Wissen_Kompakt_Band_7_LP

Jochen Schuster • Christoph Gajda
Band 7
Die Schweißeignung historischer
Eisenwerkstoffe, ihre Prüfung und Bewertung
Ein Leitfaden für den Planer, Entscheider und Praktiker

Jochen Schuster, Christoph Gajda
unter fachlicher Mitarbeit von Stefan Doliva
Die Schweißeignung historischer Eisenwerkstoffe,
ihre Prüfung und Bewertung
Ein Leitfaden für den Planer, Entscheider und Praktiker
1

Bibliographische Informationen Der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie.
Detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Titelbild: Peißnitzbrücke über die Saale in Halle, erbaut 1898 bis 1899
(Bildquelle: Jochen Schuster; 16.05.2021)
Kurzinfo: Die Brücke wurde in Stahlfachwerksbauweise (Nietkonstruktion) als Auslegerhängebrücke
errichtet. Sie verfügt über zwei Pfeiler, die jeweils an den Ufern der Saale positioniert sind. Ihre
Gesamtlänge beträgt 103,30 Meter. Dabei weist die Entfernung zwischen den Pfeilern 70 Meter
auf und entspricht in etwa der Flussbreite an dieser Stelle.
Wissen kompakt
Band 7
ISBN 978-3-96144-193-8 (Print)
ISBN 978-3-96144-194-5 (E-Book)
Alle Rechte vorbehalten.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf 2023
Herstellung: Print Media Group GmbH & Co. KG, Hamm
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1 Vorwort
Beim Umgang mit sogenannten Altstählen stellt sich für viele Verarbeiter regelmäßig die Frage: „Ist
der betreffende Stahl schweißgeeignet?“ Oft handelt es sich bei stählernen Bauten aus dem 19.
und dem 20. Jahrhundert um Nietkonstruktionen, also Konstruktionen, die vor der Einführung des
Lichtbogenschweißens ab Mitte der dreißiger Jahre des vergangenen Jahrhunderts errichtet wurden.
Die Schweißeignung stand bei den darin verbauten Eisenwerkstoffen nicht im Mittelpunkt.
Doch auch bei schweißtechnisch gefertigten Konstruktionen aus dieser Zeit muss vor deren Instandsetzung
häufig ihre Eignung zum Schmelzschweißen geklärt werden. Aufgrund ihres Alters
von teilweise über 80 Jahren können sie z. B. durch fortgeschrittene Alterungsprozesse versprödet
sein, so dass die Möglichkeit einer weiteren Schädigung infolge von Schweißwärmebehandlungen
besteht.
Die Zielstellung dieses Fachbuches besteht deshalb darin, allen interessierten Verarbeitern solcher
Werkstoffe, wie Stahl- und Metallbauunternehmen, Planern, Konstrukteuren, Architekten aber
auch behördlichen Entscheidungsträgern in Hoch-, Tief- und Wasserbauämtern einen Leitfaden in
die Hand zu geben, um die metallurgischen Besonderheiten „alter“ Stähle, die historischen Verfahren
ihrer Herstellung und die Möglichkeiten ihrer Prüfung besser verstehen zu können.
Doch was sind „Altstähle“? Eine exakte Definition dafür ist nicht bekannt. So stellt HESSE [1] drei
Kriterien auf, die diese von den „Neustählen“ unterscheiden:
− „Altstähle“ wurden mit alten, heute nicht mehr verwendeten Herstellungsverfahren erzeugt.
− „Altstähle“ wurden nach alten, heute nicht mehr gültigen Normen und Gütevorschriften hergestellt.
− Die Qualitätsanforderungen bzw. Abnahmekriterien waren bei „Altstählen“ niedriger als bei
modernen Werkstoffen.
Somit kann die Bezeichnung „Altstahl“ vereinfacht als Sammelbegriff für Eisen- und Stahlwerkstoffe
verwendet werden, die bis etwa 1957 hergestellt wurden [1, 2]. In diesem Jahr erfolgte in der
Bundesrepublik Deutschland die Einführung der ersten Ausgabe der DIN 17 100 [3]. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, den Begriff „Altstahl“ mit der Einführung des Sauerstoffblasverfahrens
im Jahr 1952 zu verknüpfen. Somit wären alle vor diesem Jahr erzeugten Stähle als „Altstahl“ zu
definieren. Aus diesem Grund sollen diese Werkstoffe bezüglich ihrer Geschichte, ihrer Herstellung,
ihrer metallurgischen und normativen Entwicklung, den zur Herstellungszeit gültigen Gütevorschriften,
den Möglichkeiten ihrer Prüfung, ihren wichtigsten Schädigungsmechanismen und
schließlich der Vorgehensweise bei der Bewertung ihrer Schweißeignung betrachtet werden. Ausgewählte
Beispiele von Schweißeignungsuntersuchungen an historischen Stahlbauten geben dem
Leser ein besseres Verständnis bei der Interpretation deren Ergebnisse.
