Elemente in Stahllegierungen

Alles auf unserer Welt und im Universum besteht aus Atomen. Und die Sterne, die wir in der Nacht bewundern sind der Ursprung für alle Elemente, die wir kennen.

Wir sind Sternenstaub
Novalis

Der Anfang

Die heute anerkannte Theorie zur Entstehung unseres Universums besagt, dass eine mächtige Singularität am Anfang von Raum und Zeit war, in der sich die gesamte Materie in einem einzigen Punkt konzentrierte. Diese Singularität kann mit supermassiven schwarzen Löchern verglichen werden, die sich heute in den meisten Zentren großer Galaxien befinden. Diese schwarzen Löcher vereinigen die millionenfache Masse unserer Sonne in einer Kugel von nur wenigen Kilometern. Dadurch wird das Gefüge von Raum und Zeit derart stark verzerrt, dass innerhalb eines Schwarzen Loches keine Zeit existiert. Auch andere Naturgesetze können in dieser Umgebung nicht mehr wirken. Dies ist auch die Ursache, weshalb die Singularität am Beginn unseres Universums überhaupt existieren konnte.

Die Geburt der Elemente

Was den Urknall ausgelöst hat, konnte bis zum heutigen Tag nicht sicher geklärt werden. Jedenfalls wurde dabei die gesamte Masse der Singularität nach außen geschleudert, wobei sich überhaupt erst einmal der Raum und Zeit gebildet haben. Die Ausbreitung der Urknallexplosion war derart schnell, dass das Universum nach einem Bruchteil einer Sekunde schon die Größe unseres heutigen Sonnensystems hatte. Einige Sekundenbruchteile später bildeten sich auch die universellen Naturkräfte, die die überlichtschnelle Ausdehnung des Weltalls unterbanden. Seit dem kann sich nichts mehr schneller als das Licht fortbewegen.

Kurz nach dem Urknall war das Universum noch sehr dicht und extrem heiß. In diesem Plasma gab es neben den uns bekannten Materiebausteinen auch Antimaterieteilchen, die sich sofort gegenseitig in heftigen Reaktionen auslöschten. Zu unserem Glück war die Masseverteilung von Materie und Antimaterie nicht gleichmäßig, sodass am Ende ein wenig Materie übrig blieb, welche das heutige, sichtbare Universum mit seinen Galaxien, Sternen und Planeten ausmacht.

Das Weltall dehnte sich danach noch weitere 300.000 Jahre weiter aus und kühlte weiter ab. Als die Abkühlung eine gewisse Temperatur erreicht hatte, verlangsamte sich dadurch auch die Geschwindigkeit der einzelnen Materiebausteine. Protonen waren in der Lage, jeweils ein Elektron an sich zu binden. So bildete sich das erste Element des Universums – Wasserstoff!

Vom Wasserstoff zu den ersten Riesensternen

Nachdem sich überall im Universum Wasserstoff gebildet hatte, durchzogen gigantische Gasschwaden das gesamte Weltall. Diese Schwaden waren sehr dünn, wiesen aber Unterschiede in der Konzentration auf. Überall, wo sich Gaskonzentrationen befanden, bewirkte die Gravitation, dass sich dort weitere Atome ansammelten. Dieser Vorgang dauerte über viele Millionen Jahre an, bis sich aus den Gasschwaden kompakte Gaskugeln gebildet hatten. Durch die wachsende Masse, stieg auch der Druck im Inneren dieser Gaskugeln an, bis der Kern so heiß wurde und der Prozess der Kernfusion startete. 500 Millionen Jahre nach dem Urknall erleuchteten die ersten Sterne das Dunkel des damaligen Universums.

Sterne – Schmelzöfen der Elemente

Das Leben dieser Sterne war intensiv und kurz. Die Sterne waren riesig, da diese sie am Anfang nur aus Wasserstoff bestanden und dieses Element in gewaltigen Mengen zur Verfügung stand. Man geht heute davon aus, dass diese Sterne im Durchschnitt den 2.500-fachen Radius unseres Zentralgestirns aufwiesen. Diese Sterne waren extrem heiß und im Inneren dieser Sterne wurde Wasserstoff zu Helium fusioniert. Dieser Prozess ging so schnell vor sich, dass nach etwa 5 Millionen Jahren der Vorrat an Wasserstoff verbraucht war.

