Welches sind die wichtigsten technischen Eigenschaften von Stahl?

Die früheste bekannte Herstellung von Stahl geht auf das Jahr 1800 v. Chr. zurück und findet sich in Eisenwerkzeugen, die an archäologischen Stätten in Anatolien entdeckt wurden. Das bedeutet, dass dieses Material seit mindestens 4.000 Jahren in Gebrauch ist! Seit Jahrhunderten trägt dieses Produkt zum Aufbau und zur Entwicklung der Zivilisation bei. Es wird für einfache Baumaterialien sowie in der Automobil- oder Umweltindustrie verwendet. Wie kann sie verarbeitet werden? Wie sind seine Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften? Dies wird weiter unten erläutert!

Zusammensetzung des Stahls

Baustahl für allgemeine Zwecke ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die bis zu 2 % Kohlenstoff enthält (Material mit einem höheren Kohlenstoffgehalt wird als Gusseisen bezeichnet). Stahl ist das bei weitem am häufigsten verwendete Material für den Bau der weltweiten Infrastruktur und Industrie und wird für alles verwendet, von der Nähnadel bis zum Öltanker. Auch die Werkzeuge, die für den Bau und die Herstellung solcher Gegenstände benötigt werden, sind aus Stahl gefertigt. Bei einer genaueren Analyse seiner Struktur ist festzustellen, dass es sich um eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung handelt, die weniger als 2 % Kohlenstoff und 1 % Mangan sowie geringe Mengen davon enthält: 

• Silizium, 
• Phosphor, 
• Schwefel,
• Sauerstoff. 

Da es sich um eine Legierung und nicht um ein reines Element handelt, gehört es nicht zu den Metallen. Obwohl Stahl selbst Eisen enthält, das zu dieser Gruppe gehört, schließen Kohlenstoff und andere Elemente, die ebenfalls in dieser Legierungszusammensetzung enthalten sind, die Klassifizierung von Stahl als Metall aus. Stahl ist heute das wichtigste Baumaterial der Welt, das in allen Bereichen unseres Lebens Verwendung findet. Wir können sehen, dass sie zum Beispiel in vielen Bereichen eingesetzt wird: 

• Autos, 
• Bauprodukte, 
• Kühlschränke, 
• Waschmaschinen, 
• Frachtschiffe, 
• chirurgischen Messern, 
• und natürlich auch in vielen anderen Bereichen der Industrie. 

Eigenschaften von Stahl

Stahl hat viele Eigenschaften, darunter spezifische Härte, Duktilität, Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung, Ermüdungsfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und andere. 

Zu den Parametern, die die Eigenschaften von Stahl bestimmen, gehören:

• Härte – ist die Fähigkeit eines Materials, Reibung und Verschleiß zu widerstehen. Es ist erwähnenswert, dass der Begriff in der Alltagssprache dasselbe bedeutet wie Festigkeit und Duktilität, während er im Zusammenhang mit Metalleigenschaften etwas ganz anderes bedeutet als Festigkeit und Duktilität.
• Festigkeit – bezieht sich auf die Fähigkeit, Energie zu absorbieren, ohne zu brechen oder zu reißen. Sie ist auch definiert als die Bruchfestigkeit eines Materials unter Belastung. Sie wird normalerweise in Joule pro Quadratzentimeter gemessen. Es ist wichtig, dies von der Härte zu unterscheiden, denn ein Material, das sich stark verformt, ohne zu reißen, kann als sehr fest, aber nicht als steif angesehen werden.
• Dehnung und Duktilität – wird als Prozentsatz der Testlänge ausgedrückt und liegt zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze (d. h. dem Prozentsatz des Materials, der sich biegt, bevor er bricht). Diese Eigenschaft des Stahls, die es ermöglicht, ihn zu bearbeiten, ist ein äußerst wertvoller Aspekt für CNC-Bearbeiter. Die Streckgrenze ist der Punkt, bis zu dem der Stahl bei Zug nicht versagt.

Die oben genannten mechanischen Eigenschaften von Stahl machen ihn zu einem äußerst praktischen Werkstoff.

Grundlegende physikalische Eigenschaften von Stahl

Stahl hat eine Dichte von 7.850 kg/m3, d. h. er ist 7,85 Mal dichter als Wasser. Es hat einen Schmelzpunkt von 1510 C und liegt damit höher als die meisten Metalle. Zum Vergleich: Bronze hat einen Schmelzpunkt von 1040 C, Kupfer 1083 C, Gusseisen 1300 C und Nickel 1453 C. Wolfram hingegen hat einen Schmelzpunkt von 3410 Grad Celsius, was nicht verwunderlich ist, da dieses Element in Glühbirnen verwendet wird. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Stahl (ausgedrückt in µm pro Meter pro Grad Celsius) beträgt 11,1 bei 20 °C. Damit ist er stärker als Kupfer (16,7), Zinn (21,4) oder Blei (29,1).

