Die Werkstoffe

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Warum Stahl nicht gleich Stahl ist!

Gehen Sie auch am liebsten dort einkaufen, wo die Auswahl am größten ist? Dann haben wir gute Nachrichten für Sie. Weltweit existieren über 2.500 genormte Sorten Stahl und einen Großteil davon wird in den Walzwerken Einsal weiterverarbeitet.

An dieser Stelle hören wir bereits die Einwände: „2.500 Sorten, wie kann das sein? Ist Stahl nicht einfach die Verbindung von Eisen und Kohlenstoff, der ihre Verunreinigungen ausgetrieben wurden? Stahl ist Stahl!

Nun, das mag vielleicht noch im 14. Jahrhundert gegolten haben, als in Europa die ersten Hochöfen gebaut wurden, aber in den letzten 700 Jahren hat sich jede Menge getan. Denn tatsächlich ist die Herstellung von Stahl als Teil der Metallurgie mittlerweile zu einer ganz eigenen Wissenschaft geworden.

So existieren heutzutage unzählige Herstellungsverfahren, in denen insbesondere die Beigabe zusätzlicher Legierungselemente sowie das eingesetzte Wärmebehandlungsverfahren eine entscheidende Rolle spielen. Denn dadurch gelingt es, Stahl mit unterschiedlichsten Materialeigenschaften zu erzeugen: Härte, Zugfestigkeit, Oxidations- oder Korrosionsbeständigkeit etwa lassen sich im Produktionsprozess exakt austarieren.

So entstehen Stahlsorten, die sich ideal für den ihnen zugedachten Verwendungszweck eignen – über 2.500 eben. Und unsere drei wichtigsten Kategorien möchten wir Ihnen gerne genauer vorstellen.

Der Widerstandsfähige: Werkstoffe auf Nickelbasis

Das Element Nickel – Elementsymbol: Ni, Ordnungszahl: 28 – ist als Metall eine wahre Wunderwaffe. Mit 1.455 °C besitzt es einen extrem hohen Schmelzpunkt, es ist besonders resistent gegenüber chemischen Stoffen, sehr oxidationsbeständig, als nur eines von drei Elementen ferromagnetisch – und deshalb ziemlich teuer. Für eine Tonne Nickel müssen Sie (Stand Februar 2021) gut 15.000 Euro auf den Tisch legen.

Gut also, dass Nickel seine vorzüglichen Eigenschaften in Legierungen an andere Metalle weitergibt; etwa an unsere Werkstoffe auf Nickelbasis. In besonders hohen Konzentrationen kann der Nickelanteil Werte von über 50 Prozent erreichen, aber bereits in kleineren Beigabemengen macht Nickel eine Stahllegierung korrosionsbeständig, unempfindlich gegenüber konstant hohen Temperaturen – Experten nennen das auch kriechfest – und erhöht Zähigkeit und Zugfestigkeit des Materials.

Ein besonders extremes Beispiel für einen Werkstoff auf Nickelbasis ist die Superlegierung mit dem Namen Alloy 718. Sie ist kriechfest bis zu 700 °C, oxidationsbeständig bis zu 1.000 °C und besitzt einen Nickelanteil von 52,5 Prozent. Verwendung findet sie überall dort, wo der Werkstoff extremen Bedingungen ausgesetzt ist. Etwa in den Turbinen von Flugzeugen.

Nicht unerwähnt bleiben darf außerdem, dass Nickel natürlich immer den Hauptbestandteil einer Nickelbasislegierung bildet, zur Produktion moderner Werkstoffe allerdings zahlreiche weitere Elemente nötig sind. Das bereits angesprochene Alloy 718 etwa enthält weiterhin 19 Prozent Chrom, 3 Prozent Molybdän, 0,9 Prozent Aluminium, weniger als 0,1 Prozent Kupfer, 5,1 Prozent Niob und 0,9 Prozent Titan. Wie gesagt: Die Stahlherstellung ist eine eigene Wissenschaft.

Wenn Sie noch tiefer in die Materie eintauchen möchten: Die Zusammensetzung gängiger Nickelbasiswerkstoffe wird unter anderem in der DIN 17742, der DIN EN 10095, der ASTM B168, den werkstoffspezifischen AMS Normen für die Luftfahrtindustrie sowie vielen weiteren Regelwerken beschrieben

Wie immer eine Metalllegierung auf Nickelbasis in seiner Zusammensetzung im Detail aber auch aussehen mag, seine Einsatzmöglichkeiten sind extrem vielseitig. Überall dort, wo harsche Bedingungen herrschen und Materialien großen Belastungen ausgesetzt sind kommen Nickellegierungen zum Einsatz. Diese sind:

  • Mechanische Beanspruchung: Das Wirken von konstanten Kräften und starken Momenten.

