Stahl

Stahl ist Eisen mit einem kleinen, gezielt eingestellten Anteil Kohlenstoff, meist zwischen etwa 0,1 und 1,5 %. Er lässt sich heiß schmieden; mit genug Kohlenstoff wird er durch Erhitzen und Abschrecken hart und durch Anlassen danach zäher, wobei er etwas Härte verliert.

Was es ist

Reines Eisen ist weich: Ein Messer daraus verbiegt sich und wird schnell stumpf. Gibt man etwas Kohlenstoff hinzu, einige Zehntel Prozent bis etwa anderthalb, lässt sich das Metall weiterhin heiß schmieden. Enthält es genug davon, wird es, glühend in Wasser oder Öl getaucht, hart genug, um Eisen zu schneiden. Diese Legierung ist Stahl.

Mit seinem Kohlenstoffgehalt liegt er zwischen zwei anderen Werkstoffen. Schmiedeeisen enthält fast keinen Kohlenstoff: Es ist zäh und gut schweißbar, lässt sich aber nicht härten. Gusseisen enthält 2 bis 4 %: Es lässt sich in Formen gießen, ist aber spröde und nicht schmiedbar. Stahl dagegen macht der Schmied durch Erhitzen und Abkühlen hart oder zäh. Heute ist er mit großem Abstand das meistverwendete Metall.

Wie es funktioniert

Kohlenstoffatome sind klein und sitzen in den Lücken zwischen den Eisenatomen. Kaltes Eisen nimmt kaum Kohlenstoff auf, der Überschuss bildet hartes Eisenkarbid. In langsam abgekühltem Stahl liegt es in dünnen Lamellen zwischen weichem Eisen, ein festes Gefüge, das sich noch feilen lässt.

Oberhalb von etwa 727 °C beginnt sich das Eisengitter in eine Form umzuordnen, die Kohlenstoff löst. Sobald die Umwandlung abgeschlossen ist, haftet kein Magnet mehr. Welche Temperatur und Haltezeit nötig sind, damit genug Karbid in Lösung geht, hängt von der Stahlsorte ab. Kühlt der Stahl langsam ab, scheidet sich der Kohlenstoff wieder als Karbid aus. Beim Abschrecken bleibt dafür keine Zeit: Er sitzt in einem verspannten Gitter fest, dem Martensit, sehr hart und spröde wie Glas.

Wird der Schaft erhitzt, wandern die Farben zur Schneide; der Schmied kühlt das Werkzeug, sobald die richtige dort ankommt.

Deshalb wird der Stahl angelassen: auf etwa 200 bis 350 °C wiedererwärmt. Die Spannung lässt nach, und er wird bei etwas geringerer Härte viel zäher. Auf blankem Stahl bildet sich dabei eine dünne Oxidschicht, deren Farbe der Temperatur folgt, von hellem Strohgelb bei etwa 210 °C über Braun und Purpur bis Dunkelblau bei etwa 290 °C. Diese Farben, die auch von Zeit und Oberfläche abhängen, waren lange der grobe Anhaltspunkt des Schmieds: Strohgelb für ein Rasiermesser oder einen Stechbeitel, Purpur bis Blau für eine Feder. Weichglühen, also Erhitzen und sehr langsames Abkühlen, ergibt dagegen den weichsten Zustand, der sich leicht sägen und feilen lässt.

Unter etwa 0,3 % Kohlenstoff härtet Stahl kaum; mehr Kohlenstoff macht ihn härter, aber weniger schlagzäh. Eisen, das in Holzkohle verpackt stundenlang rotglühend gehalten wird, nimmt an der Oberfläche Kohlenstoff auf. Wird es danach abgeschreckt, erhält es eine harte Haut über einem zähen Kern: Das ist Einsatzhärten.

Bauanleitung

Die Wärmebehandlung ist der Teil der Stahlherstellung, den eine kleine Werkstatt leisten kann. Man beginnt mit einem Stab aus bekanntem unlegiertem Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und hebt das Datenblatt des Lieferanten auf: Es nennt Temperaturen, Haltezeiten und Abschreckmittel genau. Eine alte Feile ist die traditionelle Quelle, doch ihr Stahl ist unbekannt, und manche billige Feile ist nur an der Oberfläche gehärtet.

Weichglühen und formen. Den Stab so weichglühen, wie es das Datenblatt angibt. Der traditionelle Weg, ihn auf dunkle Rotglut zu bringen und über Nacht in Holzasche abkühlen zu lassen, ist nur ungefähr. Den weichen Stab zu einem kleinen Durchschlag oder Flachmeißel schleifen und dabei kühl halten.

Härten. Das Arbeitsende gleichmäßig im Holzkohlefeuer oder mit dem Gasbrenner erhitzen. Die alte Regel lautet: bis ein Magnet nicht mehr haftet, dann noch etwas weiter, bis kirschrot im Schatten; Temperatur und Haltezeit aus dem Datenblatt sind verlässlicher. Das Stück gerade und vollständig in das dort genannte Abschreckmittel tauchen, bei kleinem Werkzeug meist Öl, in einem Bad von mehreren Litern, das deutlich unter seinem Flammpunkt bleibt. Das Stück auf und ab bewegen, bis es abgekühlt ist.