Metalllegierungen und Stahl

Eisen, der Hauptbestandteil von Stahl, ist eines der am weitesten verbreiteten Elemente in der Erdkruste. In den meisten legierten Stählen ist der Hauptbestandteil Eisen mit 0,002-2,1 Gew.-% Kohlenstoff. In diesem Bereich bilden die Kohlenstoff-Eisen-Bindungen eine starke Molekularstruktur. Das daraus resultierende Gittergefüge trägt dazu bei, dass einige der Stahleigenschaften, auf die wir angewiesen sind, wie Zugfestigkeit und Härte, erreicht werden. Obwohl jeder Stahl aus Eisen und Kohlenstoff besteht, enthalten die verschiedenen Stahlsorten bestimmte Anteile dieser Elemente. Sie kann auch andere Elemente enthalten, wie z. B.: 

• nickel, 
• Molybdän, 
• Mangan, 
• Titan, 
• Bor, 
• Kobalt 
• Vanadium. 

Die Zugabe verschiedener Elemente zur „Rezeptur” einer Stahllegierung beeinflusst deren Materialeigenschaften. Die Methoden der Stahlherstellung und -verarbeitung haben diese Möglichkeiten noch erweitert. Eine bemerkenswerte Gruppe von Stahllegierungen enthält Chrom. Alle diese Legierungen werden gemeinhin als nichtrostende Stähle bezeichnet.

Wie hoch ist der Schmelzpunkt des Stahls?

Der Schmelzbereich für diese Legierung liegt zwischen 2500-2800°F oder 1370-1540°C. Warum dieser Bereich?  Denn es gibt verschiedene Arten von Legierungen. Das Wort „Legierung” wird heutzutage fast immer falsch verwendet. In der Praxis bedeutet das Wort eigentlich eine Mischung von Metallen, und zwar jeder Art von Metall. Fast alle heute verwendeten Metalle sind Mischungen und damit Legierungen. Den meisten Stählen werden andere Metalle zugesetzt, um ihre Eigenschaften, wie z. B. Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Produktionsfreundlichkeit, zu verbessern. Stahl ist einfach nur Eisen, das verarbeitet wurde, um den Kohlenstoffgehalt zu kontrollieren. Eisen schmilzt bei einer Temperatur von etwa 1510 Grad Celsius (2750 Grad Fahrenheit). Stahl schmilzt normalerweise bei etwa 1370 Grad Celsius (2500 Grad Fahrenheit).

Wie hoch ist der Schmelzpunkt von rostfreiem Stahl?

Der Schmelzpunkt von nichtrostendem Stahl liegt zwischen 2550 und 2790°F oder 1400 und 1530°C. Der Schmelzpunkt einer bestimmten Art von nichtrostendem Stahl hängt von seiner genauen chemischen Zusammensetzung ab. Jedes Element bringt seinen eigenen Schmelzpunkt in die Gleichung ein. Die Hauptelemente, aus denen rostfreier Stahl besteht, sind Eisen, Chrom und Nickel. Reines Eisen hat einen konstanten Schmelzpunkt von 1535°C, Chrom 1890°C und Nickel 1453°C. Vergleichen Sie diese Zahlen mit dem Temperaturbereich von 1400-1530°C für Edelstahl. Jede Edelstahlsorte weist eine leicht unterschiedliche Kombination von Elementen auf. Daher variiert der genaue Schmelzpunkt von Sorte zu Sorte.

Wie unterscheidet sich der Schmelzpunkt der verschiedenen Sorten?

Es gibt fünf Serien und mehr als 150 Sorten von rostfreiem Stahl. In der Praxis werden jedoch nur 15 dieser Kategorien täglich in einer Vielzahl von Konstruktionen verwendet. Die beiden beliebtesten Sorten sind 

• 304 
• 316. 

Sie gehören zu den austenitischen nichtrostenden Stählen, die sich durch eine kubische, an der Oberfläche konzentrierte Kristallstruktur auszeichnen und bei allen Temperaturen vom Tiefsttemperaturbereich bis zum Schmelzen fest bleiben. Der Schmelzpunkt von rostfreiem 316er Stahl liegt bei 1375°C, der von 430er Stahl bei bis zu 1510°C. Die am weitesten verbreitete Sorte 304 hat einen Schmelzpunkt von 1400-1450°C.