Halle (Saale) im Februar 2023
Die Autoren
3
3

2 Inhalt
1 Vorwort ..................................................................................................................................... 3
2 Inhalt ......................................................................................................................................... 5
3 Einführung ............................................................................................................................... 11
4 Terminologie historischer Eisen- und Stahlwerkstoffe ............................................................ 16
5 Die Elemente Eisen und Kohlenstoff ....................................................................................... 20
5.1 Eisen und seine Umwandlungen im festen Zustand ........................................................... 20
5.2 Kohlenstoff und seine Allotropie ......................................................................................... 21
5.3 Binäres System Eisen-Kohlenstoff ..................................................................................... 22
5.3.1 Einführung .................................................................................................................. 22
5.3.2 Graphische Darstellung der Systeme Fe-C und Fe-Fe3C .......................................... 22
5.3.3 Wichtige Linien und Punkte im System Fe-Fe3C ....................................................... 24
5.3.4 Charakteristische Temperaturen im System Fe-Fe3C ................................................ 24
5.3.5 Phasen und Gefügebestandteile im System Fe-Fe3C ................................................ 25
5.4 Die Teilsysteme des binären Systems Eisen-Zementit ....................................................... 26
5.4.1 Überblick über die Teilsysteme .................................................................................. 26
5.4.2 Das peritektische System .......................................................................................... 26
5.4.3 Das eutektoide System .............................................................................................. 26
5.4.4 Das eutektische System ............................................................................................ 27
5.5 Einteilung der Stahl- und Gusseisensorten anhand ihrer Lage im System Fe-Fe3C ........... 28
6 Historische Stahlerzeugungsverfahren und ihre geschichtliche Einordnung .......................... 29
6.1 Einführung .......................................................................................................................... 29
6.2 Tiegelstahl, der erste „Flussstahl“ ...................................................................................... 29
6.3 Puddel-Stahl, der erste „Massenstahl“ .............................................................................. 30
6.4 BESSEMER- und THOMAS-Stahl, die ersten „modernen“ Stähle ..................................... 32
6.5 SIEMENS-MARTIN-Stahl, der erste „reine“ Stahl .............................................................. 33
6.6 Überblick über verschiedene Stahlerzeugungsverfahren ................................................... 35
6.7 Stahlerzeugungsverfahren und ihre zeitliche Verwendung ................................................. 37
7 Vom Schmiedeeisen zum Damaszener Stahl ......................................................................... 39
7.1 Einführung .......................................................................................................................... 39
7.2 Schmiedeeisen und seine Erzeugung ................................................................................. 39
7.3 Die Technologie der Damaszierung von Stahl .................................................................... 41
7.4 Die metallurgischen Vorgänge beim Damaszieren ............................................................. 43
7.5 Damaszener Stahl – ein erster Verbundwerkstoff ............................................................... 46
7.6 Beachtenswertes ................................................................................................................ 48
8 Gusseisen und Stahlguss ....................................................................................................... 49
8.1 Einführung .......................................................................................................................... 49
8.2 Schweißeignung von Gusseisenwerkstoffen ...................................................................... 51
8.3 Hinweise zur schweißtechnischen Verarbeitung von Gusseisenwerkstoffen ..................... 52
8.4 Hinweise zur Wärmebehandlung von Gusseisenwerkstoffen ............................................. 54
8.5 Technologische Empfehlungen .......................................................................................... 55
8.6 Beachtenswertes ................................................................................................................ 56
5
5

9 Unlegierte Baustähle und ihre normative Entwicklung ............................................................ 57
6
9.1 Einführung .......................................................................................................................... 57
9.2 Übersicht über das nationale Regelwerk in Deutschland ................................................... 58
9.2.1 Das Regelwerk für unlegierte Baustähle vor 1957 ..................................................... 58
9.2.2 Das Regelwerk für unlegierte Baustähle zwischen 1957 bis 1990 ............................. 58
9.2.3 Das Regelwerk für unlegierte Baustähle ab 1990 ...................................................... 59
9.3 Zusammenstellung der unlegierten Stähle für den allgemeinen Stahlbau .......................... 60
9.4 Entwicklung der chemischen Zusammensetzung unlegierter Baustähle............................ 62
9.5 Schweißeignung der unlegierten Baustähle ....................................................................... 65
9.6 Beachtenswertes ................................................................................................................ 66
10 Unlegierte Baustähle und ihre metallurgische Entwicklung .................................................... 67
10.1 Einführung .......................................................................................................................... 67
10.2 Gewalzte und geschmiedete Flussstähle gemäß DIN 1611 ............................................... 68
10.3 Entwicklung der Festigkeit unlegierter Baustähle ab Mitte der 1920er Jahre ..................... 69
10.4 Die Weiterentwicklung der unlegierten Baustähle .............................................................. 73
