Die Begriffe 'Eisen' und 'Stahl' finden im allgemeinen Sprachgebrauch auch heute noch ihren festen Platz: Im Volksmund wird 'Stahl' in der Regel für das Hochwertige, Unzerstörbare und Dauerhafte verwendet, während 'Eisen' eher für das Vergängliche, Rostende und Hässliche steht.
Vom wissenschaftlichen Standpunkt aus betrachtet sind gegenwärtig beide Begriffe - 'Eisen' und 'Stahl' - klar definiert:
Die Rohstoffbezeichnung 'Eisenerz' ist somit korrekt, da dieses vorwiegend als Sauerstoffverbindung (Eisenoxyd: meist Magnetit Fe3O4) vorliegt.
In der Technik spielt Ferrit eine unbedeutende Rolle: Lediglich in der Elektrotechnik wird sein starker Magnetismus geschätzt (Ferritantennen). Herstellungsbedingt werden aber auch hier
kohlenstoffarme Stähle verwendet.
In der Mechanik liegen ferritische Werkstoffe immer als Kohlenstoffverbindungen - als sogenanntes Eisenkarbid (Fe3C) - vor.
Kohlenstoffarmer Stahl ist ferritähnlich weich und geschmeidig. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt wird er härter und spröde.
Ein hoher Kohlenstoffgehalt bewirkt eine dünnflüssige Schmelze. Der daraus folgenden ausgezeichneten Giessbarkeit verdanken Gusswerkstoffe ihren Namen.
Der Umgang mit alten technischen Zeichnungen und historischer Fachliteratur stellt moderne Techniker immer wieder vor Probleme, da die Werkstoffbezeichnungen meist höchst ungenau oder nach heutigem Verständnis sogar unbrauchbar sind. Begriffe wie 'Flusseisen', 'Gusseisen' und 'Schmiedeeisen' sind keine eindeutigen Materialbezeichnungen und lassen im besten Falle eine Interpretation des ungefähren Kohlenstoffgehaltes und des Verarbeitungsverfahrens bei der Herstellung zu. Die technischen Eigenschaften von Stählen werden aber nicht nur durch den Kohlenstoffgehalt definiert. Dutzende weitere Legierungsbestandteile wie z.B. Mangan, Vanadium, Chrom, Wolfram, Nickel, Schwefel und Phosphor und sogar das Herstellungs- und spätere Bearbeitungsverfahren bestimmen die Güte des Werkstoffes massgeblich mit. Deshalb bleibt im Detail weitgehend offen, was ein Konstrukteur am Ende des 19. Jahrhunderts unter 'Fluss-' oder 'Gusseisen' verstanden haben könnte. Eine Spektralanalyse oder eine statische Neubestimmung des Werkstückes sind dann die einzigen Wege, die Aufschluss über eine mögliche Materialzusammensetzung oder einen geeigneten Ersatzwerkstoff geben.
Zusammenfassend lässt sich aber aus dem historischen Sprachgebrauch aus der Zeit um 1900 doch einige Regeln ableiten, welche es für weniger kritische Konstruktionselemente erlauben, auf einfache Art und Weise einen brauchbaren, modernen Ersatzwerkstoff zu finden.
'Eisen' war im Gegensatz zu heute in der Vergangenheit als Fachbegriff für Konstruktionsstähle noch erlaubt. Die historische Interpretation der beiden Begriffe 'Eisen' und 'Stahl' lässt sich wie folgt definieren:
Zweifellos die grösste Herausforderung stellt die Interpretation von 'Renneisen', 'Puddel-Eisen' und 'Schweisseisen' bzw. 'Schweissstahl' dar.
Mit 'Puddel-Eisen' dürften heute ausser in Museen kaum mehr ein Eisenbahnhistoriker in Berührung kommen, da mit der Erfindung der 'Bessemer-Birne' bereits anno 1855, eine neue Generation der Stahlherstellung ins Leben gerufen wurde, welche die Produktion von Stahl in grossen Mengen und in erheblich besserer Qualität erlaubte und die herkömmlichen Herstellungsverfahren innert kürzester Zeit vom Markt verdrängte.
