine stöchiometrische Phase mit der chemischen Formel Fe ₃ C. Zementit bildet sich in Regionen mit höherem Kohlenstoffgehalt, während andere Bereiche um ihn herum wieder zu Ferrit werden. Während dieses Prozesses entstehen oft selbstverstärkende Muster, die zu einer gemusterten Schicht führen, die aufgrund ihrer Eigenschaften als Perlit bekannt ist Perle -artiges Aussehen, oder das ähnliche, aber weniger schöne Bainit.

Das vielleicht wichtigste Allotrop ist Martensit, eine chemisch metastabile Substanz mit etwa der vier- bis fünffachen Stärke von Ferrit. Mindestens 0,4 Gew.-% Kohlenstoff sind erforderlich, um Martensit zu bilden. Wenn der Austenit abgeschreckt wird, um Martensit zu bilden, wird der Kohlenstoff an Ort und Stelle 'eingefroren', wenn sich die Zellstruktur von FCC zu BCC ändert. Die Kohlenstoffatome sind viel zu groß, um in die Zwischengitterlücken zu passen, und verzerren somit die Zellstruktur in eine körperzentrierte tetragonale (BCT) Struktur. Martensit und Austenit haben eine identische chemische Zusammensetzung. Als solches erfordert es extrem wenig thermische Aktivierungsenergie, um sich zu bilden.

Der Wärmebehandlungsprozess für die meisten Stähle umfasst das Erhitzen der Legierung, bis sich Austenit bildet, und das anschließende Abschrecken des heißen Metalls Wasser oder Öl und kühlt es so schnell ab, dass die Umwandlung in Ferrit oder Perlit keine Zeit hat, stattzufinden. Die Umwandlung in Martensit hingegen erfolgt aufgrund einer geringeren Aktivierungsenergie fast sofort.

Martensit hat eine geringere Dichte als Austenit, so dass die Umwandlung zwischen ihnen zu einer Volumenänderung führt. In diesem Fall tritt eine Expansion auf. Interne Spannungen aus dieser Ausdehnung nehmen im Allgemeinen die Form einer Kompression an den Martensitkristallen und einer Spannung an dem verbleibenden Ferrit an, mit einer ziemlichen Menge an Scherung an beiden Bestandteilen. Wenn das Abschrecken unsachgemäß durchgeführt wird, können diese inneren Spannungen dazu führen, dass ein Teil beim Abkühlen zerbricht; zumindest verursachen sie eine interne Kaltverfestigung und andere mikroskopische Unvollkommenheiten. Es ist üblich, dass sich beim Abschrecken mit Wasser Abschreckrisse bilden, obwohl sie möglicherweise nicht immer sichtbar sind.

Wenn der Kohlenstoffgehalt an diesem Punkt hoch genug ist, um eine signifikante Martensitkonzentration zu erzeugen, ist das Ergebnis ein extrem hartes, aber sehr sprödes Material. Oft wird Stahl einer weiteren Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur unterzogen, um einen Teil des Martensits zu zerstören (indem genügend Zeit für die Bildung von Zementit usw. gelassen wird) und dabei hilft, die inneren Spannungen und Defekte zu beseitigen. Dadurch wird der Stahl weicher, wodurch ein duktileres und bruchfesteres Metall entsteht. Da die Zeit für das Endergebnis so entscheidend ist, wird dieser Prozess als Tempern bezeichnet, bei dem gehärteter Stahl entsteht.

Der Eisen-Kohlenstoff-Mischung werden häufig andere Materialien zugesetzt, um die resultierenden Eigenschaften maßzuschneidern. Nickel und Mangan in Stahl erhöhen dessen Zugfestigkeit und machen Austenit chemisch stabiler, Chrom erhöht die Härte und Schmelztemperatur, und Vanadium erhöht auch die Härte und reduziert gleichzeitig die Auswirkungen der Metallermüdung. Edelstahl werden große Mengen an Chrom und Nickel (oft 18 % bzw. 8 %) zugesetzt, damit sich auf der Metalloberfläche ein hartes Oxid bildet, das die Korrosion hemmt. Wolfram stört die Bildung von Zementit, wodurch sich Martensit mit langsameren Abschreckraten bilden kann, was zu Schnellarbeitsstahl führt. Auf der anderen Seite Schwefel , Stickstoff- , und Phosphor machen Stahl spröder, daher müssen diese häufig vorkommenden Elemente während der Verarbeitung aus dem Erz entfernt werden.