10.5 Beachtenswertes ................................................................................................................ 76
11 Bewertung der Schweißeignung unlegierter Baustähle .......................................................... 78
11.1 Einführung .......................................................................................................................... 78
11.2 Schweißbarkeit und Schweißeignung................................................................................. 79
11.3 Schweißeignung und ihre Bewertung ................................................................................. 81
11.3.1 Der Begriff der „Schweißeignung“ ............................................................................. 81
11.3.2 Begriffe zur Bewertung der Schweißeignung ............................................................. 82
11.3.3 Untersuchungen zur Bewertung der Schweißeignung ............................................... 83
11.3.3.1 Überblick über empfohlene Analyse- und Prüfverfahren .................................. 83
11.3.3.2 Schema für die qualitative Bewertung der Schweißeignung ............................. 84
11.3.3.3 Untersuchungen zur qualitativen Bewertung der Schweißeignung ................... 85
11.3.3.4 Zugversuch und die Bewertung der Schweißeignung ...................................... 87
11.4 Probenentnahme im Rahmen von Schweißeignungsuntersuchungen ............................... 88
11.5 Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Schweißeignungsbewertung .................................. 89
11.6 Zuordnung von Altstählen zu historischen Stahlerzeugungsverfahren ............................... 90
11.7 Bemerkenswertes ............................................................................................................... 91
12 Charakteristika historischer Eisenwerkstoffe zur Bewertung der Schweißeignung ................ 93
13 Werkstoffprüfungen an historischen Eisenwerkstoffen ......................................................... 102
13.1 Der Zugversuch und seine Entwicklung ........................................................................... 102
13.1.1 Einführung ................................................................................................................ 102
13.1.2 Kurze Geschichte des Zugversuchs ........................................................................ 103
13.1.3 Aufgaben des statischen Zugversuchs .................................................................... 107
13.1.4 Versuchsprinzip des statischen Zugversuchs .......................................................... 107
13.1.5 Das Spannung-Dehnung-Diagramm ........................................................................ 108
13.1.6 Werkstoffkennwerte des Zugversuches ................................................................... 110
13.1.7 Verhalten von Stählen im Zugversuch ..................................................................... 111
13.1.8 Normung des Zugversuchs...................................................................................... 112
13.1.9 Beachtenswertes ..................................................................................................... 113
13.2 Der Kerbschlagbiegeversuch und seine Entwicklung ....................................................... 114
13.2.1 Einführung ................................................................................................................ 114
13.2.2 Kurze Geschichte des Kerbschlagbiegeversuchs.................................................... 115
13.2.3 Versuchsprinzip beim Kerbschlagbiegeversuch ...................................................... 117
13.2.4 Das Tieftemperaturverhalten metallischer Werkstoffe ............................................. 120
6

13.2.5 Das Versprödungsverhalten metallischer Werkstoffe .............................................. 120
13.2.6 Schäden durch Sprödbrüche an geschweißten Konstruktionen ............................. 122
13.2.7 Analyse der Schäden an LIBERTY-Schiffen ............................................................ 124
13.2.8 Beachtenswertes ..................................................................................................... 127
13.3 Der Aufschweißbiegeversuch und seine Anwendung ....................................................... 128
13.3.1 Einführung ................................................................................................................ 128
13.3.2 Der Aufschweißbiegeversuch und seine Geschichte ............................................... 130
13.3.3 Der Aufschweißbiegeversuch in seiner gegenwärtigen Anwendung ....................... 132
13.3.4 Der Aufschweißbiegeversuch und seine Anwendung im Regelwerk ....................... 133
13.3.5 Die Modifikation des Aufschweißbiegeversuchs...................................................... 135
13.3.6 Ergebnisse experimenteller Untersuchungen .......................................................... 136
13.3.7 Bemerkenswertes .................................................................................................... 137
13.4 Metallographischer Versprödungsnachweis ..................................................................... 139
13.4.1 Einführung ................................................................................................................ 139
13.4.2 Historische Entwicklung der Metallographie ............................................................ 139
13.4.3 Probenpräparation durch Schleifen, Polieren und Ätzen ......................................... 140
13.4.4 Lichtmikroskope ...................................................................................................... 141
13.4.5 Metallographische Untersuchung von Schweißverbindungen ................................. 143
13.4.5.1 Makroschliffe ................................................................................................... 143
13.4.5.2 Mikroschliffe .................................................................................................... 143
13.4.6 Ätzmethoden zur metallographischen Versprödungsabschätzung.......................... 143
13.4.6.1 BAUMANN-Abdruck ....................................................................................... 143
13.4.6.2 Makroätzmittel ................................................................................................ 144
13.4.6.3 Vergleich der Makroätzmittel .......................................................................... 146
13.4.6.4 Mikroätzmittel zum Nachweis von Eisennitriden ............................................. 147
13.4.6.5 Weitere Ätzmittel zum Nachweis von Eisennitriden ........................................ 149
