Woher kommt Edelstahl?

Wo kommt Edelstahl her und wie wird er hergestellt?


Edelstahl wird heute in vielen Bereichen verwendet. Wir fertigen daraus Rohre, Geländer, Besteck, Kochutensilien oder medizinisches Werkzeug. Doch die wenigsten Menschen wissen überhaupt, wie Edelstahl entsteht und wie das Ursprungsmaterial, das Eisenerz, gewonnen wird. Lesen Sie hier alles Wichtige rund um die Edelstahlherstellung.
 

Eisen, ein Werkstoff des Himmels


Seit mehr als 5.000 Jahren verwenden wir Menschen Eisen. Darauf deuten Funde bei Ausgrabungen in Ägypten hin, die aus dem 4. Jahrtausend vor Christus stammen. Damals wurde das Metall wie ein Heiligtum verehrt. Gewonnen wurde das Eisen aus Meteoritengestein. Die Meteoriten hatten nämlich die Umwandlung von Eisenerz zu Eisen unter großer Hitze „erledigt“. Menschen schufen aus dem Rohstoff erst rund zweitausend Jahre vor Christi Geburt mit Hilfe von Öfen und Holzkohle Eisen. Wichtige Basis für die Eisenherstellung waren Magneteisenstein (Magnetit) und Roteisenstein (Hämatit).

Erste Nachweise für die Eisenherstellung in Deutschland gibt es ca. 1.000 Jahre vor Christus Geburt in Bayern und der Pfalz. Dort gibt es bis heute Regionen mit viel metallhaltigem Gestein. Damals waren es die Kelten, die mit sogenannten „Rennöfen“ aus Eisenerz Eisen schmolzen. Aus dem Material wurden schließlich neben Schmuck auch Werkzeuge oder Waffen hergestellt. Wichtig waren auch Pflüge für den Ackerbau. Die Herstellung von Eisen wurde in den nächsten Jahrhunderten immer weiter optimiert. Die Metallurgie entwickelte sich kontinuierlich, sodass wir heute nicht nur Roheisen als wichtiges Material nutzen können, sondern auch vielfältige Stähle und schließlich Edelstähle.
 

Wie entsteht Eisen?


Um Eisen herzustellen, wird zunächst ein Hochofen mit Eisenerz und Koks befüllt. Anschließend wird heiße Luft eingeblasen, wodurch der Koks verbrennt und mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft zu Kohlenstoffmonoxid wird. Dieses Kohlenstoffmonoxid löst zusammen mit dem Eisenerz eine chemische Reaktion aus. Diese führt dazu, dass sich der Sauerstoff aus dem Erz auflöst. Die Endprodukte dieses chemischen Vorgangs sind Eisen und Kohlenstoffdioxid. 

Unten im Hochofen beginnt anschließend das Eisen zu schmelzen. Dabei setzt sich oben Schlacke ab, ein sauerstoffhaltiges Gemisch. Die Schlacke wird dann vom Roheisen getrennt. Das flüssige Eisen kann direkt weiterverarbeitet und zum Beispiel in Formen gegossen werden. Doch Roheisen hat einen entscheidenden Nachteil. Es ist zwar fest, wenn es ausgehärtet ist. Allerdings ist es sehr brüchig, da es nicht nur aus Eisen, sondern aus vier bis fünf Prozent Kohlenstoff sowie weiteren fünf Prozent anderer Stoffe wie Mangan, Silicium, Phosphor und Schwefel besteht. Um diese Stoffe, aber vor allen den Kohlenstoff, nun aus dem Eisen zu bringen, muss das Roheisen raffiniert werden.


Vom Eisen zum Stahl


Bei der Stahlproduktion waren bis in die 1970er-Jahre vier gängige Raffinationsprozesse notwendig, um schmiedefähigen Stahl zu erzeugen:
  • Frisch-Reaktionen: Hierbei bläst eine Maschine Sauerstoff in die Schmelze (=flüssiges Roheisen). Dadurch bildet sich flüssiges Eisenoxid und an den Grenzflächen oxidieren Silicium, Mangan und Phosphor, sodass diese aus dem Eisenoxid entfernt werden können.
  • Desoxidationsreaktionen: In einem weiteren Verfahren wird der Stahl desoxidiert, denn Sauerstoff kann in die Struktur des Stahls eingeschlossen werden, woran seine Stabilität leidet. Um den Sauerstoff aus dem Stahl zu bekommen, wird Aluminium verwendet.
  • Entschwefelungsreaktionen: Mit Hilfe von Magnesium oder Calciumcarbid wird der im Roheisen enthaltene Schwefel zu Sulfid.
  • Entgasungsreaktionen: Schließlich wird der Rohstahl durch eine weitere Raffination entgast, wodurch Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid unter geringerem Druck entfernt werden.


