Eisen und Stahl: Eigenschaften und Verwendung

Eisen ist ein vielfältiger Werkstoff: je nach chemischer Zusammensetzung unterscheiden sich seine Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten. Weiche Sorten wie eignen sich für einfache oder dekorative Arbeiten, härtere Varianten ermöglichen belastbare Werkzeuge und Mechanik. Je mehr Kohlenstoff und Legierungselemente, desto härter, aber auch spröder wird das Eisen. Die Wahl des Materials ist eine Balance, die Schmiede durch Erfahrung und Materialkenntnis meistern.

Reines Eisen (chemisch nahezu 100 % Fe) ist ein seltenes Material, das nur unter Laborbedingungen oder speziellen industriellen Verfahren (Elektrolyse oder chemische Reduktion) hergestellt wird.

Eigenschaften:

Extrem weich, leicht zu verformen, sehr korrosionsanfällig. Es zeichnet sich durch extrem geringe Verunreinigungen und einen minimalen Kohlenstoffgehalt aus. Wegen seiner Reinheit oxidiert es langsamer als andere Eisenarten, jedoch ist es mitnichten unrostbar.

Verwendung:

Seine Anwendungen beschränken sich meist auf die Elektrotechnik (z.B. Magnetkerne) oder wissenschaftliche Forschung.

als Reineisen wird oft ein sehr reines Weicheisen bezeichnet. Weicheisen wird industriell im Hochofen durch Frischen zu schmiedbarem Material verarbeitet.

Eigenschaften:

nur wenig Kohlenstoff (ca. 0,05–0,25 %). Es lässt sich leicht formen, aber ist nicht sehr stabil oder hart. Mit polierter Oberfläche ist es sehr rostträge, weil es normalerweise Verunreinigungen wie Schwefel oder Phosphor sind, die eine Rostbildung fördern. Aber hat es in einer feuchten Umgebung erst einmal angefangen zu korrodieren, dann wird es langsam aber stetig weiterrosten. Reineisen wird kommerziell unter dem Handelsnamen Armco angeboten. Es gibt verschiedene Qualitäten mit unterschiedlicher Reinheit.

Verwendung:

sogenanntes Reineisen wird meist nur für Kunstschmiedeobjekte verwendet, die eine besondere Bruchsicherheit und Verformbarkeit erfordern, oder als Schicht in Damastpaketen. Dekorative Arbeiten, Tauschieren (Einlegen von Mustern in Metall). Man kann sogenanntes Reineisen gut zum Feuerverschweißen gebrauchen.

Es enthält einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,02 und 0,08 % und geringe Mengen anderer Verunreinigungen. Man muss das so genannte „Reineisen“ als die bessere Variante innerhalb der Kategorie Weicheisen verstehen.

Eigenschaften:

langsame Korrosion, enthält nur wenig Kohlenstoff (ca. 0,05–0,25 %), ist daher zäh und leicht zu schmieden. Allerdings ist es weniger hart und verschleißanfällig. Es kann einfach kalt gebogen werden, ohne zu brechen.

Verwendung:

Nägel, einfache Werkzeuge, die keine hohe Belastung aushalten müssen, Schrauben, einfache Beschläge, Scharniere, Bauzäune, Ketten, Hufeisen

Das gängigste Material heute ist Baustahl.

Eigenschaften:

Kohlenstoffgehalt zwischen 0,1–0,3 %. Etwas härter als Weicheisen, gut schmiedbar, jedoch nicht härtbar. Je nach Güte enthält er unterschiedliche Mengen von Unreinheiten wie Schwefel und Phosphor.

Verwendung:

Daraus sind die meisten Stahlprofile, die man für den Haus- und Gerüstbau verwendet. Für Kunstschmiedearbeiten und Werkzeuge wie Zangen, die nicht gehärtet werden müssen, bevorzugt.