13.4.7 Beachtenswertes ..................................................................................................... 150
14 Werkstoffbedingte Schädigungen von historischen Stählen ................................................ 152
14.1 Riss- und Brucherscheinungen ........................................................................................ 152
14.2 Schädigungen durch Risserscheinungen ......................................................................... 153
14.2.1 Einführung ................................................................................................................ 153
14.2.2 Überblick über die metallurgisch bedingten Risserscheinungen ............................. 153
14.2.2.1 Systematik der metallurgisch bedingten Risserscheinungen .......................... 153
14.2.2.2 Kaltrisse .......................................................................................................... 155
14.2.2.3 Heißrisse ......................................................................................................... 155
14.2.2.4 Hohlräume ....................................................................................................... 155
14.2.3 Kaltrisse ................................................................................................................... 156
14.2.3.1 Allgemeine Einflussgrößen auf die Kaltrissbildung .......................................... 156
14.2.3.2 Aufhärtungsrisse ............................................................................................. 156
14.2.3.3 Wasserstoffunterstützte Risse ........................................................................ 158
14.2.3.4 Lamellarrissigkeit (Terrassenbruch)................................................................. 161
14.2.3.5 Alterungsrisse ................................................................................................. 164
14.2.4 Heißrisse .................................................................................................................. 165
14.2.4.1 Allgemeine Einflussgrößen auf die Heißrissbildung ......................................... 165
14.2.4.2 Überblick über die Grundarten von Heißrissen ............................................... 165
14.2.4.2.1 Erstarrungsrisse ..................................................................................... 165
14.2.4.2.2 Wiederaufschmelzrisse .......................................................................... 167
14.2.4.3 Beeinflussung der Heißrissanfälligkeit............................................................. 168
14.2.4.3.1 Allgemeine metallurgische Faktoren ...................................................... 168
14.2.4.3.2 Metallurgische Besonderheiten beim Schweißen unlegierter Stähle...... 168
7
7

8
14.2.4.3.3 Technologische Faktoren ....................................................................... 170
14.3 Schädigungen durch Brucherscheinungen ...................................................................... 171
14.3.1 Einführung ................................................................................................................ 171
14.3.2 Überblick über technische Brucherscheinungen ..................................................... 171
14.3.3 Gewaltbrüche........................................................................................................... 173
14.3.3.1 Arten von Gewaltbrüchen ............................................................................... 173
14.3.3.2 Sprödbrüche ................................................................................................... 173
14.3.3.3 Verformungsbrüche ........................................................................................ 175
14.3.4 Ermüdungsbrüche ................................................................................................... 176
14.3.5 Zeitstandbrüche ....................................................................................................... 177
14.3.6 Beispiele für historische Schäden durch Brucherscheinungen................................ 179
14.3.6.1 Untergang der R. M. S. „TITANIC“ .................................................................. 179
14.3.6.2 Zerstörung der TACOMA-NARROWS-Brücke ................................................ 179
14.3.6.3 Abstürze der DeHavilland DH 106 „COMET“ .................................................. 180
14.3.6.4 Kesselexplosion auf der S. S. „NORWAY“ ...................................................... 181
15 Einfluss von Kerben in reparaturgeschweißten historischen Konstruktionen ....................... 183
15.1 Einführung ........................................................................................................................ 183
15.2 Bewertungsansätze der Restnutzungsdauer von Altstahlkonstruktionen ........................ 183
15.3 Bewertung der Ermüdungssicherheit ............................................................................... 185
15.4 Vorgehensweise bei der Erstellung von WÖHLER-Kurven ............................................... 186
15.5 Dauerschwingmodellversuche an „reparaturgeschweißten“ Proben ............................... 190
15.6 Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen der Dauerschwingmodellversuche ................ 193
15.7 Empfehlungen zur Vorgehensweise bei der Bewertung der Restnutzungsdauer ............. 194
16 Revitalisierung potentieller Wärmeeinflusszonen durch gezielte Wärmebehandlung ........... 195
16.1 Einführung ........................................................................................................................ 195
16.2 Eigenschaftsveränderungen durch Wärmebehandlung .................................................... 196
16.2.1 Möglichkeiten zur Wärmebehandlung von Stählen .................................................. 196
16.2.2 Lieferzustände und Vergießungsarten bei modernen unlegierten Baustählen ......... 197
16.2.3 Normalglühen (+N) ................................................................................................... 198
16.2.4 Zähigkeitsglühen (+RT) ............................................................................................ 199
16.2.5 Nachteilige Auswirkungen von Wärmebehandlungen auf Altstähle ......................... 200
16.3 Untersuchungen zur thermischen Revitalisierung gealterter Stähle ................................. 201
16.4 Diskussion der Ergebnisse der Wärmebehandlungsversuche.......................................... 203
16.5 Beachtenswertes .............................................................................................................. 204
