Die Welt des Stahls

Die Geschichte der Menschheit ist eng mit der Entwicklung und dem Einsatz von Werkstoffen verbunden. Diese prägten sogar verschiedene Zeitperioden wie die Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit. Es war ein mühsamer, langer Weg: vom Faustkeil aus Stein über die Nutzung bearbeiteter, gediegener Metalle wie Gold, Silber und Kupfer, die Entdeckung der ersten Legierung Bronze bis hin zur heutigen gezielten Werkstoffentwicklung. Metallurgische Verfahren und Anlagen, Verarbeitungstechnologien und Nutzungskonzepte mussten erarbeitet und umgesetzt werden. Die Triebkraft hierfür war der mit dem Fortschritt der Menschheit einhergehende, ständig zunehmende Bedarf an Werkstoffen.

Stähle faszinieren immer wieder mit ihren vielen, oft auch außergewöhnlichen Eigenschaften, mit einem großen Anwendungspotenzial und weltweit zunehmender Erzeugung.

Hierzu soll eine Orientierung gegeben werden mit Erläuterungen zu den Grundlagen des Werkstoffes Stahl, zu den Möglichkeiten der Klassifizierung von Stählen sowie auch mit Kurzporträts zu ausgewählten Stahlsorten.

Stahl kann sehr weich und ausgezeichnet umformbar, aber auch sehr hart und dafür spröde hergestellt werden. Die Eigenschaften sind sehr komplex und bestimmen die Eignung der Stähle für bestimmte Verwendungszwecke. Deshalb gibt es auch so unzählig viele Stähle. Um nun die Wirkung der ebenso zahlreichen Legierungselemente bzw. deren Kombinationen in den Stählen zu verstehen bzw. sich hierbei zurecht zu finden, soll zunächst ein Überblick über die wichtigsten Eigenschaften gegeben werden. Diese beziehen sich generell auf:

Davon ausgehend werden die Eigenschaften grob unterschieden in:

Stahl – was für ein Werkstoff: So viele verschiedene Stähle, so unzählig viele Varianten zum Legieren mit so vielen Legierungselementen, so viele Möglichkeiten der Beeinflussung der Eigenschaften, so viele Herstellungstechnologien und vor allem so vielseitig einsetzbar. Kein anderer Werkstoff ist so beeindruckend komplex, so universell und faszinierend und immer noch spannend für Neues. Stahl hat in der Geschichte und Gegenwart der Menschheit eine gewichtige Bedeutung erlangt (Schwarz 2013). Und zieht man einen Bogen von den Anfängen der Eisen- und Stahlerzeugung bis zur heutigen Herstellung, Verarbeitung und zu den Einsatzgebieten, so wird diese Bedeutung des Stahls noch deutlicher.

Ein Blick auf den Schreibtisch und wir sehen Büroklammern, Druckkugelschreiber mit kleinen Federn, einen Locher mit zwei scharf angeschliffenen Stempeln zum Papierlochen – Stahl in winziger Drahtform oder als Rundstab. Mit einem kleinen, sehr dünnen Spezialstahl als Klinge gelingt eine schonende Trockenrasur. Unser Auto hat im Winter meist Stahlfelgen.

Wissend um die Wirkung der Legierungselemente ist ein Stahl primär aus Erz über die Hochofen-Konverter-Route oder sekundär aus Schrott im Elektrostahlwerk erzeugt, zu einem Block oder Strang abgegossen und zu einem Halbzeug oder Formteil umgeformt worden. Grundlagen, Verfahren, Anlagen und Anwendungsbeispiele hierfür bilden die Inhalte der ersten fünf Kapitel. Um nun ein einbaufertiges Bauteil zu erhalten, sind jedoch noch weitere technologische Schritte notwendig, wie die Wärmebehandlung, das Prüfen, fertigungstechnische Bearbeitungen und Adjustagearbeiten. Diese sollen nachfolgend, beginnend mit der Wärmebehandlung von Stahl, vorgestellt werden.

Wussten Sie, dass die Redensart „Drum prüfe, wer sich ewig bindet“ von Friedrich Schiller (1759–1805) aus dem Lied von der Glocke heute eigentlich für sehr viele Bereiche gilt und sich nicht nur auf das Abenteuer „Ehe“ bezieht?