Bis dato beschäftigten sich die Hüttenwerke seit 2000 Jahre in mühsamer Handarbeit in sogenannten Renn-, Stück- oder Wolfsöfen mit der Reduktion (Stahlreduktion: Verbrennung von unerwünschten Legierungselementen in der Schmelze wie Kohlenstoffüberschuss, Phosphor und Schwefel) von relativ reinen Erzen zu brauchbaren Eisenerzeugnissen. Die Erze wurden mit glühender Holzkohle und natürlichem Luftzug bzw. Luft aus dem Blasebalg reduziert. Das gewonnene 'Renneisen' sammelte sich am Boden des Ofens in Form von Luppen (feste bis teigige Eisenklumpen) die noch stark mit Schlacke durchsetzt waren. Durch Ausschmieden mussten sie von diesen Verunreinigungen und der restlichen Holzkohle befreit werden.
Seit 1784 konnte dank dem Puddling-Verfahren (Rühren der im Erstarren begriffenen Roheisenschmelze) der Reduktionsprozess beschleunigt und der Verunreinigungsanteil im Werkstoff verkleinert werden. Das Erzeugnis in Form von Eisenklumpen wurde in der Schmiede in rotglühendem Zustand zu grösseren Halbzeugen zusammengeschmiedet (pressgeschweisst). Die Schweisstechnik fand also ihren eigentlichen Ursprung an der Esse.
Schweissen gemäss den heutigen Vorstellungen ist eine relativ junge Verbindungstechnik, da erst die Elektrotechnik und die moderne Chemie das Isolieren brennbarer Gase wie Wasserstoff (H2), Propan (C3H8) oder Acethylen (C2H2) und Sauerstoff (O2) ermöglichte.
Erst nach dem Ende des ersten Weltkrieges wurde die moderne Schweisstechnik industrietauglich entwickelt: Nach dem Kriegsende erlaubte der Friedensvertrag von Versailles Deutschland nur ein beschränktes Wiederaufrüsten seiner Streitkräfte. Die Beschränkung von Kriegsmaterialien wurde nach Gewichtskriterien festgelegt: Deutschland durfte mit der Rüstung eine definierte Maximaltonnage nicht überschreiten. Um aber trotzdem wieder möglichst viel Kriegsgerät beschaffen zu können, besannen sich die deutschen Techniker auf den Leichtbau: Um das Gewicht der beim Nieten erforderlichen Blechüberlappungen oder der Laschen einzusparen wurde fortan - wo immer es die Möglichkeiten zuliessen - geschweisst.
Die Schweisstechnik entwickelte sich stetig weiter, vom Schmelzen mit der Flamme, zum Elektro- und Elektronenschweissen und zur Beeinflussung der Atmosphäre durch Edelgase (Schutzgase),
welche den Werkstoff vor dem oxydierenden Sauerstoff der Luft schützen. Die moderne Schweisstechnik mit ihren Schweissadditiven ermöglicht es nahezu alle Metalle und sogar
Metallkombinationen zu verbinden. Das war aber nicht immer so! Aufgrund der thermischen Einflüsse neigen vor allem legierte Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt zu
Gefügeveränderungen im Bereich der Schweissnaht: Die Homogenität und somit die Verwendbarkeit des Werkstückes ist somit nicht selbstverständlich gegeben.
Im Laufe der Entwicklung der Schweisstechnik konnten aber immer komplexere Aufgaben bewältigt werden. Die als schweissbar definierte Materialgruppe war somit laufend im Wachsen begriffen. Die
damit verbundenen Begriffe 'Schweisseisen' und vor allem 'Schweissstahl' gewannen entsprechend ständig an neuer Bedeutung.
Um 1900 kann die Schweissbarkeit von Stahl folgendermassen zusammengefasst werden:
Aufgrund der nunmehr sehr geringen Anzahl an noch nicht schweissbaren Stählen ergibt heute die Deklaration der Schweissbarkeit durch die Namensgebung keinen Sinn mehr. 'Schweisseisen' und 'Schweissstahl' werden gegenwärtig nur noch in Zusammenhang mit historischen Dokumenten verwendet und beziehen sich meist auf das 'Puddel-Eisen'.
Mit der Erfindung des Bessemer-Verfahrens (1855), des Siemens-Martin-Verfahrens (1864) und des Thomas-Verfahrens (1879) wurde in der Stahlherstellung erstmals Schmelztemperaturen erreicht, welche
das Roheisen vollständig verflüssigen liessen. Die in der wässrigen Schmelze absinkende oder aufschwimmende Schlacke (Verunreinigungen durch Verbrennung) konnte so problemlos vom
Roheisen getrennt werden. Ebenfalls liess sich das Produkt zu fertigen Halbzeugen vergiessen und bestand nicht mehr aus Klumpen welche wie beim 'Schweisseisen' und 'Schweissstahl' zusammengeschmiedet
werden mussten. Das Endprodukt profitierte so von einem bis anhin nicht gekannten Reinheitsgrad und Homogenität. Aufgrund der niederviskosen (dünnflüssigen) Schmelze und der guten
Giessbarkeit wurden Legierungen, die mit den erwähnten drei Verfahren hergestellt wurden, anfänglich als 'Flusseisen' und 'Flussstahl' bezeichnet.
