Steel and the City

Eine unzertrennliche Gemeinschaft

Wir sitzen auf Parkbänken mit Stahlgestellen, werfen unseren Müll in Abfallsammler aus Stahl und werden von Stahlpollern daran gehindert, gesperrte Bereiche in einer Stadt zu befahren. Stahl als Werkstoff ist allgegenwärtig – und doch wissen nur die wenigsten von uns, was Stahl eigentlich genau ist und vor allem, was diesen Werkstoff so weit verbreitet macht. Wir haben uns dem Werkstoff Stahl daher einmal genauer angenommen.

Was genau ist eigentlich Stahl?

Unter Stahl (Plural Stähle) versteht man Werkstoffe mit dem Hauptbestandteil Eisen und einem Anteil von weniger als 2 % Kohlenstoff. In dem geringen Anteil Kohlenstoff liegt der Hauptunterschied zu Eisen-Gusswerkstoffen, die mehr als 2 % Kohlenstoffanteil besitzen.

Sowohl Stähle als auch Eisen-Gusswerkstoffe können durch unterschiedliche, gezielte Herstellungsverfahren, durch Legieren mit diversen Elementen und durch Wärmebehandlung verschiedene Eigenschaften erhalten:

• Hohe Festigkeit, beispielsweise für Wellen oder Zahnräder
• Härte und Verschleißfestigkeit für Wälzlager oder Zahnräder
• Optimale Zerspanbarkeit zur Fertigung von Wellen oder Gehäusen
• Gute Umformbarkeit (Bleche oder Schrauben)

Da Stahl außerdem preisgünstig herzustellen ist, gehört der Werkstoff zu den am meisten eingesetzten metallischen Werkstoffen überhaupt. Metallische Werkstoffe sind all die Elemente und Legierungen, die die Menschheit für die Konstruktion und den Bau von Werkzeugen oder Gegenständen nutzt. Zu den wichtigsten Metallen überhaupt zählen dabei Eisen und Stahl – ohne diese beiden Werkstoffe und den Erzeugnissen hieraus (Bleche, Profile, Stangen…) wäre unsere moderne Welt nicht denkbar.

Wie wird Stahl in der DIN EN 10020 definiert?

Gemäß der DIN EN 10020 ist Stahl ein „Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als jedes andere Element, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner ist als 2 % und der anderen Elemente enthält. […] 2% ist die übliche Grenze zwischen Stahl und Gusseisen.“

Wie wird aus Roheisen Stahl?

Grundlage von Stahl ist – genau wie bei Gusseisen – Roheisen, was im Hochofen aus Eisenerzen gewonnen wird. Die unterschiedlichen Gewinnungsarten von Roheisen können Sie hier in unserem Beitrag zu Gussmaterial nachlesen. Roheisen enthält allerdings neben dem gewünschten Eisen etwa 4 % Kohlenstoff sowie unerwünschte oder zu hohe Anteile an Begleitstoffen wie Silizium, Mangan, Schwefel oder Phosphor. Daher müssen zur Gewinnung von Stahl aus Roheisen die Begleitstoffe entfernt und der Anteil an Kohlenstoff herabgesetzt werden. Diesen Vorgang nennt man auch Frischen.

Zu den wichtigsten Frischverfahren gehören das Sauerstoffaufblas-Verfahren, die kombinierten Blasverfahren und die Elektrostahl-Verfahren.

Sauerstoffaufblas-Verfahren

Bei diesem Verfahren wird Sauerstoff mit 8 – 12 bar auf das flüssige Roheisen und einem geringen Anteil Schrott geblasen. Wobei „gering“ hier durchaus in Anführungsstriche zu setzen ist, denn gerade in Deutschland liegt der Anteil von Schrott bei der Stahlproduktion bei knapp 50 %! Dann beginnt eine überaus stürmische Reaktion des Sauerstoffs mit den Begleitstoffen des Eisens, wodurch die Schmelze anfängt zu kochen. Anschließend wird Kalk zugegeben. Dieser bildet eine flüssige Schlacke, die feste Abbrandprodukte und Eisenbegleiter bindet. Der Kohlenstoff im Roheisen verbrennt beim Frischen nahezu vollständig zu CO und CO2 und steigt als Gas auf. Sollten Legierungsbestandteile oder Desoxidationsmittel im Stahlprodukt gewünscht werden, so werden diese am Ende des Frischvorgangs zugegeben. Anschließend wird der Stahl abgegossen. Dieser auch als Abstich bezeichnete Prozess gehört zu den gefährlichsten Tätigkeiten im Stahlwerk- Geschützt durch feuerfeste Anzüge öffnen Arbeiter für den Abstich mit Meißelhämmern den unteren Verschluss des Ofens und die bis zu 1600 Grad Celsius heiße Charge Roheisen tritt aus.