Wenn Eisen durch kommerzielle Verfahren aus seinem Erz geschmolzen wird, enthält es mehr Kohlenstoff als erwünscht. Um zu Stahl zu werden, muss es geschmolzen und wiederverarbeitet werden, um die richtige Menge an Kohlenstoff zu entfernen, an welcher Stelle andere Elemente hinzugefügt werden können. Sobald diese Flüssigkeit zu Barren gegossen wurde, muss sie normalerweise bei hoher Temperatur „bearbeitet“ werden, um Risse oder schlecht gemischte Bereiche aus dem Erstarrungsprozess zu entfernen und Formen wie Platten, Bleche, Drähte usw. herzustellen. behandelt, um eine gewünschte Kristallstruktur zu erzeugen, und oft 'kalt bearbeitet', um die endgültige Form zu erzeugen. In der modernen Stahlerzeugung werden diese Prozesse oft kombiniert, wobei Erz an einem Ende des Fließbands hineinkommt und fertiger Stahl am anderen Ende herauskommt. Diese können durch eine geschickte Steuerung des Zusammenspiels von Kaltverfestigung und Anlassen rationalisiert werden.

Geschichte der Eisen- und Stahlerzeugung

Eisen wurde nur begrenzt genutzt, lange bevor es möglich wurde, es zu verhütten. Die ersten Anzeichen von Eisengebrauch kommen daher Antikes Ägypten und Sumer , wo um 4000 v. Chr. kleine Gegenstände wie Speerspitzen und Ornamente aus Eisen hergestellt wurden, das aus Meteoriten gewonnen wurde (siehe Eisen: Geschichte). Etwa 6 % der Meteoriten bestehen aus einem Eisen- Nickel Legierung und Eisen, das aus Meteoritenfällen gewonnen wurde, ermöglichten es den alten Völkern, eine kleine Anzahl von Eisenartefakten herzustellen.

Meteorisches Eisen wurde auch im Vorkontakt zu Werkzeugen verarbeitet Nordamerika . Ab etwa dem Jahr 1000 lebten die Thule-Leute von Grönland begann mit der Herstellung von Harpunen und anderen scharfkantigen Werkzeugen aus Stücken des Cape-York-Meteoriten. Diese Artefakte wurden auch als Handelswaren mit anderen arktischen Völkern verwendet: Werkzeuge aus dem Meteoriten von Cape York wurden in archäologischen Stätten gefunden, die mehr als 1600 km entfernt waren. Wenn der amerikanisch Der Polarforscher Robert Peary hat das größte Stück des Meteoriten an das American Museum of Natural History in New York geschickt New York City 1897 wog er noch über 33 Tonnen.

Der Name für Eisen in mehreren alten Sprachen bedeutet „Himmelsmetall“ oder so ähnlich. In der fernen Antike galt Eisen als Edelmetall, geeignet für königlichen Schmuck.

Derzeit ist Eisen die am meisten recycelte Substanz auf dem Planeten.

Eiserner Axtkopf aus der schwedischen Eisenzeit, gefunden in Gotland, Schweden

Die Eisenzeit

Beginnend zwischen 3000 v Nickel ) erscheinen in Anatolien, Ägypten und Mesopotamien (siehe Eisen: Geschichte). Die ältesten bekannten Eisenproben, die anscheinend aus Eisenoxiden geschmolzen wurden, sind kleine Klumpen, die an Kupferschmelzstellen auf der Sinai-Halbinsel gefunden wurden und auf etwa 3000 v. Einige Eisenoxide sind wirksame Flussmittel zum Schmelzen von Kupfer; Es ist möglich, dass während der gesamten Bronzezeit kleine Mengen metallischen Eisens als Nebenprodukt der Kupfer- und Bronzeproduktion hergestellt wurden.