Weitere bewährte Verfahren zur Herstellung von Stahl:

  • Sauerstoffaufblasverfahren (LD-Verfahren), 1950er-Jahre: Bei dieser Methode wird Sauerstoff durch ein mit Wasser gekühltes Rohr auf die Schmelze geblasen. Die unerwünschten Stoffe aus dem Stahl werden so zu Schlacke, die abgestochen werden kann. Optional kann in die Schmelze Stahlschrott gegeben werden, der durch den enthaltenen Sauerstoff weniger künstliche Sauerstoffzufuhr von außen erfordert.
  • Oxygen-Bodenblas-Maximilianshütte, 1960er-Jahre: Hierbei wird der Schmelze nicht nur Sauerstoff, sondern auch Kohlenwasserstoffe zugesetzt.
  • Kombinierte Blasverfahren, 1970er-Jahre: Durch eine Kombination aus Aufblastechnik und Bodenblastechnik konnte mit diesem Verfahren eine noch höhere Stahlqualität erzielt werden.
  • Elektrostahl-Verfahren: Moderne Stahlfertigung schmilzt Rohstahl in Induktionsöfen oder Lichtbogenöfen bei Temperaturen von bis zu 8.000°C. Wird Stahl auf Masse produziert, wird dabei zusätzlich unlegierter Eisenschrott sowie Kohle in die Schmelze eingefügt. Danach wird das flüssige Material „gefrischt“. Als Frischen wird das Verfahren bezeichnet, mit welchem der Kohlenstoffanteil sowie der Anteil anderer Elemente wie Phosphor im Rohstahl verringert wird. Anschließend wird die Masse nachbehandelt. Hierfür kommt die sogenannte „Pfanne“ zum Einsatz, ein riesiger Topf, in welchem das Material entschwefelt, desoxidiert und entgast wird. 
 
  • Durch die modernen Stahlherstellungsverfahren haben die Produzenten die Möglichkeit, den Kohlenstoffanteil unterschiedlich hoch zu gestalten. Damit kann die Stahlproduktion direkt auf die spätere Verwendung der Stähle ausgerichtet werden. Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil von bis zu 1,5 Prozent ist zum Beispiel sehr hart und wird für Stahlfedern, Messer oder Klingen aller Art verwendet. Liegt der Kohlenstoffanteil im Stahl unter 0,25 Prozent, ist das Material zum Beispiel für Nägel oder Konservendosen geeignet. Auch in der Autoindustrie kommen diese Stähle für den Karosseriebau zum Einsatz.
 

Wie wird der Stahl nun zum Edelstahl?


Damit aus einem herkömmlichen Stahl (der bereits mit verschiedenen Kohlenstoffanteilen optimiert werden kann) Edelstahl wird, muss er legiert werden. Diese Legierung erfolgt, indem bei der Stahlproduktion zusätzliche „Stahlveredler“ hinzufügt werden. Das sind vor allem: Nickel, Kobalt, Molybdän, Mangan, Wolfram, Vanadium, Chrom und Titan. Abhängig von der Zusammensetzung dieser Zusatzstoffe können Stahlproduzenten schließlich die Eigenschaften des Edelstahls beeinflussen. Man spricht dann von der Edelstahlgüte.

Ein paar Beispiele für Edelstähle und die Eigenschaften ihrer Legierungen:

 

Legierung
 
Eigenschaften wird verwendet für

Chrom
 
sehr hart, hitzebeständig, rostbeständig und chemikalienbeständig Maschinenteile, Kugeln

Molybdän
 
fest und rostbeständig, elastisch, kaum dehnbar, in hohem Maße wärmebeständig Fahrzeugachsen, Edelstahlfedern für Uhrwerke oder Fahrzeuge, Zahnräder

Nickel
 
dehnbar und zugleich zäh, rostbeständig, erhöhter elektrischer Widerstand Achsen von Fahrzeugen, Zahnräder

Chrom/Nickel
 
sehr gute Schweißfähigkeit, sehr hart, säure- und rostbeständig Schornsteinrohre, Kochtöpfe, Waschmaschinentrommeln, Edelstahlrohre


















 

Fazit:


Edelstahl ist ein Produkt, das durch Legierung aus Stahl hergestellt wird. Stahl wiederum entsteht unter großer Hitze aus Roheisen, der Verbindung von Sauerstoff, Eisenerz und Koks. Es handelt sich bei Edelstahl demnach um eine Veredelung eines aus einem natürlichen Rohstoff gewonnenen Produkts.