Kombinierte Blasverfahren

Bei den kombinierten Blasverfahren wird zusätzlich zum Aufblasen von Sauerstoff inerte Gase wie beispielsweise Argon oder Stickstoff durch den Boden des Konverters in die Schmelze geblasen. Diese Gase wirken wie ein Rührstab, der die Schmelze durchmischt. Dadurch kann mehr Schrott dem Roheisen zugegeben werden, weiterhin ist die gesamte Blaszeit kürzer. Auch minimiert sich der Verlust an Eisen und Legierungselementen. Der durch kombinierte Blasverfahren gefrischte Stahl enthält nur wenig oxidische Einschlüsse und kann für weiche Stahlsorten bis zu einem Kohlenstoffanteil von weniger als 0,02 % verwendet werden.

Elektrostahl-Verfahren

Beim Elektrostahl-Verfahren wird die zum Schmelzen benötigte Wärme durch einen Lichtbogen oder durch Induktion erzeugt. So sind Temperaturen bis 3500° Celsius möglich! Im Lichtbogenofen werden überwiegend Stahlschrott und schwer schmelzbare Legierungselemente wie Wolfram oder Molybdän eingeschmolzen. Das Elektrostahl-Verfahren wird daher bevorzugt beim Recycling von Stahl eingesetzt.

Das Vergießen von Stahl

Nach der Schmelze wird der flüssige Stahl unterschiedlichen Nachbehandlungen unterzogen. Diese sind immer abhängig vom geforderten Endprodukt. Die Stahlschmelze kann einer Desoxidation unterzogen werden, mittels Vakuum von gelösten Gasen (Wasserstoff) befreit oder im Umschmelzverfahren zu besonders gleichmäßigem, reinem Stahl gemacht werden.

Nach der Behandlung wird der flüssige Stahl zum überwiegenden Teil in Stranggussanlagen zu Strängen vergossen. Diese Stränge bilden die Ausgangsform für das Walzen. Durch Stranggießen erhält man Walzstränge, die sehr nahe an den Abmessungen des Fertigprofiles liegen. So sind beim anschließenden Walzen nur wenige Walz-Arbeitsgänge erforderlich!

Einteilung von Stahl in Güteklassen

Abhängig von ihrer Zusammensetzung werden Stähle in Hauptgüteklassen eingeteilt:

Stahl und seine Gruppierung

Stahl wird nach seiner Verwendung in Baustähle und Werkzeugstähle unterschieden. Während Werkzeugstähle für spanende Werkzeuge, für Spritzguss- und Gesenkformen verwendet wird, dienen Baustähle zur Herstellung von Teilen für den Maschinen- und Anlagenbau sowie für den Stahl –und Behälterbau. Und somit finden Baustähle auch Einsatz im Bereich des Stadtmobiliars.

Zu den Baustählen zählen folgende Stahlgruppen:

Handelsformen von Stahl

Stahl ist in unterschiedlichen Formen im Handel verfügbar. Zu den häufigsten Stahlerzeugnissen gehören:

Stahl als Stadtmobiliar

Durch die preisgünstige Herstellung und weite Verbreitung von Stahl ist der Werkstoff natürlich auch in unseren Städten weit verbreitet. Absperrpoller aus Stahl versperren Autos den Zugang zu öffentlichen Räumen, Stahlprofile verankern Schilder zuverlässig im Fundament und Abfallbehälter aus pulverbeschichtetem Stahlblech halten die Stadt (bei ordnungsgemäßer Nutzung natürlich) sauber. Gebogene und auf einer Platte verschweißte Stahlrohre dienen uns als Fahrradparker und für die Pause zwischendurch stehen uns Parkbänke mit Stahlgestellen zur Verfügung. Es ist die hohe Verfügbarkeit, die leichte Weiterverarbeitung und Umformung sowie nicht zuletzt die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse, die Stahl zu einem der bevorzugten Werkstoffe für den Bereich Stadtmobiliar macht.

