Stahl

Stahl ist eine Legierung aus Eisen mit verschiedenen Zusätzen. Wesentlich ist, dass Stahl einen Kohlenstoffanteil nur bis zu 2,1 % enthält. Dadurch wird er hart, elastisch und schlagfest. Er lässt sich gießen, schmieden, pressen und walzen. Durch Zusatz von Mangan, Nickel, Chrom, Wolfram und anderen Stoffen können die Eigenschaften beeinflusst werden.

Stahl muss verschiedensten Ansprüchen gerecht werden. Eine Brückenkonstruktion hat den Belastungen bei hochsommerlichen Temperaturen wie bei strengem Frost standzuhalten. Gleichzeitig ist sie den unterschiedlichsten aggressiven Luftschadstoffen ausgesetzt.

Beachtlich sind auch die Ansprüche an den Stahl einer Spültischeinlage oder einer Waschmaschinentrommel. Spül-, Reinigungs- und Waschmittel wirken auf ihn bei hohen und niedrigen Temperaturen ein. Seine Formbeständigkeit muss bei Zimmertemperatur genauso gegeben sein wie bei 100 °C.
Schnell laufende Werkzeuge, wie Fräsen, Sägeblätter und Bohrer werden durch die entstehende Reibungswärme z.T. erheblich aufgeheizt. Sie müssen deshalb aus einem Stahl bestehen, der seine Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen behält. Trotzdem glühen unsachgemäß eingesetzte Bohrer bei Verlust ihrer Eigenschaften oft aus. Werkzeuge, die geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt sind, können aus einem Stahl gefertigt werden, der bis etwa 200 °C eine gute Stabilität seiner Eigenschaften aufweist.

Stahlherstellung

Durch den niedrigen Schmelzpunkt von 1200 °C lässt sich Roheisen als Gusseisen verarbeiten. Dieses ist aber sehr spröde und nicht schmiedbar. Erst wenn ein Teil der Beimengungen aus dem Eisen entfernt ist, wird es elastisch und schmiedbar. Insbesondere der Kohlenstoffgehalt muss unter 2,1 % liegen.

Die Verminderung des Gehalts an Begleitelementen wird in der Technik als Frischen bezeichnet. Beim Frischen des Roheisens findet die Oxidation der Begleitelemente statt. Der dazu erforderliche Sauerstoff stammt entweder aus der Luft oder aus dem Schrott bzw. reiner Sauerstoff wird aus der Luftverflüssigung zugeführt.

Im Konverter (auch in Konvertern, die nach ihren Erfindern auch Thomas- oder Bessemerbirne genannt werden) wird Luft oder reiner Sauerstoff durch das flüssige Eisen hindurch geblasen. Der Sauerstoff im Roheisen führt zur schnellen Oxidation der Begleitelemente.
Es laufen folgende Vorgänge ab:

Kohlenstoff	+	Sauerstoff		Kohlenstoffdioxid
C	+	$O_2$		$C{O}_2$
Schwefel	+	Sauerstoff		Schwefeldioxid
S	+	$O_2$		$S{O}_2$
Silicium	+	Sauerstoff		Siliciumdioxid
Si	+	$O_2$		$Si{O}_2$
Phosphor	+	Sauerstoff		Diphosphorpentoxid
4P	+	5$O_2$		$2P_2{O}_5$

Die Oxide der Begleitelemente sind als Gase entweder Bestandteil der Abgase oder sie bilden als Feststoffe zusammen mit den Zuschlägen die Schlacke. Der Konverter liefert unlegierten Stahl.

In der Thomasbirne befindet sich in der feuerfesten Auskleidung (Futter) Calcium- bzw. Magnesiumoxid. Diese Oxide reagieren mit Phosphor aus dem Roheisen. Die entstehende Schlacke enthält überwiegend $C{a}_3{(P{O}_4)}_2$, $M{g}_3{(P{O}_4)}_2$sowie Reste der feuerfesten Auskleidung. Die gemahlene Schlacke wird als Düngemittel („Thomasmehl“ bzw. „Thomasphosphat“) verwendet.
Eisen und auch die Mehrzahl der Stahlsorten unterliegen der Korrosion. Dabei bildet sich in einer chemischen Reaktion Rost, der als Hauptbestandteil das Eisen(III)-oxid enthält. Jährlich fallen enorme Mengen verrostetes Eisen (Schrott) in allen Industrieländern an. Im Siemens-Martin-Ofen bzw. im Elektroofen kann Schrott als Oxidationsmittel für die Begleitelemente eingesetzt werden, wobei als Reduktionsprodukt das Eisen des Schrotts wiedergewonnen wird. Es ist eines der ältesten und sicher funktionierenden „Recyclingverfahren“.

Die Eigenschaften des Metalls können auch durch Zugabe bestimmter Zuschläge beeinflusst werden. Das Verfahren heißt Legieren.

Legierungen entstehen, wenn Metall mit einem weiteren Metall oder anderen Stoffen zusammengeschmolzen wird. Sie bestehen aus zwei oder mehreren Atomsorten und besitzen andere Eigenschaften als die reinen Metalle. Der beim Zusammenschmelzen entstehende Stahl wird als legierter Stahl bezeichnet, wenn die Legierungsbestandteile maximal 5% ausmachen.

Liegen sie darüber, heißt er hochlegierter Stahl. Im Elektroofen kann auch ohne Schrott gearbeitet werden. Dazu wird er mit Stahl einer bekannten Zusammensetzung beschickt. Dieser Stahl wird im Lichtbogen des Elektroofens geschmolzen und dann unter Zusatz bestimmter Stoffe legiert. Es entstehen Edelstähle höchster Qualität für verschiedenste spezielle Einsatzgebiete, u.a. rostsichere Stähle. Heute existieren bereits mehr als 1000 Stahlsorten.