Metallwerkstoffe: Eisenmetalle, NE-Metalle und ihre Eigenschaften

Für die Herstellung von Werkstoffen ist Eisen mit Abstand das wichtigste Metall, vor allem aufgrund seiner zahlreichen Legierungen. Sämtliche Werkstoffe, die ausschließlich oder hauptsächlich aus Eisen bestehen, werden als Eisenmetalle bezeichnet. Beispiele sind das Gusseisen und der bis heute wichtigste Metallwerkstoff: der Stahl.

Reiner Stahl besteht aus Eisen und maximal zwei Prozent Kohlenstoff. Die häufig gestellte Frage „Ist Stahl eine Legierung?“ lässt sich also klar mit „ja“ beantworten, denn unter chemischen Gesichtspunkten ist Stahl eine Eisenlegierung. Je nachdem, ob und zu welchem Anteil weitere Legierungsmetalle enthalten sind, werden folgende Stahlsorten unterschieden:

• Unlegierter Stahl wird in großen Mengen hergestellt und deshalb auch als „Massenstahl“ bezeichnet. Beträgt der Kohlenstoffgehalt im Stahl mehr als 0,5 Prozent, kann er gehärtet werden.
• Niedriglegierter Stahl enthält einen verhältnismäßig geringen Anteil weiterer Legierungsmetalle – nämlich maximal 5 Prozent. Die tatsächliche Prozentzahl sowie die Art des Metalls haben Einfluss darauf, wie hart, elastisch oder zugfest der Stahl letztendlich ist.
• Hochlegierter Stahl hat einen Legierungsanteil von bis zu 30 Prozent. Bei diesem Stahl können die Eigenschaften deutlich verbessert und durch die Wahl des Legierungsmetalls dem jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden, z. B. Chrom für Korrosions- oder Säurebeständigkeit.

Neben der Einteilung nach der Art der Legierung hat sich für Stahl in Industrie und Handel eine weitere Kategorisierung durchgesetzt. Dabei stehen weniger die Herstellung und Zusammensetzung als die Eigenschaften und Verwendung von Stahl im Vordergrund. Nach diesen Gesichtspunkten werden folgende Stahlarten unterschieden:

• Baustahl: Unlegierter oder niedriglegierter Stahl für Metallkonstruktionen. Nach seiner Zugfestigkeit wird Baustahl in verschiedene Klassen eingeteilt. Häufig kommen beim Heimwerken Bleche oder Profile aus Baustahl der Klasse Fe360B zum Einsatz. Dieser Baustahl hat einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt und lässt sich gut bearbeiten.
• Werkzeugstahl: Niedrig- oder hochlegierter Stahl für Einsatzwerkzeuge in verschiedener Qualität. Je nach Legierung und Verarbeitung hat Werkzeugstahl verschiedene Eigenschaften, die auf die Bearbeitung eines speziellen Werkstoffs abgestimmt sind. Für die Holzbearbeitung reicht beispielsweise niedriglegierter Werkzeugstahl aus, während die Metallbearbeitung Werkzeugstahl mit großer Härte und einem hohen Legierungsanteil erfordert. Eine Sonderform ist der sogenannte Schnellarbeitsstahl. Aufgrund seiner hohen Belastbarkeit und langen Haltbarkeit findet dieser Werkzeugstahl vor allem Verwendung bei der Herstellung von Profi-Werkzeugen und im Maschinenbau.

Zu den Werkzeugstählen gehört auch korrosionsbeständiger Stahl, der in der Umgangssprache häufig als Edelstahl bezeichnet wird. Aus fachlicher Sicht ist das allerdings nicht korrekt, da sich die Bezeichnung Edelstahl auf den Reinheitsgrad des Stahls, nicht auf seine Korrosionsbeständigkeit bezieht. Korrosionsbeständiger Stahl ist hochlegierter, nichtrostender Stahl, der zu mindestens 10,5 Prozent aus Chrom besteht und weitere Metalle wie Nickel oder Molybdän enthält. Im täglichen Gebrauch zeigen die Markennamen Niro® und Nirosta® sowie die Bezeichnungen rostfreier Stahl oder VA-Stahl an, dass der Stahl korrosionsbeständig ist.

Wie bereits erwähnt bezieht sich die Bezeichnung Edelstahl nur auf den Reinheitsgrad des Metalls. Eisen ist immer bis zu einem gewissen Grad mit nichtmetallischen Stoffen und Elementen wie Aluminium oder Silizium „verunreinigt“, die Haltbarkeit und Härte negativ beeinflussen. Gelingt es, diese Bestandteile durch besondere Verfahren bei der Stahlherstellung herauszulösen, wird der Stahl als Edelstahl bezeichnet.