Um ein Werkstück, ein Formteil, ein Bauteil – also ein exakt hinsichtlich Form, Abmessung, Maßtoleranzen, Oberflächengüte und mechanisch-technologischer Eigenschaften definiertes Produkt – zu erzeugen, sind verschiedene Verfahren anzuwenden. Die Stahlherstellung, das Urformen (Gießen), das Umformen einschließlich der notwendigen Wärmebehandlungsverfahren und die Prüfungen wurden in den vorherigen Kapiteln behandelt. Diese Verfahren werden allgemein der Fertigungstechnik zugeordnet, ebenso die weiteren Verfahren wie das Fügen, Beschichten und die Spanungstechnik (mechanische Bearbeitung wie Drehen, Fräsen, Hobeln/Stoßen, Bohren, Schälen, Schleifen). Alle diese Verfahren der Fertigungstechnik sind eng mit der Geschichte der Menschheit verbunden. So gab es beispielsweise schon in der Steinzeit vor über 40.000 Jahren Drill- bzw. Feuerbohrer. In der Bronzezeit nach 3000 v. Chr. begann dann die Eisengewinnung und -verarbeitung durch Gießen, Schmieden und Feuerschweißen. Und ab Mitte des 18. Jahrhunderts kamen zunehmend wissenschaftliche Methoden zur Verbesserung der Fertigungstechnik und zur Entwicklung neuer Verfahren zur Anwendung. Heute ist die Fertigungstechnik ein wichtiges Gebiet der Produktionstechnik und des Maschinenbaus, umfasst also Verfahren und Anlagen (Werkzeuge, Bearbeitungsmaschinen usw.) zur Herstellung von Produkten, die für den Endverbraucher bestimmt sind oder die als Halbzeug noch weiter verarbeitet werden müssen (Westkämper & Warnecke, 2010; Fritz, 2015). Nachfolgend soll ein Überblick zu den Verfahren Fügen und Beschichten von Stahl sowie zu den wichtigsten Verfahren der mechanischen Bearbeitung gegeben werden.

Härten und Anlassen von Stäben führen zu den gewünschten Festigkeitseigenschaften, nur sind die Stäbe dabei meist etwas krumm geworden. Die Weiterbearbeitung durch spitzenloses Schleifen erfordert „schleifgerade“ Stäbe. Auch der Kunde, ein Präzisionsdrehteilehersteller, fordert sehr gerade Stäbe. Also müssen sie gerichtet werden. Gewalzte Knüppel weisen manchmal an der Oberfläche Anrisse auf. Diese könnten sich bei der Weiterverarbeitung durch Kaltumformen verstärken, sollten also vor dieser Umformung entfernt werden. Zur prozessbegleitenden Qualitätskontrolle sind nach den verschiedenen Bearbeitungsgängen Proben zu entnehmen. Schnittkanten sind zu entgraten und die Produkte zur sicheren Identifizierung zu kennzeichnen. Diese Aufzählung könnte noch erweitert werden. All das, was zwischen und am Ende der Fertigungskette in der Stahl herstellenden und verarbeitenden Industrie geschieht, wird der Adjustage zugeordnet, früher auch Zurichterei genannt (Hiersig, 1995). Der Begriff Adjustieren stammt vom französischen „ajuster“ und bedeutet etwas angleichen, also eben machen bzw. in Ordnung bringen. Dazu sind verschiedene Nachbearbeitungsgänge nötig. Diese richten sich nach dem Produkt (Werkstoff, Lieferzustand und -geometrie) sowie nach den Anforderungen für eine Weiterverarbeitung bzw. für die Anwendung.

Üblicherweise umfasst die Adjustage folgende Arbeitsschritte:

Oft wird in Unternehmen auch die Wärmebehandlung dem Adjustagebereich zugeordnet. Nachfolgend können nur einige dieser Adjustagearbeiten mit Beispielen produktbezogener Anwendungen vorzugsweise für Stahlhalbzeug vorgestellt werden, wie Oberflächenbehandeln, Richten, Fertigmachen, Verpacken und Versand.

Dieses alte deutsche Sprichwort ist bezeichnend für viele Lebenssituationen. Es verbindet das Positive (Hobeln – tätig sein), also den Prozess zur Schaffung von etwas Neuem, mit dem Negativen (Späne – Abfall), das bei solch einem Prozess unweigerlich mit entsteht. Dieses Entstehen von Negativem hat Gründe und ist teils sogar gesetzmäßig bedingt, entbindet aber niemanden davon, dieses Negative mit wahrzunehmen und gezielt zu minimieren.

Stahl ist und bleibt der Werkstoff Nummer 1. Dies war zu Beginn der Eisenzeit vor über 3000 Jahren noch nicht absehbar. Nach so einer langen, ereignisreichen Zeit der Stahlerzeugung und Anwendung wäre heute eigentlich anzunehmen, dass das „schmiedbare Eisen“ hinsichtlich Zusammensetzung und Eigenschaften schon gut erforscht sei. Irrtum! Der Werkstoff Stahl ist noch nicht ausgereizt. Jedes Jahr werden ca. 200 Stähle nach Kundenanforderungen verbessert und rund 50 neue erfunden.