  • Chemische Beanspruchung: Angriffe chemischer und elektrochemischer Art auf die Oberfläche.

  • Thermische Beanspruchung: Das Wirken von konstanten sowie sprunghaft wechselnden Temperaturen.

Nickelbasislegierungen finden daher in zahlreichen Bereichen Verwendung. etwa in der Chemieindustrie, der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Autobau oder in der Medizintechnik.

Der Leichte: Werkstoffe auf Titanbasis

Auch Titan – Elementsymbol: Ti, Ordnungszahl: 22 – besitzt als Metall herausragende Eigenschaften. So zeichnet es sich insbesondere durch seine hohe Zugfestigkeit und die natürliche Bildung einer Schutzschicht aus, die es unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen macht. Gleichzeitig besitzt es eine Dichte von gerade einmal 4,5g/cm3 (zum Vergleich: die Dichte von Eisen beträgt 7,8g/cm3) und ist damit vergleichsweise leicht.

Leider ist es auch vergleichsweise teuer – sehr teuer um genau zu sein. Für eine Tonne reinen Titans sind über 100.000 Euro fällig. Dieser gewaltige Preis begründet sich allerdings nicht durch die Seltenheit des Elementes; tatsächlich ist Titan das neunthäufigste Element auf unserem Planeten. Allerdings kommt das Metall so gut wie nie in seinem Reinzustand vor und muss erst durch extrem aufwändige und kostspielige Verfahren extrahiert werden.

Um Ihnen einen Eindruck zu vermitteln: Die Erzeugung eines Kilogramms Zement verbraucht im Durchschnitt 0,3 Kilowattstunden an Energie. Eine Kilogramm Stahl schlägt mit sechs Kilowattstunden zu Buche, ein Kilo Kunststoff sogar mit 19 Kilowattstunden.
Für ein Kilogramm Titan allerdings werden 140 Kilowattstunden Energie fällig – für den gleichen Wert könnte eine Energiesparlampe anderthalb Jahre am Stück leuchten oder 5.000 Tassen Kaffee gekocht werden.

Einmal gewonnen verleiht eine Legierung mit Titan dem Stahl eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Bruchbeständigkeit, in Fachkreisen Duktilität genannt. Durch die bereits erwähnte Neigung, eine oxidative Schutzschicht zu bilden, wird er darüber hinaus besonders korrosionsbeständig und aufgrund der geringen Dichte zeitgleich leichter als andere Legierungen. Die Metallurgie unterscheidet dabei unterschiedliche Grade, klassifiziert von 1 bis 39. Die Grade 1 bis 4 bezeichnen Reintitan in unterschiedlichen Reinheiten, der in der Industrie am häufigsten verwendete Werkstoff vom Grad 5 besitzt einen Titananteil von immer noch 90 Prozent.

Diese Titanlegierungen finden daher überall dort Verwendung, wo es nicht nur auf eine besondere Haltbarkeit des Werkstoffes ankommt, sondern vor allem jedes Gramm zählt. So werden Elemente aus Titan etwa in Raumschiffen verbaut, sind Bestandteil von Schutzausrüstung für Militär und Polizei oder kommen in der Medizin bei der Herstellung moderner Prothesen zum Einsatz.

Aber auch in unseren ganz normalen Alltag halten Titanwerkstoffe immer stärker Einzug. In Sportgeräten etwa, wie zum Beispiel Golf- und Tennisschlägern, Fahrräder oder Bergsteigerausrüstung sorgt das ultraleichte Material für höhere Leistungen. Und bei High-End- Technik rund um Notebooks und Smartphones schützt ein Gehäuse aus einer Titanlegierung empfindliche Komponenten.

Der Vielseitige: RSH-Stahl

RSH steht bei diesen Stahlsorten tatsächlich nicht für ein chemisches Element, sondern bedeutet schlicht und ergreifend rost-, säure- und hitzebeständig. Im Volksmund wird diese Stahlvariante gerne auch als rostfreier Edelstahl bezeichnet.