Diese Sterne vergingen nach einem kurzen, intensiven Leben in extrem energiereichen Supernovae. Doch diese Sternexplosionen waren anders als heutige Supernovae, da diese Sterne sehr arm an schweren Elementen waren. Diese Sterne konnten noch kein Eisen bilden, wodurch normalerweise der Kern eines Sternes kollabiert. Bei diesen Riesensternen wurde zuerst der Wasserstoff zu Helium fusioniert. Dadurch stieg die Temperatur im Inneren des Sternes so rasant an, dass sich weitere, noch schwerere Elemente wie Stickstoff, Sauerstoff und Fluor bildeten. Die Fusion dieser schweren Elemente erzeugte explosionsartig so viel Energie, dass die Schwerkraft diesem Druck nicht mehr standhalten konnte. Das führte dazu, dass die Sterne vom inneren Kern her vollkommen zerrissen wurden.

Supernovae gehören zu den energiereichsten Explosionen, die im Universum bekannt sind. Sie können so hell werden, dass sie die Helligkeit einer gesamten Galaxie überstrahlen können. Diese Explosionen sind so energiereich und heiß, dass darin all die schweren Elemente gebildet werden, zu denen der Stern nicht in der Lage war.

Diese mächtigen Explosionen schleuderten die gebildeten Elemente ins Universum, wodurch im Lauf von Milliarden Jahren neue Sterne und am Ende auch Planeten und Leben entstehen konnten. Im Laufe von Milliarden Jahren existierten unzählige Sterne, die durch ihr Sterben unser Universum mit all den wichtigen Elementen bereicherten, die wir zum Leben benötigen. So wurden mit der Zeit die Gaswolken immer „staubiger“ und brachten nicht mehr so große Sterne hervor. Unsere Sonne ist so ein Stern. Das angesammelte Gas und der Staub reichten sogar aus, dass sich daraus Planeten bilden konnten.

Einfluss von Elementen auf Stahl

Im Lauf der Jahrhunderte wurden viele unterschiedliche Legierungen entwickelt, die den verschiedensten Anforderungen gerecht werden. Die Metallurgie ist eine komplexe Wissenschaft und heute können genaue Aussagen über den Einfluss einzelner Elemente auf die Beschaffenheit der Legierung getroffen werden.

Sie können die Anzeige durch das Anklicken einer Eigenschaft oder eines Elementes filtern:

