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DIE STÄHLE

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2. Allgemeine Beschreibung

Stähle bilden eine Familie von Legierungen, die durch einen variablen Anteil an Kohlenstoff und Eisen gekennzeichnet sind. Weitere Elemente können die Legierung ergänzen, um dem Stahl eine sehr breite Palette mechanischer und physikalischer Eigenschaften zu verleihen. Der Kohlenstoffanteil bestimmt die Härte der Legierung. Man spricht von weichen oder extraweichen Stählen bei niedrigem Kohlenstoffgehalt (-0,20 bis 0,40 %) und von harten oder extraharten Stählen 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 wichtigsten davon. Je nach ihrem Gehalt verbessern einige die Korrosionsbeständigkeit, andere fördern die Bearbeitbarkeit oder die Härtbarkeit usw.

In der Uhrmacherei nehmen sie aufgrund ihres ausgezeichneten Kompromisses zwischen mechanischer Festigkeit, Elastizität, Bearbeitbarkeit und Maßhaltigkeit eine zentrale Stellung ein.

3. Geschichte

Man kann davon ausgehen, dass es drei Eisenwerkstoffe gibt: Eisen, Schmelzen und Stahl. Historisch gesehen beginnt die Eisenzeit (je nach Kultur) um das Jahr -1200. Die Chinesen führen die ersten Schmelzgüsse 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 Verbrennungsgase zur Holzkohle hinzu, um das Eisen aufzukohlen und seine Härte zu verbessern (insbesondere die der Schneide von Werkzeugen und Waffen).

Die Theoretisierung der Legierungen beginnt im 18. Jahrhundert, doch man muss bis zur Mitte des 19. Jahrhundert dauern, bis die Wissenschaft es ermöglichte, sie zu verstehen und hochwertige Stähle 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 Flüssiggaskonverter (Sauerstoff) ersetzt.

Die Materialwissenschaft hat sich seither stetig weiterentwickelt. Die Natur 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 ältere)
• Uhrmacherwerkzeuge

Eigenschaften:

• Sehr gute Härte nach dem Härten
• Hervorragende Oberflächenbearbeitung möglich (Politur auf Hochglanz)
• Empfindlich gegenüber Korrosion

Nichtrostende Stähle

Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10,5 % Chrom, wodurch eine Schutzschicht gegen Korrosion entsteht.

Verwendung:

• Uhrengehäuse
• Kronen, Schrauben, Ausstattungskomponenten

Beispiele:

• 316L (Uhrmacherstandard)
• 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

Stähle, die mit Legierungselementen angereichert sind, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern:

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

Verwendet für:

• Zahnräder
• Triebe
• Ermüdungsbeanspruchte Bauteile

5. Uhrmacherische Anwendungen

Stähle werden 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 Verschleißfestigkeit nach Behandlung
• Gute Eignung für Wärmebehandlungen
• Kontrollierte Bearbeitbarkeit
• Vielseitigkeit (breite Palette an Legierungen)
• Kontrollierte Kosten
• Möglichkeit sehr hochwertiger Veredelungen (Spiegelpolitur)

Grenzen

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