Auch bei Edelstahl richten sich die Eigenschaften nach den jeweiligen Legierungsbestandteilen. Durch die Kombination mit Chrom, Nickel, Titan oder Wolfram werden Härte, Zugfestigkeit und Korrosionsverhalten beeinflusst. Auf dieser Grundlage wird Edelstahl in folgende Arten eingeteilt:

• Austenitischer Edelstahl: enthält Chrom, Nickel und ggf. Molybdän
• Martensitischer Edelstahl: erhöhter Chrom-, geringer Kohlenstoffanteil; verschiedene Legierungselemente
• Ferritischer Edelstahl: hoher Chrom-, geringer Nickel- und minimaler Kohlenstoffanteil

Für die Arbeitspraxis ist wichtig zu wissen, dass Edelstahl rosten kann, wenn er mit normalem Stahl in Kontakt kommt. Aus diesem Grund darfst du nur Werkzeuge und Verbindungsmittel (wie Schrauben oder Nieten) derselben Stahlgruppe für Edelstahl verwenden. Schon die Bearbeitung mit einer Schleifscheibe, die zuvor für normalen Stahl benutzt wurde, kann Rost auf Edelstahl erzeugen. Ein Indiz dafür ist die Anlauffarbe nach hoher oder längerer Hitzeeinwirkung. Sie zeigt eine Entchromung im betroffenen Bereich an, die bewirkt, dass der Edelstahl an dieser Stelle wie normaler Stahl reagiert und früher oder später rosten wird. Um das zu verhindern, muss die Anlauffarbe so abgetragen werden, dass die Oberfläche wieder im Originalzustand ist.

Hartmetalle

Eine eigene Gruppe im Bereich der Eisenmetalle sind die Hartmetalle, die sich für die Bearbeitung von Stahl optimal eignen. Doch was ist Hartmetall? Es besteht aus Metallen wie Wolfram oder Titan, die mit Kohlenstoff zu Wolframcarbid oder Titancarbid verarbeitet werden. Auch Cobalt ist ein wesentlicher Bestandteil. So entsteht ein extrem harter und extrem hitzebeständiger Werkstoff. Hartmetall wird aufgrund dieser Eigenschaften vor allem für dauerhaft einsetzbare, verschleißarme Schneiden an Bohrspitzen, Sägeblattzähnen und Fräsköpfen sowie als Belag von Schleifmitteln verwendet.

Zu den Nichteisen-Metallen gehören alle Metalle und Legierungen, die keine Eisenmetalle sind. Sie werden in Leichtmetalle und Schwermetalle unterteilt. Auch diese Einteilung orientiert sich an Eisen, denn

• Leichtmetalle sind alle Metalle und Legierungen mit einem Gewicht von bis zu ca. 5 g / cm³. Dazu gehören Aluminium und Magnesium (inkl. Legierungen).
• Schwermetalle sind z. B. Kupfer, Zink und Blei (sowie ihre Legierungen). Sie zeichnet aus, dass sie so schwer wie Eisenmetalle sind, teilweise sogar schwerer.

NE-Metalle weisen also entweder eine geringere oder höhere Dichte als Eisenmetalle auf oder verfügen über Eigenschaften, die selbst durch die Legierung von Eisen oder Stahl nicht erreicht werden können. Dadurch bieten Nichteisen-Metalle und ihre Legierungen eine optimale Alternative, um spezifische Anforderungen an Bauteile oder Werkzeuge abzudecken. So werden Aluminium- oder Magnesiumlegierungen und andere Leichtmetalle aufgrund ihrer geringeren Dichte vor allem für Bauteile eingesetzt, die bei geringem Gewicht eine höchstmögliche Stabilität haben sollen.

Die Schwermetalle Zink, Zinn und Blei werden aufgrund ihrer sehr hohen Korrosionsbeständigkeit für Außenverkleidungen oder als Beschichtungsmaterial für Eisen und andere Werkstoffe eingesetzt. Sie dienen außerdem als Legierungsmetalle für Kupferlegierungen, aus denen eine Vielzahl von Bauteilen im Maschinenbau, Schiffsbau (seewasserbeständig), Werkzeugbau und in der Installationstechnik gefertigt werden. Reines Kupfer hat hingegen eine besonders hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, deshalb wird Kupfer vor allem für Drähte und Kabel in der Elektrotechnik genutzt.

Metallwerkstoffe haben ihre große Bedeutung nicht nur den unzähligen Varianten und Verarbeitungsmöglichkeiten zu verdanken. Ein ganz besonderer Vorteil ist, dass die Eigenschaften von Metallen durch chemische und physikalische Prozesse verändert werden und an ihr jeweiliges Einsatzgebiet angepasst werden können. Besonders großen Einfluss hat die Wärmebehandlung, mit der die Dichte eines Metallwerkstoffs verändert wird. Unterschieden werden folgende Methoden:

• Glühen: Der Werkstoff wird gleichmäßig erhitzt, um ihn besser bearbeiten zu können und ihm eine gleichmäßige, meist geringere Härte zu geben. Auch durch die Bearbeitung entstandene Spannungen oder Verfestigungen können so aus dem Material genommen werden.
• Härten: Das Werkstück wird auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, um die Härte zu erhöhen und die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und hohe Beanspruchung zu erhöhen. Sobald die nötige Temperatur erreicht ist, wird das Werkstück möglichst rasch mithilfe von Wasser, Öl oder Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.
• Anlassen: Gehärteten und dadurch sehr spröden Werkstoffen wird durch das Anlassen eine höhere Zähigkeit gegeben, um Härtespannungen und das Risiko von Rissbildung zu vermindern. Dazu wird das Werkstück ebenfalls auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, die aber deutlich unter den Temperaturen zum Glühen und Härten liegt. Die Temperatur muss für mindestens eine Stunde gehalten werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen.

Die für die Wärmebehandlung notwendigen Temperaturen sind von Metall zu Metall verschieden und hängen von der chemischen Zusammensetzung des Metallwerkstoffs ab. So lässt sich Stahl beispielsweise nur härten, wenn der Kohlenstoffanteil höher als 0,5 Prozent ist.