In Anatolien wurde geschmolzenes Eisen gelegentlich für Zierwaffen verwendet: Aus einem Hattic-Grab aus dem Jahr 2500 v. Chr. Wurde ein Dolch mit Eisenklinge und Bronzegriff geborgen. Auch die ägyptisch Herrscher Tutanchamun starb 1323 v. Chr. und wurde mit einem eisernen Dolch mit goldenem Griff begraben. Bei der Ausgrabung von Ugarit (siehe Ugarit) wurden ein altägyptisches Schwert mit dem Namen des Pharaos Merneptah sowie eine Streitaxt mit eiserner Klinge und goldverziertem Bronzegriff gefunden. Es ist bekannt, dass die frühen Hethiter gegen Eisen getauscht haben Silber- , mit einer Rate von 40 Mal das Gewicht des Eisens, mit Assyrien .

Eisen hat Bronze jedoch trotz einiger Versuche mehrere Jahrhunderte lang nicht als Hauptmetall für Waffen und Werkzeuge ersetzt. Das Bearbeiten von Eisen erforderte mehr Brennstoff und erheblich mehr Arbeit als das Bearbeiten von Bronze, und die Qualität des von frühen Schmieden hergestellten Eisens war möglicherweise der Bronze als Material für Werkzeuge unterlegen. Dann, zwischen 1200 und 1000 v. Chr., verdrängten eiserne Werkzeuge und Waffen die bronzenen im gesamten Nahen Osten. Dieser Prozess scheint im hethitischen Reich um 1300 v. Chr. Oder in begonnen zu haben Zypern und südlich Griechenland , wo eiserne Artefakte die archäologischen Aufzeichnungen nach 1050 v. Chr. dominieren. Mesopotamien war um 900 v. Chr. vollständig in der Eisenzeit, Mitteleuropa um 800 v. Der Grund für diese plötzliche Verwendung von Eisen bleibt ein Diskussionsthema unter Archäologen. Eine bekannte Theorie besagt, dass Kriege und Massenmigrationen, die um 1200 v. Chr. Beginnten, den regionalen Zinnhandel störten und einen Wechsel von Bronze zu Eisen erzwangen. Ägypten , erlebte dagegen keinen so schnellen Übergang von der Bronze- zur Eisenzeit: Obwohl ägyptische Schmiede Eisenartefakte herstellten, blieb Bronze dort bis nach der Eroberung Ägyptens weit verbreitet Assyrien im Jahr 663 v.

Das Schmelzen von Eisen zu dieser Zeit basierte auf der Bloomery, einem Ofen, in dem Blasebälge verwendet wurden, um Luft durch einen Haufen Eisenerz und brennende Holzkohle zu drücken. Das von der Holzkohle erzeugte Kohlenmonoxid reduzierte die Eisenoxide zu metallischem Eisen, aber die Glut war nicht heiß genug, um das Eisen zu schmelzen. Stattdessen sammelte sich das Eisen im Boden des Ofens als schwammige Masse, oder blühen , dessen Poren mit Asche und Schlacke gefüllt waren. Der Vorblock musste dann erneut erhitzt werden, um das Eisen zu erweichen und die Schlacke zu schmelzen, und dann wiederholt geschlagen und gefaltet werden, um die geschmolzene Schlacke herauszudrücken. Das Ergebnis dieses zeitaufwändigen und mühseligen Prozesses war Schmiedeeisen, eine formbare, aber ziemlich weiche Legierung mit wenig Kohlenstoff.

Schmiedeeisen kann sein aufgekohlt in einen Weichstahl, indem Sie ihn für längere Zeit in ein Holzkohlefeuer halten. Zu Beginn der Eisenzeit hatten Schmiede entdeckt, dass Eisen, das wiederholt umgeschmiedet wurde, eine höhere Metallqualität ergab. Zu dieser Zeit war auch das Abschreckhärten bekannt. Das älteste Artefakt aus abschreckgehärtetem Stahl ist ein Messer, das auf gefunden wurde Zypern an einem Standort aus dem Jahr 1100 v.

Entwicklungen in China

Archäologen und Historiker diskutieren darüber, ob sich die auf Bloomery basierende Eisenverarbeitung jemals aus dem Nahen Osten nach China ausgebreitet hat. Um 500 v. Chr. entwickelten Metallarbeiter im südlichen Bundesstaat Wu jedoch eine Eisenschmelztechnologie, die in Europa erst im Spätmittelalter praktiziert wurde. In Wu erreichten die Eisenhütten eine Temperatur von 1130 °C, heiß genug, um als Hochofen betrachtet zu werden. Bei dieser Temperatur verbindet sich Eisen mit 4,3 % Kohlenstoff und schmilzt. Als Flüssigkeit kann Eisen in Formen gegossen werden, eine Methode, die weitaus weniger mühsam ist, als jedes Eisenstück einzeln aus einer Blüte zu schmieden.