Für den Bau von Stadtmobiliar wird handelsüblicher Bau- bzw. Formstahl, zumeist S235 oder ST52 eingesetzt. S235 beziehungsweise ST52 sind die gängigen, jedoch veralteten Normen für S235JR und S355J2. Hier steht das „S“ in der Kurzbezeichnung für Structured Steel (Stahl für Stahlbau). Die nachfolgende Zahl gibt die Streckgrenze in N/mm² an.

In anspruchsvollen Umgebungen wird auch auf korrosionsbeständige Edelstähle im Bereich der Stadtmöblierung zurückgegriffen. Edelstähle sind allerdings im Einkauf und der Verarbeitung teurer als Bau- beziehungsweise Formstähle und werden daher nur seltener für die Stadtmöblierung verwendet.

Wer rastet, der rostet

Wird Stahl Regen ausgesetzt, fängt er an zu rosten. Rost ist ein Korrosionsprodukt, was durch Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Wasser entsteht. Anders als die Oxidschicht anderer metallischer Werkstoffe, beispielsweise Chrom oder Aluminium, schützt Rost nicht vor weiterer Zersetzung. Im Gegenteil – Rost frisst sich bildlich gesprochen durch den Stahl und löst ihn nach und nach auf. Da Stadtmobiliar naturgemäß immer Wind und Wetter ausgesetzt ist, müssen Absperrpoller, Stahlgestelle oder Aschenbecher mit einem Rostschutz versehen werden. Hierfür kann man auf zwei Möglichkeiten zurückgreifen.

Rostfreie Edelstähle

Die teure Variante des Rostschutzes beginnt schon vor der Herstellung des Stadtmobiliars bei der Auswahl der Werkstoffe. Setzt man hier auf nicht rostende Edelstähle, ist Rost kein Thema. Rostfreie Edelstähle können ohne weiteren Korrosionsschutz dauerhaft in feuchten oder aggressiven Umgebungen (beispielsweise in salzhaltiger Meeresluft in Küstenstädten) verwendet werden. Der Nachteil: Rostfreie Edelstähle sind in der Herstellung und Verarbeitung teurer als normale Baustähle.

Gängige Edelstähle und ihre Einsatzbereiche

V2A Edelstahl (u.a. 1.4301/ AISI 304)

Ein guter und ausreichender Rostschutz bei „normalen“ Umweltbedingungen im Außeneinsatz im kontinentalen Regionen

V4A Edelstahl (u.a. 1.4571 o.ä. bzw. AISI 316)

Gewährleistet dauerhaften Korrosionsschutz in maritimen, salzhaltigen Umgebungen (Meeresluft) an Küsten oder auf Bohrplattformen.

Kann ein korrosionsbeständiger Stahl eigentlich auch rosten?

In der Tat sind selbst korrosionsbeständige (Edel)stähle nicht vollkommen vor Rost geschützt! Wird beispielsweise das Gefüge des Edelstahls – die „Schutzschicht“ – bereits bei der Herstellung infiziert (durch ungenügende Trennung zwischen Stahl und Edelstahl), so kann sich Rost auf dem Material ausbreiten.

Wird ein Fahrrad mit einem rostigen Teil an einen Anlehnbügel aus Edelstahl gelehnt oder an diesem entlanggeschrammt, kann an den Berührungspunkten die Schicht unter Umständen verletzt werden – und der Anlehnbügel fängt hier an zu rosten! Das gleiche gilt natürlich auch für Absperrpoller, Parkbänke oder Behälter. Korrosionsbeständiges Stadtmobiliar rostet übrigens besonders gerne im Sockelbereich. Die Gründe hierfür sind der Einsatz von Streusalzen – und unsere vierbeinigen Freunde, die ihr „Geschäft“ an Pollern oder Bänken verrichten.