Härte +1 Si

Festigkeit +1 Si

Streckgrenze +2 Si

Dehnung -1 Si

Einschnürung ± Si

Kerbschlag -1 Si

Elastizität +3 Si

Warmfestigkeit +3 Si

Abkühlung -1 Si

Karbidbildung -1 Si

Verschleißfest. -3 Si

Schmiedbarkeit -1 Si

Zerspanbarkeit -1 Si

Verzunderung -1 Si

Nitrierbarkeit -1 Si

Rostbeständig -1 Si

Härte +1 Mn*

Festigkeit +1 Mn*

Streckgrenze +1 Mn*

Dehnung ± Mn*

Einschnürung ± Mn*

Kerbschlag ± Mn*

Elastizität +1 Mn*

Warmfestigkeit ± Mn*

Abkühlung -1 Mn*

Karbidbildung ± Mn*

Verschleißfest. -2 Mn*

Schmiedbarkeit +1 Mn*

Zerspanbarkeit -1 Mn*

Verzunderung ± Mn*

Nitrierbarkeit ± Mn*

Rostbeständig ± Mn*

Härte -3 Mn**

Festigkeit +1 Mn**

Streckgrenze -1 Mn**

Dehnung +3 Mn**

Einschnürung ± Mn**

Kerbschlag ± Mn**

Elastizität ± Mn**

Warmfestigkeit ± Mn**

Abkühlung -2 Mn**

Karbidbildung ± Mn**

Verschleißfest. ± Mn**

Schmiedbarkeit -3 Mn**

Zerspanbarkeit -3 Mn**

Verzunderung -2 Mn**

Nitrierbarkeit ± Mn**

Rostbeständig ± Mn**

Härte +2 Cr

Festigkeit +2 Cr

Streckgrenze +2 Cr

Dehnung -1 Cr

Einschnürung -1 Cr

Kerbschlag -1 Cr

Elastizität +1 Cr

Warmfestigkeit +1 Cr

Abkühlung -3 Cr

Karbidbildung +2 Cr

Verschleißfest. +1 Cr

Schmiedbarkeit -1 Cr

Zerspanbarkeit ± Cr

Verzunderung -3 Cr

Nitrierbarkeit +2 Cr

Rostbeständig +3 Cr

Härte +1 Ni*

Festigkeit +1 Ni*

Streckgrenze +1 Ni*

Dehnung ± Ni*

Einschnürung ± Ni*

Kerbschlag ± Ni*

Elastizität ± Ni*

Warmfestigkeit +1 Ni*

Abkühlung -2 Ni*

Karbidbildung ± Ni*

Verschleißfest. -2 Ni*

Schmiedbarkeit -1 Ni*

Zerspanbarkeit -1 Ni*

Verzunderung -1 Ni*

Nitrierbarkeit ± Ni*

Rostbeständig ± Ni*

Härte -2 Ni**

Festigkeit +1 Ni**

Streckgrenze -1 Ni**

Dehnung +3 Ni**

Einschnürung +2 Ni**

Kerbschlag +3 Ni**

Elastizität ± Ni**

Warmfestigkeit +3 Ni**

Abkühlung -2 Ni**

Karbidbildung ± Ni**

Verschleißfest. ± Ni**

Schmiedbarkeit -3 Ni**

Zerspanbarkeit -3 Ni**

Verzunderung -2 Ni**

Nitrierbarkeit ± Ni**

Rostbeständig +2 Ni**

Härte ± Al

Festigkeit ± Al

Streckgrenze ± Al

Dehnung ± Al

Einschnürung -1 Al

Kerbschlag -1 Al

Elastizität ± Al

Warmfestigkeit ± Al

Abkühlung ± Al

Karbidbildung ± Al

Verschleißfest. ± Al

Schmiedbarkeit -2 Al

Zerspanbarkeit ± Al

Verzunderung -2 Al

Nitrierbarkeit +3 Al

Rostbeständig ± Al

Härte +1 V

Festigkeit +1 V

Streckgrenze +1 V

Dehnung ± V

Einschnürung ± V

Kerbschlag +1 V

Elastizität +1 V

Warmfestigkeit +2 V

Abkühlung -2 V

Karbidbildung +4 V

Verschleißfest. +2 V

Schmiedbarkeit +1 V

Zerspanbarkeit ± V

Verzunderung -1 V

Nitrierbarkeit +1 V

Rostbeständig +1 V

Härte +1 W

Festigkeit +1 W

Streckgrenze +1 W

Dehnung -1 W

Einschnürung -1 W

Kerbschlag ± W

Elastizität ± W

Warmfestigkeit +3 W

Abkühlung -2 W

Karbidbildung +2 W

Verschleißfest. +3 W

Schmiedbarkeit -2 W

Zerspanbarkeit -2 W

Verzunderung -2 W

Nitrierbarkeit +1 W

Rostbeständig ± W

Härte +1 Co

Festigkeit +1 Co

Streckgrenze +1 Co

Dehnung -1 Co

Einschnürung -1 Co

Kerbschlag -1 Co

Elastizität ± Co

Warmfestigkeit +2 Co

Abkühlung +2 Co

Karbidbildung ± Co

Verschleißfest. +3 Co

Schmiedbarkeit -1 Co

Zerspanbarkeit ± Co

Verzunderung -1 Co

Nitrierbarkeit ± Co

Rostbeständig ± Co

Härte +1 Mo

Festigkeit +1 Mo

Streckgrenze +1 Mo

Dehnung -1 Mo

Einschnürung -1 Mo

Kerbschlag +1 Mo

Elastizität ± Mo

Warmfestigkeit +2 Mo

Abkühlung -2 Mo

Karbidbildung +3 Mo

Verschleißfest. +2 Mo

Schmiedbarkeit -1 Mo

Zerspanbarkeit -1 Mo

Verzunderung +2 Mo

Nitrierbarkeit +2 Mo

Rostbeständig ± Mo

Härte +1 Cu

Festigkeit +1 Cu

Streckgrenze +2 Cu

Dehnung ± Cu

Einschnürung ± Cu

Kerbschlag ± Cu

Elastizität ± Cu

Warmfestigkeit +1 Cu

Abkühlung ± Cu