Prüfen. Eine neue Feile soll über das gehärtete Ende gleiten, ohne zu greifen. Greift sie, hat vielleicht nur die Oberfläche im Feuer Kohlenstoff verloren, oder das Härten ist misslungen: eine kleine Stelle blank schleifen und erneut prüfen, bevor man wieder erhitzt.

Sofort anlassen. Das Datenblatt nennt Anlasstemperatur und -dauer, die ein Ofen am besten einhält: Üblich ist eine Stunde bei Temperatur, Abkühlen auf Raumtemperatur und eine zweite Stunde. Der traditionelle Weg ist schneller, aber nur ungefähr. Das Ende mit Schleifpapier blank machen, den Schaft langsam erwärmen und zusehen, wie die Farben zur Spitze wandern. Das Werkzeug kühlen, wenn Braun bis Purpur, etwa 260 bis 270 °C, die Schneide eines Flachmeißels erreicht, oder Strohgelb, etwa 220 °C, die eines Stechbeitels.

Sicherheit. Schmiedehitze verursacht tiefe Verbrennungen, und Stahl unterhalb der Rotglut sieht kalt aus, obwohl er es nicht ist: Jedes Stück als heiß behandeln. Schutzbrille tragen, beim Abschrecken mit Gesichtsschutz darüber, Lederhandschuhe für heiße Stücke, aber nie am Schleifbock, dazu Lederschuhe und Kleidung aus Baumwolle oder Wolle. Im Freien oder bei starker Lüftung arbeiten, denn die Esse gibt Kohlenmonoxid ab und heißes Öl Rauch. Einen Ölbehälter aus Metall mit Metalldeckel griffbereit verwenden und das Werkstück ganz und zügig eintauchen, was Stichflammen begrenzt. Brennt es, den Deckel schließen; nie Wasser auf brennendes Öl gießen oder in heißes Öl gelangen lassen. Einen Pulverlöscher bereithalten. Gehärteten, nicht angelassenen Stahl nie schlagen, biegen, fallen lassen oder zu brechen versuchen: Er kann zerspringen und scharfe Splitter schleudern.

Geschichte und Entwicklung

Fundstücke aus Kaman-Kalehöyük in Anatolien, um 1800 v. Chr., enthalten bereits Stahl, wohl zufällig. Eine Bergmannshacke vom Berg Adir in Galiläa, lange ins 12. Jahrhundert v. Chr. datiert, zeigt ein abgeschrecktes, leicht angelassenes Gefüge, doch ihre Datierung wird inzwischen bezweifelt. Kein einzelner Fund legt den Beginn der absichtlichen Stahlherstellung fest. Diese Tafel setzt ihn als Konvention um 1000 v. Chr. an, die Zeit, in der Eisen in der Levante zwischen etwa 1100 und 900 v. Chr. allgemein in Gebrauch kam.

Ein nach dem Brand zerschlagener Tiegel und der Stahlkuchen, den er enthielt.

In Südindien wurde Eisen mit kohlenstoffreichem Material in Tontiegeln eingeschlossen und zu gleichmäßigen Kuchen mit 1 bis 1,5 % Kohlenstoff geschmolzen; Tiegel aus Kodumanal in Tamil Nadu stammen etwa aus dem 2. Jahrhundert v. Chr. Dieser Tiegelstahl, später in Europa Wootz genannt, ist der Stahl der gemusterten Klingen, die als Damaszenerstahl bekannt sind. In Sri Lanka erzeugten Öfen an Berghängen, vom Monsun angeblasen, vom 7. bis zum 11. Jahrhundert Stahl, vielleicht für den Handel über den Indischen Ozean.

China ging noch einen anderen Weg. Ein Grab des Staates Yan aus dem frühen 3. Jahrhundert v. Chr. enthält schon gehärteten Stahl, doch chinesisches Eisen war damals meist Gusseisen. Entzog man ihm Kohlenstoff, entstanden weichere Metalle: Tagelang an der Luft heiß gehalten oder in einem Frischherd unter dem Gebläse gerührt, wurde Gusseisen zu Stahl oder Schmiedeeisen. Ausgegrabene Frischherde stammen aus dem 1. Jahrhundert v. Chr.

In der Zementierkiste liegen die Eisenstäbe eine Woche oder länger in Holzkohle und kommen mit Blasen bedeckt heraus.

Im frühneuzeitlichen Europa wurde zementiert, ein zuerst in Deutschland entwickeltes Verfahren. In Derwentcote in England lagen ab etwa 1730 Stäbe aus schwedischem Eisen in Holzkohle sechs bis zehn Tage bei über 1.100 °C; den Blasenstahl bündelte man und verschweißte ihn im Feuer zu Gerbstahl. Um 1740 schmolz der Uhrmacher Benjamin Huntsman Blasenstahl in Tiegeln und goss ihn zu gleichmäßigem Stahl.

1856 blies Henry Bessemer Luft durch flüssiges Roheisen: Kohlenstoff und Silizium verbrannten, und ihre Wärme hielt das Metall flüssig. In den 1860er-Jahren folgten Siemens-Martin-Öfen. 1952 gingen in Linz in Österreich Konverter in Betrieb, die mit reinem Sauerstoff blasen; sie erzeugen bis heute den Großteil des Stahls, Elektroöfen, die vor allem Schrott schmelzen, etwa 29 %.