Gemäss der zeitgenössischen Literatur werden mit 'Flusseisen' und 'Flussstahl' alle schmiedbaren, aber nicht zwingend schweissbaren Stahlsorten umschrieben, mit Ausnahme von Werkzeugstahl
und Stahlguss. Stahlguss bewegt sich im Gegensatz zu anderen Gusswerkstoffen in einer Grauzone, da es sich oft auch um gewöhnliche, schmiedbare Stahllegierungen mit 0.15 bis 0.45 % C-Gehalt
handelt, welche nicht zu Halbzeug verarbeitet, sondern direkt in die endgültige Werkstückform gegossen wurden. Die Eignung zu autogenen oder elektrischen Schweissen war in Abhängigkeit
der gegenwärtigen Schweisstechnik nicht in jedem Fall gegeben, zumal vor allem 'Flussstahl' oft mit anderen Metallen wie Nickel, Mangan und Chrom legiert wurde.
Das 'Puddel-Eisen' mit der zähflüssigen Schmelze wurde in kurzer Zeit vollständig durch die viel hochwertigere und einfacher verarbeitbare Flussstähle ersetzt. Die dünnflüssige Stahlschmelze wurde bei allen angewandten Stahlherstellungsverfahren zum Standard. Somit benötigten Stahlerzeugnisse keinen Namen mehr, der auf dieses Argument hinweist: Die Bezeichnung 'Flusseisen' und 'Flussstahl' wurde somit hinfällig und verschwand in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts aus den Schulbüchern.
Wie bei 'Schweisseisen', 'Schweissstahl', 'Flusseisen' und 'Flussstahl' richtet sich die historischen Bezeichnungen von Werkstoffen oft nicht nach der verwendeten Legierung, sondern nach dem
Herstellungsverfahren. Ein typisches Beispiel dieser Art der Namensgebung ist das 'Barreneisen'. 'Barreneisen' ist ein zu Barren vergossenes 'Schmiedeeisen'. Im Gegensatz zu Goldbarren, wo Gold als
chemisch reines Element zu Barren vergossen wird, ist die Stahllegierung des 'Barreneisens' durch die Namensgebung auf keine Weise definiert. Grundsätzlich kann jedes Metall oder jede Legierung
zu einem Barren vergossen werden!
Barreneisen würde heute als beruhigt vergossene Stahllegierung bezeichnet, welche, im Gegensatz zu gewalzten Blechen, weniger innere Spannungen und somit eine höhere effektive mechanische
Belastbarkeit bei unveränderter Legierung aufweist.
Im Eisenbahnfahrzeugbau erlangte das 'Barreneisen' einige Berühmtheit, weil es um 1900 - zuerst in Amerika, später auch in Europa - für den Bau der Fahrwerke von Dampflokomotiven verwendet wurde. Sogenannte Barrenrahmen konnten im Gegensatz zu den herkömmlichen Blechrahmen mit geringerem Materialaufwand gebaut werden. Meist kamen dabei Legierungen mit Festigkeiten zwischen 270 und 350 N/mm2 zur Anwendung. 'Barreneisen' an Eisenbahnen sollte durch einen spannungsarmen Baustahl wie St37 oder St50 ersetzt werden können.
Im Gegensatz zu 'Barreneisen' wurde in bekannten zeitgenössischen Quellen der Begriff 'Barrenstahl' nie verwendet!
Werkzeugstähle sind Edelstähle, d.h. besonders reine und homogene Stähle mit einem höheren Kohlenstoffgehalt. Primär der Kohlenstoffgehalt, aber auch das
Härteverfahren bestimmten die Härte und die Zähigkeit des Werkzeugstahls und somit seine Anwendung. Werkzeugstahl wurde früher lediglich in die beiden Gruppen der unlegierten und
legierten Werkzeugstähle unterteilt. Unlegierte Werkzeugstähle mit einem C-Gehalt von 0.5 bis 1.4 % genossen nicht nur grosse Bedeutung für die Herstellung von Handwerkzeugen wie
Hämmer, Äxte, Meissel und Schermesser, sondern wurden z.T. sogar als Schneidenwerkstoff für die spanabhebende Fertigung verwendet. Da sie allerdings bei einer geringen Temperatur von
lediglich 200°C ihre Härte verlieren, waren sie bereits damals zumindest für den wirtschaftlichen Einsatz auf Bearbeitungsmaschinen nur bedingt brauchbar.
