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DIE STÄHLE

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2. Allgemeine Beschreibung

Stähle bilden eine Familie von Legierungen, die durch die Zugabe eines variablen Anteils an Kohlenstoff und Eisen. Weitere Elemente können die Legierung ergänzen, um dem Stahl eine sehr breite Palette an mechanischen und physikalischen Eigenschaften zu verleihen. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt die Härte der Legierung. Man spricht von weichem oder extra-weichem Stahl bei niedrigem Kohlenstoffgehalt (-0,20 bis 0,40 %) und von hartem oder extra-hartem Stahl bei hohem Kohlenstoffgehalt (-0,40 bis 0,70 %). Obwohl Stahl eine Legierung ist, spricht man von unlegiertem Stahl, wenn er nur Eisen und Kohlenstoff enthält.
Eine große Anzahl von Elementen kann dem Eisen und dem Kohlenstoff hinzugefügt werden. Chrom, Nickel, Wolfram, Titan, Aluminium, Vanadium, Phosphor oder Silizium bilden die Hauptbestandteile. Einige verbessern je nach ihrem Gehalt die Korrosionsbeständigkeit, andere begünstigen die Bearbeitbarkeit oder die Härtbarkeit usw. In der Uhrmacherei nehmen sie aufgrund ihres hervorragenden Kompromisses zwischen mechanischer Festigkeit, Elastizität, Bearbeitbarkeit und Formstabilität eine zentrale Stellung ein.

3. Geschichte

Man kann davon ausgehen, dass es drei Eisenwerkstoffe gibt: Eisen, Schmelzen und Stahl. Historisch beginnt die Eisenzeit (je nach Kultur) um das Jahr -1200. Die Chinesen führen die ersten Schmelzen um das Jahr -500 durch. So stellen sie die ersten Stähle her, wobei das Eisen durch den Kontakt mit Holzkohle aufgekohlt wird. In der Antike fügt man der Holzkohle Verbrennungsgase hinzu, um das Eisen aufzukohlen und dessen Härte zu verbessern (insbesondere die der Schneiden von Werkzeugen und Waffen).

Die Theoretisierung der Legierungen beginnt im 18. Jahrhundert, doch man muss bis zur Mitte des 19. Jahrhundert, bis die Wissenschaft es ermöglichte, sie zu verstehen und hochwertige Stahlsorten herzustellen. 1855 meldete Henry Bessemer das Patent für ein kostengünstiges Stahlherstellungsverfahren an, das die industrielle Revolution prägen sollte. Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde der Luftkonverter des Bessemer-Verfahrens durch wesentlich präzisere, leistungsfähigere und sparsamere Flüssiggas-Konverter (Sauerstoff) ersetzt.

Die Materialwissenschaft hat sich seitdem stetig weiterentwickelt. Die Beschaffenheit und Zusammensetzung der Legierungen sowie die Verfahren zur Stahlherstellung entwickeln sich kontinuierlich weiter, um immer besser angepasste und leistungsfähigere Materialien herzustellen.

4. In der Uhrmacherei verwendete Stahlarten

Kohlenstoffstähle

Dies sind die traditionellen Stähle, die verwendet werden für:

• Achsen (Unruhachsen, Zapfen)
• Federn (Federhausfedern alte)
• Uhrmacherwerkzeuge

Merkmale:

• Sehr gute Härte nach dem Härten
• Ausgezeichnete Oberflächenbearbeitung möglich (Spiegelpolitur)
• Anfällig für Korrosion

Nichtrostende Stähle

Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10,5 % Chrom, was eine Schutzschicht gegen Korrosion bildet.

Verwendung:

• Uhrengehäuse
• Kronen, Schrauben, Ausstattungskomponenten

Beispiele:

• 316L (Uhrmacher-Standard)
• 904L (bessere Korrosionsbeständigkeit, teurer)

Stähle für Federn

Verwendet für Spiralfedern (historisch) und verschiedene Federn.

Beispiele:

• Verbesserte Kohlenstoffstähle
• Legierungen vom Typ Elinvar (niedriger thermischer Koeffizient)

Spezielle legierte Stähle

Mit Legierungselementen angereicherte Stähle zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften:

• Chrom, Molybdän → Verschleißfestigkeit
• Nickel → Zähigkeit
• Silizium → Elastizität

Verwendet für:

• Räderwerke
• Triebe
• Ermüdungsbeanspruchte Bauteile

5. Uhrmacherische Anwendungen

Stahl wird für zahlreiche Bauteile verwendet:

• Achsen und Zapfen → Festigkeit + Präzision
• Schraube → mechanische Festigkeit
• Federn → Elastizität
• Uhrmacherwerkzeuge → Härte
• Gehäuse → Korrosionsbeständigkeit (Edelstahl)

6. Wärmebehandlungen und Oberflächenbehandlungen

Die Eigenschaften von Stahl hängen stark von den angewendeten Behandlungen ab:

• Härten → Erhöhung der Härte
• Anlassen → Verbesserung der Zähigkeit
• Nitrieren → hohe Oberflächenhärte
• Politur → Reduzierung der Reibung

7. Vorteile und Grenzen

Vorteile

• Ausgezeichnete mechanische Festigkeit
• Hohe Steifigkeit (hoher Modul)
• Sehr gute Verschleißbeständigkeit nach Behandlung
• Gute Eignung für Wärmebehandlungen
• Kontrollierte Bearbeitbarkeit
• Vielseitigkeit (breites Spektrum an Legierungen)
• Kontrollierte Kosten
• Möglichkeit sehr hochwertiger Veredelungen (Spiegelpolitur)

Grenzen

• Empfindlichkeit gegenüber Magnetismus
• Korrosionsrisiko (außer bei Edelstahl)
• Relativ hohe Masse
• Höhere Reibung als bei bestimmten modernen Materialien