Gusseisen ist eher spröde und für Schlaggeräte ungeeignet. Es kann jedoch sein entkohlt zu Stahl oder Schmiedeeisen durch mehrtägiges Erhitzen an der Luft. In China breiteten sich diese Eisenbearbeitungsmethoden nach Norden aus, und um 300 v. Chr. War Eisen in ganz China das Material der Wahl für die meisten Werkzeuge und Waffen. Ein Massengrab in der Provinz Hebei aus dem frühen dritten Jahrhundert v. Chr. enthält mehrere Soldaten, die mit ihren Waffen und anderer Ausrüstung begraben sind. Die aus diesem Grab geborgenen Artefakte bestehen aus Schmiedeeisen, Gusseisen, Temperguss und abschreckgehärtetem Stahl, mit nur wenigen, wahrscheinlich dekorativen Bronzewaffen.

Während der Han-Dynastie (202 v. Chr. – 220 n. Chr.) erreichte die chinesische Eisenverarbeitung ein Ausmaß und eine Raffinesse, die im Westen bis zum 18. Jahrhundert nicht erreicht wurden. Im ersten Jahrhundert etablierte die Han-Regierung die Eisenverarbeitung als staatliches Monopol und baute in der Provinz Henan eine Reihe großer Hochöfen, die jeweils mehrere Tonnen Eisen pro Tag produzieren konnten. Zu diesem Zeitpunkt hatten chinesische Metallurgen herausgefunden, wie das geht Pfütze geschmolzenes Roheisen und rührte es im Freien, bis es seinen Kohlenstoff verlor und zu Schmiedeeisen wurde. (Im Chinesisch , wurde der Prozess aufgerufen Chaos , wörtlich, Braten unter Rühren.)

Ebenfalls während dieser Zeit hatten chinesische Metallurgen herausgefunden, dass Schmiedeeisen und Gusseisen zusammengeschmolzen werden konnten, um eine Legierung mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, d. h. Stahl, zu ergeben. Der Legende nach wurde das Schwert von Liu Bang, dem ersten Han-Kaiser, auf diese Weise hergestellt. Einige Texte der Ära erwähnen im Zusammenhang mit der Eisenverarbeitung die 'Harmonisierung des Harten und des Weichen'. der Ausdruck kann sich auf diesen Prozess beziehen.

Stahlerzeugung in Indien und Sri Lanka

Vielleicht schon 300 v. Chr., aber sicher bis 200 n. Chr., wurde im Süden hochwertiger Stahl produziert Indien auch durch das, was die Europäer später die Tiegeltechnik nennen würden. In diesem System wurden hochreines Schmiedeeisen, Holzkohle und Glas in Tiegeln gemischt und erhitzt, bis das Eisen schmolz und den Kohlenstoff absorbierte. Einer der frühesten Beweise für die Stahlherstellung stammt aus der Gegend von Samanalawewa Sri Lanka wo Tausende von Websites gefunden wurden. (Juleff, 1996).

Stahlerzeugung im frühneuzeitlichen Europa

Im frühen 17. Jahrhundert , hatten Hüttenarbeiter in Westeuropa ein Mittel gefunden (genannt Zementierung ) zum Aufkohlen von Schmiedeeisen. Schmiedeeiserne Stangen und Holzkohle wurden in Steinkisten verpackt und dann bis zu einer Woche bei Rotglut gehalten. Während dieser Zeit diffundierte Kohlenstoff in das Eisen und erzeugte ein Produkt namens Zementstahl oder Blasenstahl (siehe Zementierungsprozess). Einer der frühesten Orte, an denen dies in England verwendet wurde, war in Coalbrookdale, wo Sir Basil Brooke zwei Zementierungsöfen hatte (vor kurzem ausgegraben). In den 1610er Jahren besaß er zeitweise ein Patent auf das Verfahren, musste dieses aber 1619 aufgeben. Als Rohmaterial verwendete er vermutlich Eisen von Forest of Dean.

