Stahl als Eisen-Legierung

Stahl ist eine Mischung aus Eisen mit anderen Elementen, den sogenannten Eisenbegleitern. Diese Elemente nennt man auch Legierungselemente und die entstehende Mischung Legierung. Dabei spricht man bei allen Eisenwerkstoffen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 2 Prozent die ohne Nachbehandlung schmiedbar sind von Stahl. Zusätzlich unterscheidet man je nach Anteil weiterer Legierungselemente zwischen legiertem und unlegiertem Stahl.

Die Legierungselemente können einen sehr bedeutenden Einfluss auf die Eigenschaften des fertigen Produkts ausüben. So ist zum Beispiel rostfreier Edelstahl eine auf etwa 20 Prozent Chrom basierende Eisenlegierung. Säurebeständiger Stahl basiert auf der Beimischung von Silicium und für Manganstahl legiert man das Eisen mit 0,8 bis 14 Prozent Mangan.

Der wichtigste Begleiter: das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt die Struktur und den Aufbau des Gefüges von Eisen bei Eisen-Kohlenstoff-Diagrammverschiedenen Temperaturen und Kohlenstoff Anteilen.

Einige Bereiche fallen dabei besonders auf:

  • Reines Eisen liegt bei Raumtemperatur als Ferrit (α-Eisen) vor.
  • Perlit enthält bereits etwas Kohlenstoff, dieser ist in Lamellenform im Eisengitter eingelagert.
  • Austenit (γ-Eisen) hat eine andere Atom-Gitterstruktur als Ferrit und liegt bei Temperaturen ab 727°C vor. Austenit kann deutlich mehr Kohlenstoff lösen als Ferrit und Perlit.
  • δ-Ferrit liegt nur bei sehr hohen Temperaturen und geringen Anteilen von Kohlenstoff vor und hat nur eingeschränkte technische Anwendungen.
  • Zementit ist ein anderer Name für Eisencarbid (Fe3C). Sobald die Löslichkeitsgrenze für Kohlenstoff im Eisen erreicht ist, lagert sich Zementit an den Korngrenzen der Eisenkristalle ab.

Die Struktur beeinflusst die Eigenschaften

Aussagen über die Gefügestruktur zu treffen ist wichtig um vorauszusagen wie sich eine bestimmte Stahlsorte verhalten wird. Reines Eisen ist durch seine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur sehr weich und magnetisch, allerdings ist es durch den geringen Anteil an Beimischungen nur schwer herzustellen.

Austenit dagegen hat eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur und kann deutlich mehr Kohlenstoff lösen. Es ist nicht magnetisch und genau wie Ferrit relativ weich und deshalb gut umformbar. Normalerweise liegt Austenit nur bei Temperaturen über 727°C vor, einige Legierungselemente, die sogenannten Austenitbildner, geben dem Stahl jedoch auch bei Raumtemperatur ein austenitisches Gefüge. Dazu zählen unter anderem Nickel, Kobalt und Mangan.

Stahl BlöckeZementit als dritter wichtiger Gefügebestandteil besteht aus 6,67 Prozent Kohlenstoff und ist dadurch extrem hart und spröde. Das macht Zementit sehr verschleißfest, allerdings verhindert es eine sinnvolle plastische Verformung.

Im Bereich des Stahls hat außerdem Perlit eine große Bedeutung. Reines Perlit entsteht als eutektoides Gefüge bei 0,8 Prozent Kohlenstoffgehalt. Perlit besitzt eine lamellenartige Struktur mit abwechselnden Bereichen aus Ferrit und Zementit.

Ledeburit, das eutektische Gefüge von Eisen und Kohlenstoff, entsteht bei 4,3 Prozent Kohlenstoffanteil. Ledeburit ermöglicht eine klare Abgrenzung zwischen Stahl und Gusseisen. In seiner Reinform ist es nur schlecht formbar, es gibt allerdings trotzdem legierte ledeburitische Stähle die schmiedbar sind.

Weitere Varianten durch Wärmebehandlung

Die beschriebenen Gefügestrukturen treten auf wenn das Material unendlich langsam abgekühlt wird. Bei der Wärmebehandlung wird gezielt auf den Temperaturverlauf Einfluss genommen. Sie besteht aus drei Schritten, dem kontrollierten Aufheizen, dem Halten und dem kontrollierten Abkühlen.

Bei bestimmten Temperaturverläufen können andere Gefügestrukturen entstehen als oben beschrieben. Zusätzlich gibt es zum Beispiel Martensit, ein sehr hartes und sprödes Stahlgefüge das nur bei extrem schneller Abkühlung auftritt. Es kann aber auch vorkommen, dass das Gefüge bei der Wärmebehandlung erhalten bleibt und andere Faktoren geändert werden.