STAHL
Legierung und Zusatzstoffe
Stähle bilden eine Legierungsfamilie, die durch die Zugabe eines variablen Anteils an Kohlenstoff und Eisen gekennzeichnet ist. Weitere Elemente können die Legierung ergänzen, um dem Stahl eine 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 (0,20–0,40 %), und von harten oder extra-harten Stählen bei hohem Kohlenstoffgehalt (0,40–0,70 %). Obwohl Stahl eine Legierung ist, bezeichnet man ihn als nicht legierten Stahl, wenn er nur aus Eisen und Kohlenstoff besteht.
Viele Elemente können dem Eisen und Kohlenstoff hinzugefügt werden. Die wichtigsten davon sind Chrom, Nickel, Wolfram, Titan, Aluminium, Vanadium, Phosphor und Silizium. Je nach ihrem Anteil verbessern einige die Korrosionsbeständigkeit, andere fördern die Bearbeitbarkeit oder Härtbarkeit usw.
Stahlfamilien
Durch Variieren des Kohlenstoffgehalts und der zugesetzten Elemente sowie ihrer Konzentrationen erhält man eine außergewöhnliche Reihe von Legierungen mit einer Vielzahl von spezifischen Eigenschaften. Daher werden Stähle in vier Hauptfamilien unterteilt: Kohlenstoffstähle (nicht legierte Stähle), schwach legierte Stähle, hochlegierte Stähle (rostfreie Stähle) und Schnellstähle (Werkzeugstähle).
Nicht legierte Stähle werden hauptsächlich im Bauwesen verwendet und finden heutzutage keine Anwendung in der Uhrmacherei.
Schwach legierte Stähle sind in vielen Uhrwerkskomponenten zu finden. Je nach Art der Legierung kann hier die Härtbarkeit, Härte, Elastizität usw. durch die Bearbeitung der Zusammensetzung und der Anteile der Legierung optimiert werden.
Uhrmacher verwenden Stähle für Komponenten, die großen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind (Hebel, Achsen, Federn, Zahnräder, Schrauben usw.), wie z. B. mechanische Funktionen, Elastizität und Reibung.
In der Uhrmacherei finden hochlegierte Stähle hauptsächlich im Gehäuse (Gehäuse, Armbänder usw.) Anwendung. Um in diese Kategorie eingestuft zu werden, muss ein Stahl mehr als 5 % eines Legierungselements enthalten. Am häufigsten sind Chrom und Nickel in solchen Anteilen vorhanden. Diese beiden Elemente ermöglichen es, rostfreie Stähle zu erhalten. Für das Gehäuse (Gehäuse, Armbänder) schätzen Uhrmacher besonders den rostfreien Stahl 316L. Dieser Stahl enthält einen niedrigen Kohlenstoffanteil (0,03 %) bei 16–19 % Chrom und 10–13 % Nickel und enthält zudem sechs weitere Elemente (Si, Mn, P, S, Mo und N), die ihm insbesondere eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit verleihen.
Zwei weitere hochlegierte Stähle sind von entscheidender Bedeutung für Uhrmacher: Invar und Elinvar. Es handelt sich um zwei Legierungen, die 1920 von Charles-Edouard Guillaume patentiert wurden, mit einem Nickelgehalt von 36 % bei 0,4 % Kohlenstoff. Diese Legierungen wurden, wie ihre Namen andeuten, entwickelt, um den geringsten möglichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Invar – unveränderlich) und eine möglichst hohe Elastizität (Elinvar – elastisch und unveränderlich) zu erreichen. Diese Eigenschaften sind ideal für die Herstellung von Spiralfedern, um eine ideale Chronometrie zu gewährleisten.
Wärmebehandlung
Die kristalline Struktur von Stählen verändert sich mit steigender und fallender Temperatur. Das Ausmaß dieser Veränderungen hängt vom Kohlenstoffgehalt ab. Die kristalline Struktur bestimmter Stähle kann durch Wärmebehandlungen (Härten, Anlassen, Glühen) oder thermodynamische Methoden (Walzen, Schmieden) verändert werden, um das Material zu härten oder zu entspannen.
Vielfalt der Spezifikationen und Anwendungen
Durch die Anpassung des Kohlenstoffgehalts, die Auswahl und den Anteil der Zusatzstoffe sowie der möglichen Wärme- oder thermodynamischen Behandlungen erhält man die größte Familie von Legierungen mit den vielfältigsten Spezifikationen und Anwendungen.
Stähle sind in der Regel magnetisch und elektrisch leitfähig. Neben der Bearbeitung und dem Stanzen können sie auch für die Elektroerosion sowie für zahlreiche Oberflächenbehandlungen eingesetzt werden.
Es kann davon ausgegangen werden, dass es drei eisenhaltige Produkte gibt: Eisen, Gusseisen und Stahl.
Historisch gesehen beginnt das Eisenzeitalter (je nach Kultur) etwa im Jahr -1200.
Die Chinesen führten die ersten Gießvorgänge von Gusseisen etwa im Jahr -500 durch. Gleichzeitig stellten sie die ersten Stähle her, indem Eisen beim Kontakt mit Holzkohle rekonditioniert wurde. In der Antike wurden die Abgase der Holzkohle zusätzlich genutzt, um das Eisen zu rekarburieren und dessen Härte (insbesondere die Schärfe von Werkzeugen und Waffen) zu verbessern.
Die Theorie der Legierungen begann im 18. Jahrhundert, aber es musste bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts gewartet werden, bis die Wissenschaft es ermöglichte, Legierungen zu verstehen und Stähle von hoher Qualität zu produzieren.
Im Jahr 1855 ließ Henry Bessemer ein Patent für ein Verfahren zur kostengünstigen Stahlproduktion eintragen, das die industrielle Revolution auslöste. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde der Bessemer-Umwandler mit einem wesentlich präziseren, leistungsfähigeren und energieeffizienteren Sauerstoffumwandler ersetzt.
Die Materialwissenschaft hat sich seitdem stetig weiterentwickelt. Die Natur und Zusammensetzung von Legierungen sowie die Produktionsverfahren für Stahl haben sich kontinuierlich verbessert, um Materialien zu erzeugen, die immer besser geeignet und leistungsfähiger sind.
Im Allgemeinen sind Stähle in allen Anwendungsbereichen vertreten. In Bezug auf die Uhrmacherei können wir zwei Hauptanwendungsbereiche unterscheiden: Das Uhrwerk und das Gehäuse (Gehäuse, Armbänder).
Das Uhrwerk
Im Uhrwerk werden Stähle aufgrund ihrer Härte, Elastizität oder Tribologie geschätzt. Sie sind in allen mechanischen Funktionen (Aufzugmechanismus, Zeiteinstellung, Komplikationen usw.) weit verbreitet. Häufig kommen sie in Form von Hebeln, Federn oder Schraubenelementen vor. Achsen, Zahnräder, bestimmte Umkehrmechanismen oder das Räderwerk der Hemmung oder eines Ankers sind meist aus Stahl gefertigt. Traditionell werden Spiralfedern aus Elinvar hergestellt, einer Legierung, die für ihre Elastizität und ihren sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowohl in der Uhrmacherei als auch in der Messtechnik geschätzt wird.
Das Gehäuse
Das Gehäuse verwendet hingegen rostfreie Stähle. Hier sucht man nach Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und der Möglichkeit, hochwertige Oberflächenbearbeitungen wie Polieren, Satinieren, Mikrostrahlen usw. zu erzielen.
Fertigungsmethoden
Stähle sind für die meisten Fertigungsmethoden geeignet: Bearbeitung, Prägen, Elektroerosion, Lasertechnologie.