Karbidbildung ± Cu

Verschleißfest. ± Cu

Schmiedbarkeit -3 Cu

Zerspanbarkeit ± Cu

Verzunderung ± Cu

Nitrierbarkeit ± Cu

Rostbeständig +1 Cu

Härte ± S

Festigkeit ± S

Streckgrenze ± S

Dehnung -1 S

Einschnürung -1 S

Kerbschlag -1 S

Elastizität ± S

Warmfestigkeit ± S

Abkühlung ± S

Karbidbildung ± S

Verschleißfest. ± S

Schmiedbarkeit -3 S

Zerspanbarkeit +3 S

Verzunderung ± S

Nitrierbarkeit ± S

Rostbeständig -1 S

Härte +1 P

Festigkeit +1 P

Streckgrenze +1 P

Dehnung -1 P

Einschnürung -1 P

Kerbschlag -3 P

Elastizität ± P

Warmfestigkeit ± P

Abkühlung ± P

Karbidbildung ± P

Verschleißfest. ± P

Schmiedbarkeit -1 P

Zerspanbarkeit +2 P

Verzunderung ± P

Nitrierbarkeit ± P

Rostbeständig ± P

* = Austenitisch | ** = Perlitisch | + = Erhöhung | – = Verminderung | ± = Gleichbleibend | 1,2,3,4 = Stärke der Änderung

Einige Elemente haben einen positiven Einfluss auf die Materialeigenschaften. Dazu zählen unter anderem Nickel und Mangan, welche Stahl weicher machen, in dem sie die Streckgrenze erhöhen. Bleche aus solchen Legierungen lassen sich sehr gut durch Abkanten und Rundbiegen umformen.

Baustähle können mit Chrom und Molybdän zäher und widerstandsfähiger gemacht werden. So können dünnere Bleche verwendet werden, ohne die Stabilität der Konstruktion zu verringern. Das spart Material und Gewicht und ist außerdem wirtschaftlicher.

Mit Aluminium und Kalzium kann die Zunderbildung reduziert werden. Das ist besonders wichtig, wenn Blechteile durch Laser bearbeitet werden müssen. Dabei wird das Blech in einem sehr engen Bereich stark erhitzt. Unlegierte Stähle neigen durch die extreme Hitzeeinwirkung zur Bildung von Zunderablagerungen, die in einem nachfolgenden Arbeitsschritt entfernt werden müssen. Durch Zugeben von Kalzium und Aluminium wird das Material hitzebeständiger und bildet weniger Zunder aus. Auch auf das Schweißen haben diese Elemente einen positiven Effekt.

Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Legierungselemente. Kohlenstoff erhöht die Härte und Festigkeit von Stahl. Eine bekannte Anwendung ist Damast-Stahl, bei dem ein sehr kohlenstoffreicher Stahl mit einem kohlenstoffarmen Stahl verschweißt, gefaltet und zu Klingen geschmiedet wird. Durch die Kombination dieser beiden Stahlsorten lassen sich Festigkeit, Härte und Flexibilität miteinander kombinieren.

Es gibt mittlerweile auch Stahllegierungen, die den widrigen Wetterbedingungen auf hoher See problemlos trotzen können. Sogar jahrelange Salzwassereinwirkung macht diesen Legierungen nichts aus. Diese Stähle sind extrem schwefel- und phosphorarm und wurden mit Titan und Nickel angereichert.
Die Möglichkeiten sind sehr vielfältig. Durch die unterschiedliche Kombination dieser nutzbringenden Elemente können Legierungen für jeden Anwendungsbereich hergestellt werden.

Es gibt auch schädliche Stoffe, die möglichst aus der Schmelze entfernt werden sollten, wie zum Beispiel Arsen und Schwefel, die die Zähigkeit herabsetzen.

Der Anteil der Elemente, die die Eigenschaften von Stahl negativ beeinflussen ist wesentlich geringer als die Menge der nutzbringenden Elemente. Der Einfluss der Stahlschädlinge ist immer ähnlich. Sind Stähle mit diesen Elementen versetzt, rosten diese schneller, sind schlag- und bruchempfindlicher und lassen sich dadurch nicht mehr gut bearbeiten. Abkanten, biegen und andere Umformverfahren führen häufig zu Rissen an den Rändern oder zu muschelförmigen Brüchen auf der Oberfläche. Arsen und Phosphor behindern die Schweißfähigkeit. Bei der Stahlherstellung wird deshalb der Anteil dieser Elemente so weit wie möglich verringert.