Allerdings kommt auch sie nicht ohne die Beigabe eines Legierungselementes aus. Diesmal handelt es sich neben dem bereits angesprochenen Nickel zunächst um Chrom – Elementsymbol: Cr, Ordnungszahl: 24. Als Rohstoff kommt es auf unserem Globus nur äußerst selten in ungebundener Form vor. Lediglich zehn Vorkommen in großer Tiefe hat man bislang entdeckt. In Verbindung mit anderen Elementen allerdings wird es häufig gefunden, beispielsweise als Ferrochrom, also einer Legierung aus Eisen und Chrom. In dieser Form ist Chrom mit einem Preis von etwa 200 Euro pro Tonne nicht nur relativ günstig, es eignet sich auch bestens für die Herstellung von RSH-Stählen.

Dass der Werkstoff durch die Beigabe von Chrom nicht nur widerstandsfähig gegen Rost, Hitze und Säure wird, bedarf wohl keiner Erklärung; der Name sagt es ja bereits. Allerdings gewinnt Stahl durch eine Chromlegierung noch weitere Eigenschaften. So macht das Metall ihn etwa sehr leicht formbar und ermöglicht dadurch zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten. Außerdem zeichnet Chromstahl sich durch seine geringe Wärmeleitfähigkeit aus – womit er für unterschiedlichste Einsatzgebiete prädestiniert ist. 

Auch hier gilt selbstverständlich, dass Chrom nur eines von zahlreichen Legierungselementen für RSH-Stahl ist. Unterschiedliche Werkstoffe verlangen nach den verschiedensten Metallen – je nach gewünschten Materialeigenschaften und dem ihnen zugedachten Verwendungszweck. Ein weiteres Beispiel für ein typisches RSH-Legierungselement wäre etwa Molybdän, Elementsymbol Mo, Ordnungszahl 42.

Dieses Schwermetall aus der Chromgruppe ist der Menschheit erst seit dem 18. Jahrhundert bekannt und wird heutzutage hauptsächlich als Nebenprodukt in der Kupferherstellung gewonnen. Gediegenes Molybdän dagegen ist sehr selten. Bislang konnte es neben einer Gesteinsprobe aus dem inneren eines Vulkans nur in drei Bodenproben nachgewiesen werden, die von US-amerikanischen Astronauten vom Mond mitgebracht wurden.

Seine Nützlichkeit in Stahllegierungen entdeckten Metallurgen gegen Ende des 19. Jahrhunderts. In kleinen Mengen dient es dort zum einen der Härtung, zum anderen zur Erhöhung der chemischen Beständigkeitt.

Insgesamt ist RSH-Stahl dank seiner hohen Widerstandsfähigkeit, seinen hervorragenden Weiterverarbeitungseigenschaften und dem guten Preis-/Leistungsverhältnis somit fast überall im Einsatz. Sie finden ihn in Ihren Badarmaturen und Ihrem Essbesteck, in der Pharmazie und im Kessel Ihrer Lieblingsbrauerei, in Ihrem Gartenzaun und der Treppe Ihres örtlichen Freibades.

Ohne Stahl wär blöd

Forscher glauben, dass die alten Ägypter vor mehr als 5.000 Jahren die ersten Menschen waren, die eisenhaltiges Meteoritengestein weiterverarbeitet haben. Seitdem hat unser Werkstoff einen langen Weg genommen. Heute ist Stahl ein Hochleistungsmaterial, mit zahlreichen wichtigen Eigenschaften, ohne das unsere moderne Welt schlicht nicht denkbar wäre.

Wir hoffen, Ihnen seine Vielfalt ein wenig nähergebracht und einen kleinen Einblick ermöglicht zu haben, wieviel Intelligenz, Aufwand und Wissenschaft tatsächlich in der Stahlherstellung steckt. Denn Stahl ist niemals gleich Stahl, sondern muss punktgenau und mit größter Sorgfalt für seinen zukünftigen Einsatzzweck produziert werden.

Gerade deshalb sind wir in Einsal stolz auf unser Know-how und auf die gleichbleibend hohe Qualität unserer Stähle – von der Superlegierung für das Interkontinentalflugzeug bis hin zum Chromstahl für die Thermoskanne. Wenn auch Sie nun überzeugt von unseren Leistungen sind oder einfach eine Frage haben, sprechen Sie uns gerne an. In jedem Fall freuen wir uns über Ihre Kontaktaufnahme.