16.6 Empfehlungen zur Revitalisierung der Zähigkeit............................................................... 205
17 Ausgewählte Beispiele von Schweißeignungsuntersuchungen ............................................ 207
17.1 Einführung ........................................................................................................................ 207
17.2 Schmiedeeisen – Klammern aus Flacheisen im Dresdner Zwinger .................................. 208
17.2.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 208
17.2.2 Ergebnisse der werkstofftechnischen Untersuchung .............................................. 209
17.3 Puddel-Stahl – POLONCEAU-Binder ............................................................................... 211
17.3.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 211
17.3.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 212
17.4 Puddel-Stahl – Nietschaft einer historischen Hallenkonstruktion ..................................... 214
17.4.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 214
17.4.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 215
17.5 Flussstahl – Querträger einer Hallenkrananlage ............................................................... 217
17.5.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 217
17.5.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 218
8

17.6 Flussstahl – JUNKERS Stahllamellenhalle in Dessau ....................................................... 220
17.6.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 220
17.6.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 221
17.7 Flussstahl – Tragwerksstütze eines U-Bahntunnels in Berlin ........................................... 223
17.7.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 223
17.7.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 224
17.8 Flussstahl – Walzenwehr in Schweinfurt ........................................................................... 226
17.8.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 226
17.8.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 227
17.9 Flussstahl – Mainwehr Randersacker ............................................................................... 229
17.9.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 229
17.9.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 230
17.10 Flussstahl – Rheinbrücke Leverkusen im Zuge der BAB A1 .................................... 232
17.10.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 232
17.10.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 233
17.11 Flussstahl – Berliner Brücke in Halle (Saale) ............................................................ 235
17.11.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 235
17.11.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 236
17.11.3 Ergebnisse der Versuchsschweißung ...................................................................... 237
17.12 Stahlguss – Stützen- und Bogenfußgelenke am Chemnitztal-Viadukt .................... 239
17.12.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 239
17.12.2 Ergebnisse der werkstofftechnischen Untersuchung .............................................. 240
17.13 Gusseisen – Rohr aus der Wasserkunst im Bergpark Wilhelmshöhe ...................... 242
17.13.1 Das Bauwerk ............................................................................................................ 242
17.13.2 Ergebnisse der werkstofftechnischen Untersuchung .............................................. 243
17.14 Gusseisen – „LANZ-Perlit“ für hochbeanspruchte Gussteile ................................... 245
17.14.1 Das Bauteil ............................................................................................................... 245
17.14.2 Ergebnisse der Schweißeignungsprüfung ............................................................... 246
17.14.3 Ergebnisse der Versuchsschweißung ...................................................................... 248
18 Anhang .................................................................................................................................. 250
18.1 Zeitstrahl der Stahl- und Eisenwerkstoffe ......................................................................... 250
18.2 Danksagungen .................................................................................................................. 254
18.3 Stichwortverzeichnis......................................................................................................... 255
18.4 Bildquellenverzeichnis ...................................................................................................... 272
18.4.1 Einzelbilder .............................................................................................................. 272
18.4.2 Bilder in Tabellen ..................................................................................................... 275
18.5 Literaturquellenverzeichnis ............................................................................................... 276
9
9

3 Einführung
Lange bevor die Menschheit das Geheimnis der Verhüttung von Eisenerzen lüften konnte, dienten
zufällig gefundene Eisen-Nickel-Meteoriten als einzige zugängliche Quelle für gediegenes Eisen.
Wird es metallographisch präpariert und angeätzt, zeichnet sich Meteoriteneisen durch eine charakteristische,
langnadlige Mikrostruktur aus, das sogenannte WIDMANNSTÄTTENsche Gefüge
(nach Alois Joseph Franz Xaver Beckh, Edler von WIDMANNSTETTEN, 1754 bis 1849; Abbildung
1). So ist es heute wissenschaftlich u. a. möglich, seine „himmlische“ Herkunft nachzuweisen.
Durch Verhüttung gewonnenes historisches Schmiedeeisen weist dagegen eine vollkommen andere
metallographische Erscheinung auf (Abbildung 2).
Abbildung 1. Mikroschliff durch einen Eisen-
Meteoriten (WIDMANNSTÄTTENsches Gefüge)
Abbildung 2. Mikroschliff durch Verhüttung
erzeugtes ferritisches Schmiedeeisen
Da es vom Himmel auf die Erde fiel, war Eisen lange vor unserer Zeit als das Metall der Götter
bekannt und wurde aufgrund seiner Seltenheit als deren Gabe für die Herrschenden angesehen.
So fand Howard CARTER (1874 bis 1939) im Grab des ägyptischen Pharaos TUTANCHAMUN
(1332 bis 1323 v. u. Z.) einen Dolch mit geschmiedeter Klinge aus Meteoriteneisen. Der Werkstoff
Eisen war in dieser Epoche umso bemerkenswerter, als es den Ägyptern selbst nicht möglich war,
es abzubauen oder zu verhütten. Es wird angenommen, dass das Geheimnis, dieses Metall aus
geeigneten Erzen zu gewinnen und auch härten zu können, zuerst von den Hethitern (vorgeschichtliches
Volk im heutigen Kleinasien, Syrien und Israel) entdeckt wurde. Die Anfänge einer
aktiven Eisenerz-Verarbeitung werden somit vor rund 3.200 Jahren in Anatolien und dem angrenzenden
Kaukasien vermutet.