Eisenherstellung im frühneuzeitlichen Europa

Von dem 16. Jahrhundert zum 18. Jahrhundert , wurde das meiste Eisen in einem zweistufigen Prozess hergestellt, der einen Hochofen und eine Putzschmiede umfasste, wobei Holzkohle als Brennstoff verwendet wurde. Die Produktion wurde jedoch durch das Angebot an Holz zur Herstellung von Holzkohle begrenzt.

Im 18. Jahrhundert machte die Entwaldung in Westeuropa die Eisenverarbeitung und ihre kohlehungrigen Prozesse immer teurer. 1709 begann Abraham Darby mit dem Schmelzen von Eisen unter Verwendung von Koks, einem raffinierten Kohle Produkt anstelle von Holzkohle in seiner Eisenhütte in Coalbrookdale in England . Obwohl Koks kostengünstiger als Holzkohle hergestellt werden konnte, war koksbefeuertes Eisen im Vergleich zu kohlebefeuertem Eisen zunächst von minderer Qualität. Erst in den 1750er Jahren gelang es Darbys Sohn, auch Abraham genannt, mit dem Verkauf von koksgeschmolzenem Roheisen für die Herstellung von Schmiedeeisen in Putzschmieden zu beginnen.

Eine weitere europäische Entwicklung des 18. Jahrhunderts war die Erfindung des Pfützenofens. Insbesondere die vom britischen Eisenmeister Henry Cort 1784 entwickelte Form des kohlebefeuerten Puddelofens ermöglichte es, Gusseisen in großen Mengen (ohne Holzkohle) in Schmiedeeisen umzuwandeln, wodurch die alte Putzschmiede obsolet wurde. Mit dieser Methode hergestelltes Schmiedeeisen wurde zu einem wichtigen Rohstoff in der Eisenherstellung der englischen Midlands.

Schematische Darstellung eines Pfützenofens Schematische Darstellung eines Bessemer-Konverters

Industrielle Stahlherstellung

Das Problem der Massenproduktion von Stahl wurde 1855 von Henry Bessemer mit der Einführung des Bessemer-Konverters in seinem Stahlwerk gelöst Sheffield , England . (Ein früher Konverter ist noch im Kelham Island Museum der Stadt zu sehen). Beim Bessemer-Verfahren wurde geschmolzenes Roheisen aus dem Hochofen in einen großen Tiegel gefüllt, dann wurde von unten Luft durch die Eisenschmelze geblasen, die den gelösten Kohlenstoff aus dem Koks entzündete. Als der Kohlenstoff abbrannte, stieg der Schmelzpunkt der Mischung, aber die Hitze des brennenden Kohlenstoffs lieferte die zusätzliche Energie, die benötigt wurde, um die Mischung geschmolzen zu halten. Nachdem der Kohlenstoffgehalt in der Schmelze auf das gewünschte Niveau abgesunken war, wurde der Luftzug abgestellt: Ein typischer Bessemer-Konverter konnte eine 25-Tonnen-Charge Roheisen in einer halben Stunde zu Stahl verarbeiten.

Schließlich wurde 1952 das grundlegende Sauerstoffverfahren in den Voest-Alpine-Werken eingeführt; Eine Modifikation des grundlegenden Bessemer-Prozesses, bei dem Sauerstoff von oben in den Stahl eingelassen wird (anstatt Luft von unten zu sprudeln), wodurch die Menge an Stickstoffaufnahme in den Stahl verringert wird. Das Sauerstoffgrundverfahren wird in allen modernen Stahlwerken eingesetzt; der letzte Bessemer-Konverter in den USA wurde 1968 ausgemustert. Darüber hinaus hat in den letzten drei Jahrzehnten das Mini-Mill-Geschäft, in dem nur Stahlschrott mit einem Elektrolichtbogenofen geschmolzen wird, massiv zugenommen. Diese Werke produzierten zunächst nur Stangenprodukte, haben sich aber inzwischen auf Flach- und Schwerprodukte ausgeweitet, einst die ausschließliche Domäne der integrierten Hüttenwerke.