Stahl, der nur Kohlenstoff als Legierung hat, nennt man Kohlenstoffstahl. Die Abgrenzung zum Baustahl ist der Kohlenstoffanteil über 0,35%: denn ab dieser Konzentration ist Stahl härtbar. Handelsnamen wie C45 geben die Zehntel-Prozentpunkte an, also 0,45% Kohlenstoffanteil. Der Anteil kann bis 1,5% anwachsen, darüber hinaus wird das Material brüchig.

Eigenschaften:

Härte und Verschleißfestigkeit, aber weniger zäh und schmiedbar. Damit Werkzeugstahl seine Eigenschaften entfalten kann, bedarf er der sogenannten Vergütung, die bei jedem Stahl unterschiedlich ist (Normalisieren, Härten, Anlassen).
Im Prozess des Härtens, bei dem der Stahl auf eine hohe Temperatur (je nach Legierung meist zwischen 800–1000 °C) erhitzt und dann schnell abgekühlt (abgeschreckt) wird. Nach dem Härten wird Stahl oft angelassen, um Spannungen abzubauen und die Sprödigkeit zu reduzieren. Dabei wird der Stahl auf niedrigere Temperaturen erhitzt (meist zwischen 150–300 °C), was zu einer kontrollierten Reduktion der Härte führt.
Wenn ein Werkzeug z.B. beim Schleifen so stark erhitzt wird, dass sich auf der Oberfläche eine Anlauffarbe bildet, dann verliert das Material seine Mikrostruktur. Dadurch wird der Stahl deutlich weicher und weniger schnitthaltig, was für ein Werkzeug katastrophal sein kann. Man vermeidet das Problem, indem man Hitzeentwicklung durch Kühlung (z.B. mit Wasser) gering hält.

Verwendung:

Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von ~0,45% (C45 Stahl) ist für Schlagwerkzeuge wie Hämmer geeignet, für Schaufeln, Pflugscharen, Zahnräder, Schraubendreher, Hacken und Hebel; C60 für Äxte, Beile, Meißel und Punzen, also alles was Härte und Schneidhaltigkeit braucht; ab C60 aufwärts für schneidende Werkzeuge wie Messerklingen. Feilen, Sägeblätter. (Sehr hart, aber spröde)

Federstahl hat einen hohe Kohlenstoffgehalt und oft noch weitere Legierungen, etwa mit Silizium.

Eigenschaften:

Hoch elastisch, kann wiederholt belastet werden, ohne seine Form zu verlieren. Federstahl muss präzise gehärtet und angelassen werden, um die Elastizität zu erhalten. Beim Bearbeiten immer kühlen, da Überhitzung ihn spröde macht.

Verwendung:

Federn (für Fahrzeuge, Uhren, Werkzeuge), Druckfedern, Ziehfedern, Blattfedern, Spiralfedern. Darüber hinaus ist er auch bestens für Punzen, Meißel und Messer geeignet.

Schmiedeeisen ist das häufigste Material in vorindustrieller Produktion. Es wurde in Rennfeuern gewonnen und heute nur noch von Liebhabern in kleinen Mengen hergestellt. Das traditionelle Schmiedeeisen enthält noch einen Schlackenanteil. Der Kohlenstoffanteil kann je nach Herstellungsverfahren die gesamte Bandbreite von 0,01% bis 2% aufweisen, jedoch spricht man ab 0,35% C nicht mehr von Schmiedeeisen, sondern von Stahl (das Unterscheidungskriterium ist die Härtbarkeit).

Eigenschaften:

Es ist weich, gut formbar, und nicht härtbar (oder nur minimal durch Oberflächenbehandlung). Man kann Schmiedeeisen an einem Schichtmuster erkennen, da er ähnlich wie Damaststahl gefaltet wird. Beim Erhitzen zu viel Sauerstoffkontakt vermeiden, um die Oberfläche nicht zu stark zu oxidieren.
Um das Eisen partiell härtbar zu machen, kann man es aufkohlen ↗.