In Europa fand der Übergang von der Bronze- zur Eisenverhüttung erst deutlich später statt [4].
Der damit verbundene Begriff der sogenannten Eisenzeit prägte eine ganze Kulturepoche (etwa
von 800 vor unserer Zeit bis spätestens 500 unserer Zeit). Zu den ersten nordeuropäischen Eisenprodukten
zählten germanische Kultgegenstände wie z. B. Skulpturen aber auch zahlreiche Waffen.
Sein chemisches Symbol „Fe“ erhielt das Element vom lateinischen Wort „ferrum“. Die Römer
verstanden darunter ursprünglich Eigenschaften wie Härte aber auch Gefühllosigkeit. Die deutsche
Bezeichnung als Eisen hingegen leitet sich vom gallischen Wort „isarnon“ ab.
Seine Gewinnung aus Erzen erlernte die Menschheit erst mit Beginn der Eisenzeit. Über lange Zeit
kam hier der Rennofen zur Anwendung (Abbildung 4), der sich seit Beginn des zwölften Jahrhun-
11
11

derts durch die Verwendung von wasserkraftbetriebenen Blasebälgen zum sogenannten „Stück-“
bzw. „Wolfsofen“ weiterentwickelte. Aus diesen „Aggregaten“ konnte nach Abschluss des
Schmelzvorgangs eine einzelne Luppe, d. h. ein mehr oder weniger großes, von Schlacke durchsetztes
Stück festen, jedoch porösen „Eisenschwamms“ entnommen werden. Die Ausbeute an
metallischem Eisen innerhalb einer solchen Luppe lag im Gramm- bis Kilogrammbereich.
Abbildung 3. Eisenmeteorit; gefunden in den Old Woman
Mountains, Mojave Wüste, Südkalifornien, Quelle: Wikimedia,
Autor: Model Citizen
Abbildung 4. Historische Darstellung
eines Rennofens im Schmelzbetrieb
(nach G. AGRICOLA [5])
Dieses konnte durch Schmieden, also einem Verfahren der Warmumformung (da die Temperaturen
über der Rekristallisationstemperatur TR des Metalls lagen), direkt weiterverarbeitet werden.
Die Rekristallisationstemperatur TR ist direkt von der Schmelztemperatur TS abhängig und lässt
sich gemäß der TAMMANNschen Gleichung wie folgt abschätzen (nach Gustav Heinrich Johann
Apollon TAMMANN, 1861 bis 1938).
TR = 0,4 • (TS + 273) – 273 [in °C]
Nachdem die Verhüttung von Eisenerzen zu metallischem Eisen die Suche nach den sehr seltenen
Eisenmeteoriten überflüssig machte, wurde das Metall bis zum Anfang des 18. Jahrhunderts über
tausende von Jahren weltweit auf die gleiche Weise gewonnen – durch direkte Reduktion von
eisenhaltigen Erzen in sogenannten Rennöfen mit nachfolgender Veredlung im Schmiedefeuer
(Abbildung 6). Ein solcher Ofen und die darin ablaufenden Reaktionen ist schematisch in Abbildung
7 dargestellt. Die Besonderheit dieser Aggregate war, dass das erzeugte schwammartige
Eisen aufgrund der maximal erreichbaren Temperaturen von etwa 1.400 °C nicht aufgeschmolzen
werden konnte und als feste Luppe im Ofen verblieb. Zu deren Entnahme musste dieser vollständig
zerstört werden. Sein Name leitet sich davon ab, dass die während der Eisenverhüttung entstandene
flüssige Schlacke aus dem Ofen „rann“. Aufgrund der begrenzten Temperaturen kohlte
das Eisen jedoch nicht auf und war somit ohne weitere Maßnahmen schmiedbar. Die in diesen
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Öfen erzeugbaren Eisenmengen lagen in Abhängigkeit von Größe und Bauform zwischen einigen
hundert Gramm bis mehreren hundert Kilogramm. Aus heutiger Betrachtungsweise können die
Rennöfen als Vorgänger der modernen Direktreduktionsverfahren angesehen werden.
Abbildung 5. Luppe (Tamahagané) aus einem
modernen japanischen Rennofen (Tatara), Lizenz:
Creative Commons (CC BY 3.0), Autor:
Loulasedna
Abbildung 6. Im Schmiedefeuer wurde die
Rennofenluppe von Schlacken und Einschlüssen
weitgehend befreit und auf dem Amboss
weiter umgeformt
Eine „Renaissance“ der Rennöfen fand zwischen 1958 und 1962 in der Volksrepublik China
statt. Hier wurden im Rahmen der von Mao ZEDONG (1893 bis 1976) initiierten Politik des „Großen
Sprungs nach vorn“ tausende von solchen primitiven Reduktionsaggregaten errichtet, die unter
dem Namen „Hinterhof-Öfen“ ( 土 法 炼 钢 –primitive Stahlerzeugung) in die Geschichte eingingen.
