Werkstoffkunde zu Eisen und Stahl

Werkstoffkunde zu Eisen und Stahl 

Während Stahl immer auch Eisen ist, ist Eisen nicht automatisch auch Stahl. Maßgeblich in diesem Zusammenhang ist der Kohlenstoffgehalt, der darüber entscheidet, ob es sich bei dem vorliegenden Metall um Weicheisen, Stahl oder Gusseisen handelt.

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die beiden Begriffe Stahl und Eisen häufig bunt durcheinander gewürfelt. Dies gilt allerdings nicht nur für Laien, sondern auch für Profis. 

 

So sprechen Schmiede gerne von Eisen, obwohl es sich bei dem sprichwörtlichen Eisen, das sie im Feuer haben, in aller Regel eigentlich um Stahl handelt. Genauso nehmen es Schlosser und Schweißer oft nicht ganz so genau und bezeichnen Stahlprofile beispielsweise als Winkeleisen, als T-Eisen oder als U-Eisen.

Im Sprachgebrauch ist eine exakte Unterscheidung dabei auch nicht unbedingt notwendig. Wer hingegen mit Metallen arbeitet, sollte sehr genau wissen, wann er es mit welchem Werkstoff zu tun hat.

 

Hier daher eine Werkstoffkunde zu Eisen und Stahl:

 

Das Eisen

Zunächst handelt es sich bei Eisen um ein chemisches Element und zwar konkret um ein Metall. Metalle kennzeichnen sich durch besondere Eigenschaften. Hierzu gehört, dass Metalloxide zusammen mit Wasser Laugen bilden. Im Unterschied dazu bilden die Oxide der Nichtmetalle Säuren, wenn sie mit Wasser zusammenkommen.

Zu den weiteren besonderen Eigenschaften von Metallen gehört, dass sie, sofern sie nicht oxidiert sind, eine glänzende Oberfläche haben, Wärme und elektrischen Strom leiten, hart sind und sich elastisch sowie jenseits der Elastizitätsgrenze plastisch verformen lassen. Eisen gehört dabei zu den Metallen, die sehr häufig vorkommen und eine wichtige Rolle spielen.

So sorgt Eisen beispielsweise dafür, dass Erde eine braune Farbe hat. Eine Erde ohne oder mit einem nur sehr geringen Eisenanteil hat eine blasse Farbe und wird als ausgehagert bezeichnet. Für ein gesundes Pflanzenwachstum ist eine solche Erde sehr nachteilig, denn Pflanzen benötigen Eisen genauso wie auch Tiere und Menschen. So handelt es sich bei dem roten Blutfarbstoff, der für den Sauerstofftransport verantwortlich ist, ebenfalls um eine Eisenverbindung.

Aber Eisen ist eben auch ein sehr wichtiger Werkstoff. Reines Eisen ist dabei verhältnismäßig weich, weshalb auch von Weicheisen gesprochen wird. Für reines Eisen gibt es nur recht wenige Verwendungszwecke, in erster Linie werden Spulenkerne oder Trafobleche, teilweise auch umweltfreundliches Schrot daraus hergestellt.

Außerdem wird Weicheisen gelegentlich für Kunstschmiedearbeiten verwendet, die zwar ansprechend geformt und schön aussehen sollen, aber nicht unbedingt sehr hart sein müssen. Im Unterschied zu Stahl lässt sich Eisen sehr gut schmieden, die Gefahr, dass es im Feuer verbrennt, ist aber deutlich geringer. 

 

Der Stahl und das Gusseisen

Stahl gehört zu den Metallen, die am häufigsten verwendet werden. Gleiches gilt für Gusseisen, das in vielen Bereichen der Technik einer große Rolle spielt. Eisen wird zu Stahl, wenn es eine gewisse Menge an Kohlenstoff enthält, der bewirkt, dass das ursprünglich weiche Eisen härter wird. Chemisch betrachtet setzt sich Eisen aus Kristallen zusammen.

Kristalle liegen dann vor, wenn die Moleküle oder Atome eines Stoffes bestimmten Regeln folgend gitterförmig angeordnet sind und eine typische Struktur entsteht. Bildlich gesprochen sind die Kristallgitter von Eisen so strukturiert, dass es Plätze für Eisenatome und für Kohlenstoffatome gibt. Es entsteht also eine Art Mischkristall und damit eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff.

Von Stahl wird dann gesprochen, wenn das Eisen einen Kohlenstoffanteil von mindestens 0,002 Prozent hat. Je höher der Kohlenstoffanteil ist, desto härter ist auch der Stahl. Allerdings sind hierbei Grenzen gesetzt und mehr als rund 2,06 Prozent Kohlenstoff kann Eisen nicht aufnehmen. Ist der Kohlenstoffgehalt höher, sammelt sich der überschüssige Kohlenstoff meist lamellenförmig an und ein solches Eisen wird als Gusseisen bezeichnet.

Gusseisen ist spröde, hat einen niedrigeren Schmelzpunkt und wird recht dünnflüssig. Daher lässt sich Gusseisen gut gießen, kann aber nicht geschmiedet werden. Bevor es die Vielzahl an unterschiedlichen Schweißtechniken gab, wurden komplexe Werkstücke vielfach aus Gusseisen angefertigt. In der Praxis liegt der Kohlenstoffanteil bei Stählen bei bis zu 1,7 Prozent und der von Gusseisen bei über zwei Prozent. 

 

Stahl härten

Liegt der Kohlenstoffanteil des Stahls bei mindestens 0,2 Prozent, ist es möglich, den Stahl zu härten. Bei einer Temperatur von 723° C ändert sich die Kristallstruktur in der Form, dass sich die Kohlenstoffatome anders verteilen als bei kalten Stahl. Wird der Stahl langsam wieder abgekühlt, wandern die Atome zurück an ihre ursprünglichen Plätze.

Wird der Stahl jedoch schnell abgekühlt, beispielsweise indem er in kaltes Wasser getaucht wird, können die Kohlenstoffatome ihre ursprünglichen Plätze nicht mehr erreichen.

Dadurch kommt es zu Spannungen, die den Stahl härter machen. Durch ein erneutes Erwärmen lösen sich diese Spannungen wieder, weil die Kohlenstoffe jetzt an ihre ursprünglichen Plätze zurückwandern können. Durch ein gezieltes Erwärmen kann der durch das schnelle Kühlen glasharte Stahl also bis zu der gewünschten Härte erweicht werden. Dieser Vorgang wird als Anlassen bezeichnet.  

 

Baustahl und Werkzeugstahl

Stähle, die einen Kohlenstoffanteil von mindestens 0,5 Prozent haben, können soweit gehärtet werden, dass sie sich für Werkzeuge eignen. Aus diesem Grund werden die Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,5 und 1,5 Prozent als Werkzeugstähle bezeichnet.

Bei Stählen mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt wird von Baustählen gesprochen. Diese Stähle eignen sich sehr gut zum Schmieden und zum Schweißen. Bau- und Werkzeugstähle gibt es allerdings nicht nur in unlegierter, sondern auch in legierter Form.

In diesem Fall werden den Stählen weitere Elemente, meist Metalle, beigemischt, um sie auf diese Weise für den jeweiligen Zweck zu optimieren.

 

Weiterführende Anleitungen und Tipps zu
Schweißtechniken und Schweißarbeiten:

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