Für anspruchsvollere Zerspanungsarbeiten standen mit Chrom, Nickel und Wolfram legierte Werkzeugstähle mit bis zu 4.5 % Legierungsanteile und 0.2 bis 2.2 % Kohlenstoff zur Verfügung.
Diese waren unter dem Handelsnahmen WS-Stahl über viele Jahre im Gebrauch, bis sie durch hochlegierte HS- und HSS-Stähle abgelöst wurden. Letztere sind auch heute noch unter dieser
Bezeichnung im Handel erhältlich.
Das technisch betraute Personal der Preussischen Staatsbahnen hatte sich 1886 mit folgenden Oberbegriffen für Eisenmetalle vertraut zu machen:
Zeitgenössischer Oberbegriff |
Zeitgenössische Definition |
Zeitgenössische Anwendungsbeschreibung |
Moderne Definition oder Ersatzwerkstoff |
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Roheisen |
Das im Hochofen aus den Erzen erzeugte Eisen, welches leicht schmelzbar, aber nicht schmiedbar ist. |
Rohstahl mit 3 bis |
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Guss |
Gusseisen |
Das mit Koks oder Kohlen umgeschmolzene, in besondere Formen gegossene Roheisen. |
Aus Gusseisen fertigt man Maschinenteile, welche eine grosse Festigkeit erhalten müssen und wegen ihrer zusammengesetzten Form nicht aus Schmiedeeisen herzustellen sind. |
Temperguss (GT) oder Grauguss (GGG) mit 2.6 bis 3.6 % C. |
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Schmiedbarer Eisenguss |
Es ist dies ein nachträglich durch Glühen mit Zusätzen derart verändertes Gusseisen, dass es sich mit dem Hammer bearbeiten lässt. |
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Hartguss |
Gusseisen, welches durch Giessen in eiserne Gussformen an der Oberfläche besonders hart gemacht ist. |
Hartguss (GH). |
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Stahlguss |
Ein durch Zusatz von Stahlabfällen hergestelltes Gusseisen. |
Stahlguss unlegiert (GS) mit 0.15 bis |
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Schmiede- eisen |
Schweisseisen |
Ein im teigigen Zustande gewonnenes, schmiedbares, schweissbares, jedoch nicht merklich härtbares Eisen. |
Aus Schmiedeeisen fertigt man alle Teile, bei denen einerseits ein Bruch gefahrbringend ist, welche also grosse Bruchfestigkeit haben sollen und welche andererseits möglichst leicht gehalten werden müssen (namentlich sich bewegende Teile) |
Unlegierte Stähle mit weniger als |
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Flusseisen |
Ein im flüssigen Zustande gewonnenes, schmiedbares, jedoch nicht merklich härtbares Eisen. |
Aus Flusseisen werden Dampfkessel hergestellt. |
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Stahl |
Schweissstahl |
Ein im gleichen Zustande (wie Schweisseisen) gewonnenes, schmiedbares, schweissbares und merklich härtbares Material. |
Aus Stahl fertigt man Teile, welche eine sehr grosse Festigkeit oder Härte haben müssen (Kolbenstangen, Bleuelstangen, Keile und Bolzen) |
Stähle mit vermutlich weniger als 0.05 % P und 0.05 % S und ca. 0.22 - 0.45 % C. Eventuell auch Einsatzstähle. |
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Flussstahl |
Ein im gleichen Zustande (wie Flusseisen) gewonnenes, schmiedbares und merklich härtbares Material. |
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Werkzeugstahl |
Es ist dies bester Stahl, der mit Chrom, Nickel und Wolfram legiert ist. |
Er ist besonders wiederstandsfähig bei Anwendung grosser Schnittgeschwindigkeiten. |
Bei der Definition 'Werkzeugstahl' handelt es sich in erster Linie um WS-Stähle, später HS- und HSS-Stähle. Sie eigneten sich für allgemeine Zerspanungsaufgaben in der mechanischen Fertigung. |
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