Bis diese 19. Jahrhundert Entwicklungen war Stahl ein teures Gut und wurde nur für eine begrenzte Anzahl von Zwecken verwendet, wo ein besonders hartes oder flexibles Metall benötigt wurde, wie in den Schneiden von Werkzeugen und Federn. Die weit verbreitete Verfügbarkeit von preiswertem Stahl hat die zweite industrielle Revolution und die moderne Gesellschaft, wie wir sie kennen, angetrieben. Weicher Stahl ersetzte letztendlich Schmiedeeisen für fast alle Zwecke, und Schmiedeeisen wird heute nicht (oder kaum noch) hergestellt. Mit wenigen Ausnahmen wurden legierte Stähle erst im späten 19. Jahrhundert hergestellt. Edelstahl wurde erst am Vorabend des Ersten Weltkriegs entwickelt und fand erst in den 1920er Jahren breite Anwendung. Diese legierten Stähle sind alle abhängig von der breiten Verfügbarkeit von preiswertem Eisen und Stahl und der Fähigkeit, sie nach Belieben zu legieren.

Stahl ist derzeit das am häufigsten recycelte Material der Welt. Die Industrie schätzt, dass jedes Jahr etwa 42,3 % des neu produzierten Metalls recyceltes Material sind. Der gesamte verfügbare Stahl wird derzeit recycelt. Die lange Lebensdauer von Stahl in Anwendungen wie dem Bau bedeutet, dass ein riesiger „Vorrat“ an Stahl verwendet wird, der recycelt wird, sobald er verfügbar ist. Aber auch neues, aus Rohstoffen gewonnenes Metall ist notwendig, um die Nachfrage zu decken.

Stahlsorten

Legierte Stähle waren aus der Antike bekannt, seiend Nickel -reiches Eisen aus Meteoriten, das zu nützlichen Produkten heißverarbeitet wird. In einem modernen Sinne wurden legierte Stähle seit der Erfindung von Öfen hergestellt, die Eisen schmelzen konnten, in die andere Metalle geworfen und gemischt werden konnten.

Hier eine Tabelle der Stahlsorten: http://claymore.engineer.gvsu.edu/eod/material/material-4.gif

Historische Typen

• Damaststahl , das in der Antike für seine Haltbarkeit und Schnitthaltigkeit berühmt war, wurde aus einer Reihe verschiedener Materialien (manche nur in Spuren) hergestellt, im Wesentlichen eine komplizierte Legierung mit Eisen als Hauptbestandteil.
• Blisterstahl - Stahl, der durch das Zementierungsverfahren hergestellt wird
• Tiegelstahl - Stahl, der mit der Tiegeltechnik von Benjamin Huntsman hergestellt wurde
• Steirischer Stahl, auch „Deutscher Stahl“ oder „Cullen-Stahl“ (Handel über Köln) genannt, wurde in der Steiermark in Österreich (römische Provinz Noricum) durch Schönung von Gusseisen aus bestimmten manganreichen Erzen hergestellt.
• Scherstahl war Blisterstahl, der gebrochen, gebündelt, erhitzt und geschweißt wurde, um ein homogeneres Produkt herzustellen

Zeitgenössischer Stahl

• Kohlenstoffstahl, der einfach aus Eisen und Kohlenstoff besteht, macht 90 % der Stahlproduktion aus.
• HSLA-Stähle (hochfest, niedrig legiert) weisen geringe Zusätze (normalerweise <2 Gew.-%) anderer Elemente auf, typischerweise 1,5 % Mangan , um zusätzliche Stärke für eine bescheidene Preiserhöhung bereitzustellen.
• Niedriglegierter Stahl wird mit anderen Elementen, üblicherweise Molybdän, Mangan, Chrom oder Nickel, in Mengen von bis zu 10 Gew.-% legiert, um die Härtbarkeit dicker Abschnitte zu verbessern.
• Edelstähle und chirurgische Edelstähle enthalten mindestens 10 % Chrom , oft kombiniert mit Nickel , widerstehen Korrosion (Rost). Einige Edelstähle sind nicht magnetisch.
• Werkzeugstähle werden mit großen Mengen an Wolfram und Kobalt oder anderen Elementen legiert, um die Lösungshärtung zu maximieren, eine Ausscheidungshärtung zu ermöglichen und die Temperaturbeständigkeit zu verbessern.
• Fortgeschrittene hochfeste Stähle
  • Komplexphasenstahl
  • Dualphasenstahl
  • TRIP-Stahl
  • TWIP-Stahl
  • Maraging-Stahl
  • Eglin Stahl
• Eisen-Superlegierungen
• Hadfield-Stahl (nach Sir Robert Hadfield) oder Mangan Stahl enthält 12-14 % Mangan, das beim Abrieb eine unglaublich harte Haut bildet, die dem Verschleiß widersteht. Einige Beispiele sind Panzer Ketten, Planierraupenschneiden und Schneidmesser an den Kiefern des Lebens.