Beschichteter Stahl

Um Korrosion zu vermeiden, muss Baustahl von der Oxidation ausgeschlossen werden. Hierzu wird die Oberfläche mit luftdicht versiegelnden Stoffen beschichtet. Von der reinen Verzinkung über die Lackierung durch kathodische Tauchlackierung bis hin zur Feuerverzinkung mit anschließender Pulverbeschichtung stehen unterschiedlichste Methoden zur Verfügung. Gängig im Bereich des Stadtmobiliars ist das Pulverbeschichten. Hierbei wird die Oberfläche des Stahls nach dem Verzinken mit körnigen Partikeln auf Epoxid- oder Polyesterharz-Basis beschichtet. Das Ergebnis ist eine einheitliche, auf Wunsch farbige Oberfläche, die ausreichend Rostschutz bietet.

Beschichteter Stahl ist also die günstigere Variante zur Verwendung rostfreier Edelstähle im Bereich Stadtmobiliar. Doch die Beschichtung setzt eines voraus, um zu funktionieren: ihre Unversehrtheit.

Nur wenn die Oberfläche frei von Kratzern ist, funktioniert der Rostschutz. Tiefe Kratzer, die den blanken Stahl freilegen, sind bei pulverbeschichteten Objekten ein Garant für Rost. Daher wird für hoch belastete Teile, beispielsweise die bereits erwähnten Fahrradparker, auf ein alternatives Verfahren, nämlich dem Feuerverzinken des Stahls zurückgegriffen. Durch das Feuerverzinken entsteht an Grenzfläche zwischen Stahl und Zink eine Legierung, wodurch auch blank liegende Teile des Stahls zuverlässig vor Korrosion geschützt werden. Kleine Kratzer oder Schrammen machen feuerverzinkten Teilen wenig aus. Allerdings reagiert auch die Zinkschicht unter Umständen mit der Umgebung. Gerade salzhaltige Luft kann verzinkten Bauteilen schnell zusetzen. Daher wird an Küsten für Stadtmobiliar häufig auf rostfreie Stähle zurückgegriffen.

Gängiges Stadtmobiliar verfügt übrigens in der Regel über einen Rostschutz- und Farbauftrag mit einer Stärke von 130µ (0,13 mm). Jährlich werden unter normalen Umwelteinflüssen etwa 12µ abgetragen. Dies führt dazu, dass der Rostprozess nach 10 – 12 Jahren einsetzt – sofern die Schicht vorher nicht durch Vandalismus o.ä. geschädigt wurde.

Leider kann auch eine zusätzliche Feuerverzinkung mit Pulverbeschichtung nicht zu 100% vor Korrosion schützen. Im Gegenteil: Feuerverzinkte Stähle rosten im Vergleich zu Edelstählen sogar noch früher!

Interessante und kuriose Fakten zum Thema Stahl

Wie wir nun wissen, handelt es sich bei Stahl um eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Einer germanischen Sage nach verfütterte einst ein Schmied feine Eisenspäne an seine Hühner – und nutzte deren Kot daraufhin zum Schmieden eines Schwertes, was alle anderen Schwerter übertraf. So kurios dies klingt, die Geschichte hat eine gewisse Logik. Denn wie wir heute wissen, enthält Hühnerkot eine gewisse Menge Stickstoff – der die Qualität von Stahl tatsächlich verbessert.

Oder wer kennt ihn nicht, den Eiffelturm in Paris? Dieser Turm ist mit 324 Metern das höchste Gebäude in Frankreich. Und übertrifft sich im Sommer noch selbst, denn wenn es heiß wird, wächst der Eiffelturm um bis zu 18 Zentimetern! Möglich macht dies die Fertigung des Turmes aus Stahl und Eisen, die sich unter Wärmeeinfluss ausdehnen.

Stahl ist Weltmeister in Sachen Recycling. Aktuell werden mehr als 570 Millionen Tonnen jährlich recycelt und zu neuen Produkten geformt.

Derzeit gibt es mehr als 2500 unterschiedliche Stahlsorten – und dank intensiver Forschung und Entwicklung werden es jährlich mehr.