Verschiedene Arten von Stahl

Die vier wichtigsten Stahlsorten sind die folgenden:

• Kohlenstoff
• Legiert
• Rostfrei 
• Werkzeugstahl
• Kohlenstoffstahl

Es hat ein stumpfes Aussehen und ist sehr korrosionsanfällig. Im Allgemeinen wird dieser Stahl in drei Untertypen unterteilt: 

• Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, 
• mittlerer Kohlenstoff, 
• Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt. 

Die erste Unterart enthält etwa 0,30 % Kohlenstoff, bei der zweiten Unterart beträgt der Kohlenstoffanteil 0,60 % und bei kohlenstoffreichen Stählen 1,5 %. Der Name selbst rührt daher, dass es sehr geringe Mengen anderer Legierungselemente enthält.

Legierter Stahl

Eine andere Art ist legierter Stahl, der durch die Kombination von Kohlenstoffstahl mit verschiedenen Legierungselementen hergestellt wird, die ihm einzigartige Eigenschaften verleihen. Es gibt viele Arten von legiertem Stahl. Aufgrund des breiten Spektrums an legierten Stählen können Elemente verwendet werden, um Stähle mit fast allen erdenklichen Eigenschaften herzustellen. Infolgedessen sind einige relativ teuer. Sie sind in der Regel korrosionsbeständiger und werden mitunter bevorzugt für einige Automobilteile, Rohre, Bootsrümpfe und mechanische Komponenten verwendet. 

Werkzeugstähle

Werkzeugstähle sind bekannt für ihre Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Kratzfestigkeit. Sie haben ihren Namen von der Tatsache, dass sie sehr häufig zur Herstellung von Metallwerkzeugen wie z. B. Hämmern verwendet werden. Sie bestehen in der Regel aus Molybdän, Vanadium, Wolfram und Kobalt. Es ist erwähnenswert, dass Werkzeugstähle sind:

•  hitzebeständig, 
• dauerhaft 
• stark.

Es gibt 5 Sorten von Werkzeugstahl:

• Kohlenstoffstähle.
• Stähle für die Kaltbearbeitung.
• Stähle für die Warmumformung.
• Gesinterte legierte Stähle.
• Schnellarbeitsstähle.
• Rostfreie Stähle

Edelstahl ist wahrscheinlich die beliebteste Art dieses Materials auf dem Markt. Dieser Typ ist glänzend und enthält im Allgemeinen etwa 10 % bis 20 % Chrom, das sein Hauptlegierungselement ist. Durch diese Kombination ist der Stahl korrosionsbeständig und lässt sich leicht in verschiedene Formen bringen. Aufgrund seiner leichten Verwendbarkeit, Flexibilität und Qualität wird nichtrostender Stahl für chirurgische Geräte, Haushaltsgeräte, Besteck und sogar als Außenverkleidung von Gewerbe- und Industriegebäuden verwendet.

Anwendungen von Stahl 

Stahl ist umweltfreundlich und nachhaltig. Es zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit aus. Im Vergleich zu anderen Werkstoffen ist für die Herstellung leichter Stahlkonstruktionen nur sehr wenig Energie erforderlich. Stahl ist das am häufigsten recycelte Material der Welt und kann leicht recycelt werden. Seine einzigartigen magnetischen Eigenschaften machen es zu einem Material, das zum Beispiel leicht vom Grund von Gewässern gewonnen werden kann. Konstruktionen aus Stahl werden im allgemeinen Maschinenbau und in der verarbeitenden Industrie verwendet. Auch in der Automobilindustrie wird es häufig verwendet. In der Karosserie, den Türen, dem Motor, der Aufhängung und dem Innenraum eines Fahrzeugs werden verschiedene Stahlsorten verwendet. Im Durchschnitt sind 50 % der gängigen Autoteile aus diesem Material gefertigt. Praktisch alle Arten von Energiesektoren benötigen Stahl für die Infrastruktur und die Ressourcengewinnung.  Sein Gegenstück aus rostfreiem Stahl wird in Offshore-Plattformen und Pipelines, aber auch in erneuerbaren Energiequellen wie z. B. in der Stromerzeugung eingesetzt: 

• Solarenergie 
• Wasserkraft, 
• Windenergie, 

in denen bestimmte Bauteile aus diesem Material hergestellt sind. Außerdem bietet rostfreier Stahl ein hygienisches Umfeld, weshalb er insbesondere für chirurgische Implantate verwendet wird. Die meisten Haushaltsgeräte wie Kühlschränke, Fernsehgeräte, Backöfen, Spülbecken usw. sind ebenfalls aus Stahl gefertigt. Dank seiner leichten Schweißbarkeit und ästhetischen Verarbeitung ist Stahl zu einem charakteristischen Element der modernen Architektur geworden. Diese Parameter, die die Eignung von Stahl charakterisieren, machen ihn zum beliebtesten Baumaterial.