Obwohl es sich nicht um eine Legierung handelt, gibt es auch verzinkten Stahl, bei dem es sich um Stahl handelt, der zum Schutz vor Rost einem chemischen Prozess des Heißtauchens oder Galvanisierens in Zink unterzogen wurde. Fertigstahl ist Stahl, der ohne weitere Bearbeitung oder Behandlung verkauft werden kann.

Moderner Stahl

• TMT-Stahl : Thermomechanisch behandelter Stahl: Es ist eine der neuesten Entwicklungen in der Geschichte von Stahl. Der Stahlherstellungsprozess wurde verbessert und dadurch wurden die Eigenschaften dieses Stahls für RCC-Bauarbeiten erreicht. Die Stahldrähte werden direkt nach dem Ziehen aus dem Extruder durch kaltes Wasser geführt. Dies hilft beim schnellen Abkühlen der Haut und Wärme beginnt von der Mitte zur Haut zu fließen, sobald der Draht aus dem Wasser ist. Dies wirkt wie eine Wärmebehandlung. Der relativ weiche Kern trägt zur Duktilität des Stahls bei, während die behandelte Haut eine gute Schweißbarkeit aufweist, um den Konstruktionsanforderungen gerecht zu werden.

Produktionsmethoden

Historische Methoden

• blumig
• Musterschweißen
• katalanische Schmiede
• Wootzstahl (Tiegeltechnik): entwickelt in Indien , verwendet in der Naher Osten wo es hieß Damaststahl .
• Zementierungsprozess zur Umwandlung von Schmiedeeisen in Rohstahl. Dies war der Hauptprozess, der in verwendet wurde England aus dem frühen 17. Jahrhundert.
• Tiegeltechnik, ähnlich dem Wootz-Stahl, eigenständig neu entwickelt in Sheffield von Benjamin Huntsman um 1740 und Pavel Anosov in Russland im Jahr 1837. Huntsmans Rohmaterial war Blisterstahl.
• Pfützenbildung

Moderne Methoden

• Lichtbogenöfen sind eine Form der sekundären Stahlerzeugung aus Schrott, daher ist Stahl hart, obwohl das Verfahren auch direkt reduziertes Eisen verwenden kann
• Produktion von Roheisen im Hochofen
• Konverter (Stahl aus Roheisen):

1. Bessemer-Verfahren, das erste großtechnische Stahlherstellungsverfahren für Baustahl.
2. Das Siemens-Martin-Verfahren unter Verwendung eines offenen Herdofens
3. Grundlegende Sauerstoffstahlherstellung

Verwendung von Stahl

Historisch

Stahl war teuer und wurde nur dort verwendet, wo nichts anderes ausreichte, insbesondere für die Schneide von Messern, Rasiermessern, Schwertern und anderen Werkzeugen, bei denen eine harte, scharfe Kante benötigt wurde. Es wurde auch für Federn verwendet, darunter solche, die in Uhren und Armbanduhren verwendet wurden.

Seit 1850

Stahl war leichter zu beschaffen und viel billiger und hat Schmiedeeisen für eine Vielzahl von Zwecken ersetzt. Es wird weiterhin in vielen Situationen verwendet, obwohl die neue Verfügbarkeit von Kunststoffen während der 20. Jahrhundert hat dazu geführt, dass es für einige nicht mehr verwendet wird.

Langer Stahl

• Drähte
• Bahngleise
• Als Träger beim Bau moderner Hochhäuser, Brücken

Flacher Kohlenstoffstahl

• Für den inneren und äußeren Körper Autos , Züge
• Großgeräte

Rostfreier Stahl

• Besteck
• Lineale
• Armbanduhren

Die Royal Canadian Mint produziert Dimes (Wert = 0,10 $)

• Bestehend aus 92 % Stahl
• Seit 2000
• Die Münze wiegt 1,75 g