Abbildung 7. Schematische
Darstellung eines
Rennofens mit Angabe
der ablaufenden chemischen
Reaktionen
Gegenwärtig kommt in der japanischen Handwerkskunst noch eine besondere Variante des Rennofens,
der sogenannte „Tatara“, zur Anwendung, in denen sehr phosphor- und schwefelarme
Eisenluppen („Tamahagané“) für die Herstellung von traditionellen Schwertklingen erzeugt werden
(Abbildung 5). Bei der modernen großtechnischen Direktreduktion wird das Eisenerz mit Hilfe von
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Erdgas (CH4 - Methan) und/oder Wasserstoff zu Eisenschwamm reduziert, welcher anschließend
im Elektrolichtbogenofen weiterverarbeitet werden kann.
Die Erfindung der modernen Hochöfen (Abbildung 8) geht auf Abraham DARBY I (1667 bis 1717)
zurück. Da zu Beginn des 18. Jahrhunderts in England aufgrund der beginnenden Industrialisierung
und dem umfangreichen Bau von Schiffen nicht mehr genügend Holz zur Gewinnung von
Holzkohle zur Verfügung stand, errichtete er im Jahr 1709 einen Ofen, der anstelle dieser mit
Steinkohlenkoks betrieben wurde. Das so erzeugte „Rohe Eisen“ war aufgrund der im Hochofen
herrschenden höheren Temperaturen schmelzflüssig und konnte somit in Formen (sogenannte
Masseln) vergossen werden. Da die Gießanordnung Ähnlichkeit zu einer Muttersau mit an ihren
Zitzen liegenden Ferkeln hatte, bekam es im Englischen die Bezeichnung „Pig Iron“ (Schweineeisen).
Im Unterschied zu den festen Luppen aus den Renn- bzw. Stücköfen war es jedoch nicht
mehr schmiedbar. Es zerbarst unter den Schlägen des Schmiedehammers in viele Bruchstücke.
Verantwortlich dafür waren ebenfalls die hohen Temperaturen im Hochofen, welche zu einer unerwünschten
Aufkohlung des Metalls und damit seiner Versprödung führten.
Abbildung 8. Schematische
Darstellung eines
modernen Hochofens
mit Angabe der ablaufenden
chemischen
Reaktionen
Somit ergab sich die Notwendigkeit, dem Roheisen vor seiner Weiterverarbeitung durch Warmumformung,
wie z. B. dem Schmieden oder Warmwalzen, den aufgenommenen Kohlenstoff wieder zu
entziehen. Das Zeitalter der modernen Stahlerzeugung war angebrochen.
Dieses scheinbar nebensächliche Problem bereitete über nahezu ein Jahrhundert große Probleme,
da es nicht gelang, die dafür erforderlichen hohen Temperaturen zu erzeugen, um größere Mengen
an flüssigem, kohlenstoffarmen Stahl herzustellen. Begründet ist dieser Sachverhalt im binären
System Eisen-Zementit (Fe-Fe3C), da mit fallendem Kohlenstoffgehalt die Liquidustemperaturen
(Schmelztemperaturen) der jeweiligen Legierungen ansteigen (Abbildung 13).
Die im Hochofen erzeugbaren Mengen an Roheisen überstiegen die in den Renn-, Wolfs- und
Stücköfen herstellbaren Quantitäten um ein Vielfaches. So kann ein einziger moderner Hochofen
täglich mehr als 10.000 t Roheisen produzieren. Im Unterschied zum Renneisen war das bei höheren
Temperaturen im flüssigen Zustand gewonnene und dabei aufgekohlte Roheisen nicht mehr
schmiedbar und musste von diesem Element befreit, d. h. raffiniert werden. Diese Reinigung wird
als Stahlerzeugung bezeichnet und hat ihren modernen Ursprung im England des 18. Jahrhundert.
Kamen bis dahin bevorzugt Guss- und Schmiedeeisen zur Anwendung, erfolgte mit der sprunghaften
Entwicklung immer produktiverer Raffinationstechnologien die zunehmende Verwendung von
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Stahl. Ohne die seit Mitte des 19. Jahrhunderts gemachten bahnbrechenden Erfindungen zur
Herstellung nahezu beliebig großer Mengen an vergießungsfähigem Stahl wäre es niemals zu dem
auch noch heute anhaltenden wirtschaftlichen Wachstum und technologischen Fortschritt gekommen.