Verwendung:

Nägel, Beschläge, Werkzeuge, Waffen, Bauteile, Zierelemente, Rekonstruktionen, Historische Gitter, Dekorelemente. Zäune, Geländer, Fenstergitter, Balkongeländer

Als Untergruppen des Schmiedeeisens kann man anhand der spezifischen Herstellungsprozesse differenzieren. Das Renneisen wurde im Rennofen durch direkte Reduktion von Eisenerz gewonnen, ohne dass es dabei flüssig wurde. Dabei wird das wird Eisenerz bei relativ niedrigen Temperaturen (ca. 1200 °C) unter Verwendung von Holzkohle reduziert. Das Eisen bleibt in fester Form und wird als „Luppe“ oder „Rennfeuereisen“ gewonnen. Es enthält Silicate und andere Verunreinigungen als Schlackenreste und hat einen variierenden Kohlenstoffgehalt, meist unter 0,35 %. Es ist zäh, schmiedbar und gut bearbeitbar.

Durch den Frischprozess wird in der frühen Industriezeit der hohe Kohlenstoffgehalt von Roheisen gezielt reduziert. Im Frischfeuer oder in einem speziellen Ofen wird Roheisen durch Sauerstoffzufuhr (z.B. Blasen von Luft oder Einbringen von Erz) entschwefelt und entkohlt. Dies macht es schmiedbar und entfernt spröde Verunreinigungen. Es ist ein Übergangsprodukt zwischen Roheisen und fertigem Stahl.

Verwendung:

Früher hat man es für Waffen und Werkzeuge verwendet, heute wird es kaum noch genutzt.

Der Puddelprozess kommt im frühen 19. Jahrhundert auf. Dabei wird Roheisen durch Rühren (puddeln) in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt, wodurch Kohlenstoff und andere Verunreinigungen entfernt werden. Der Prozess erzeugt eine zähe, schmiedbare Masse, die mit der Hand herausgenommen und zu Stäben oder Blechen verarbeitet wird. Das Material enthält oft eine erkennbare Maserung von feinen Schlackenresten, die die Korrosionsbeständigkeit verbessern, und es hat einen geringen Kohlenstoffgehalt. Puddeleisen ist zäh, schmiedbar und gilt als einer der langlebigsten Eisenwerkstoffe.

Verwendung:

für Konstruktionen geeignet: Brücken, Eisenbahnschienen, Schiffe und andere Großprojekte.

Eigenschaften:

Hoher Kohlenstoffgehalt (2–4 %), was es hart, aber spröde macht. Es ist nicht schmiedbar, sondern wird gegossen.

Verwendung:

Öfen, Maschinenteile, Gewichte. Ofentüren, Herdplatten, Topfständer, Maschinenteile, Kanaldeckel, Gewichte, Kaminplatten, Bratpfannen, Mörser, Werkbankfüße, Zierguss, Säulenstützen, Heizkörper, Zahnräder, Schachfiguren, Radlagergehäuse.

Eigenschaften:

Stähle, die mit anderen Metallen (z. B. Chrom, Nickel, Mangan) legiert sind, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern, wie Rostfreiheit, Härte oder Zähigkeit.

Verwendung:

Rostfreie Messer, Spezialwerkzeuge, Turbinen, chirurgische Instrumente, Schrauben für Außenanwendungen, Werkzeuge für extreme Belastungen, Bauteile für Fahrzeuge, Turbinenschaufeln, Kesselteile, Bolzen, Lager, Zahnräder, Waffen, Besteck.

Was heute als Damast bezeichnet wird ist eigentlich ein sogenannter Schweißverbundstahl und kann aus allen möglichen verschiedenen Stählen bestehen. Ätzen mit Säure (z.B. Eisen-III-Chlorid) macht das Muster sichtbar. Beim Schleifen darauf achten, das Muster nicht zu verwischen.

Eigenschaften:

Mehrlagiges Material, bei dem harte und zähe Stähle miteinander verschmiedet werden. Optisch attraktiv durch die charakteristischen Muster.

Verwendung:

Klingen, Schmuck, Küchenmesser, Jagdmesser, Rasiermesser, Schwerter, Dolche, Speerspitzen, Schmuckstücke, Ringe, Armreife, Zierwaffen, Medaillons, Brieföffner, Luxuswerkzeuge, Statussymbole, historische Repliken.