Als Pionier der modernen Stahlerzeugung gilt der Engländer Benjamin HUNTSMAN. Ihm
gelang es im Jahr 1751 erstmals größere Mengen an schmelzflüssigem Stahl in speziellen Tiegeln
herzustellen – den sogenannten Tiegel- oder Gussstahl (engl. Cast oder Crucible Steel). Weitere
bedeutende Wegbereiter der modernen Stahlerzeugung folgten und sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1. Wegbereiter der modernen Stahlerzeugung (Bildquellen: Wikimedia, ETH Zürich)
Anfänge der modernen
Stahlerzeugung
Pioniere der Konverterverfahren
Pioniere der
Herdofenverfahren
„Väter“ der modernen
Stahlerzeugung
Tielgelstahlofen Bessemerkonverter Siemens-Martin-Ofen Elektrolichtbogenofen
Benjamin HUNTSMAN
(1704 - 1776)
Sir Henry
BESSEMER
(1813 - 1898)
Carl Wilhelm
SIEMENS
(1823 - 1883)
Paul Louis Toussaint
HEROULT
(1863 - 1914)
Puddelofen Thomaskonverter Siemens-Martin-Ofen Sauerstoffkonverter
Henry CORT
(1740 - 1800)
Sidney Gilchrist
THOMAS
(1850 - 1885)
Pierre-Émile
MARTIN
(1824 - 1915)
Robert DURRER
(1890 - 1978)
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4 Terminologie historischer Eisen- und Stahlwerkstoffe
Es ist zu beachten, dass in der Vergangenheit alle Eisenwerkstoffe mit Kohlenstoffgehalten von
maximal 0,22 % grundsätzlich als „Eisen“ benannt wurden. Demgegenüber werden gegenwärtig
alle Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit Kohlenstoffgehalten bis 2,06 % als Stahl bezeichnet. Dieser
Gehalt wurde gewählt, da hier die maximale Löslichkeit des Gamma-Mischkristalls (Austenit)
für dieses Element bei einer Temperatur von 1.147 °C erreicht wird (Abbildung 13). Alle Eisenwerkstoffe
mit Kohlenstoffgehalten, die diesen Wert überschreiten, zählen heute zu den Gusseisensorten.
Diese dürfen nicht mit dem Stahlguss verwechselt werden, also in Formen vergossener
schmiedbarer Stahl.
Tabelle 2. Historische und moderne Terminologie von Eisenwerkstoffen
Historischer Oberbegriff [6] Historische Definition [6] Aktueller Oberbegriff
Roheisen
Das im Hochofen aus den Erzen erzeugte
Eisen, welches leicht schmelz-,
aber nicht schmiedbar ist.
Roheisen
Gusseisen
Das mit Koks oder Kohlen umgeschmolzene,
in besondere Formen
unlegiertes Gusseisen
(GJL)
gegossene Roheisen.
Guss
Schmiedeeisen
Stahl
schmiedbarer
Eisenguss
Hartguss
Stahlguss
Schweißeisen
Flusseisen
Schweißstahl
Flussstahl
Werkzeugstahl
Nachträglich durch Glühen mit Zusätzen
verändertes Gusseisen, das sich
mit dem Hammer bearbeiten lässt.
Gusseisen, welches durch Gießen in
eiserne Gussformen an der Oberfläche
besonders hart gemacht ist.
Ein durch Zusatz von Stahlabfällen
hergestelltes Gusseisen.
Ein im teigigen Zustand gewonnenes,
schmiedbares, ‚feuerschweißbares‘,
jedoch nicht merklich härtbares Eisen.
Ein im flüssigen Zustand gewonnenes,
schmiedbares, jedoch nicht merklich
härtbares Eisen.
Ein im gleichen Zustand (wie Schweißeisen
gewonnenes, schmied-, feuerschweiß-
und merklich härtbares Material.
Ein im gleichen Zustand (wie Flusseisen)
gewonnenes, ‚schmied-‘ und
merklich härtbares Material.
Bester Stahl, der mit Chrom, Nickel und
Wolfram legiert ist.
Temperguss
(GJMW, GJMB)
Hartguss
(GJN)
unlegierter Stahlguss
(GS)
unlegierte Baustähle mit
C ≤ 0,22 %
(S)
unlegierte Vergütungsstähle,
Einsatzstähle mit
0,22 < C ≤ 0,45 %
(C)
Schnellarbeitsstahl
(HS)
Sollen historische mit modernen Stahl- und Eisenwerkstoffen verglichen werden, ist zu berücksichtigen,
dass sich die Terminologie ihrer Bezeichnung beim Übergang vom 19. zum 20. Jahrhundert
grundlegend geändert hat. Bei der Interpretation historischer Quellen in der Fachliteratur
muss somit die Gegenüberstellung von Begriffen für Legierungen des Eisens in Tabelle 2 beachtet
werden. In den nachfolgenden Ausführungen sollen in diesem Zusammenhang nur die aktuell
verwendeten Bezeichnungen zur Anwendung kommen.
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Das in Tabelle 2 aufgeführte System zur Einteilung von Eisen- und Stahlwerkstoffen basiert auf
den Vorschlägen der „Technischen Commission des Vereins Deutscher Eisenbahn-Verwaltungen“
aus dem Jahr 1877 [7]. Gemäß diesem wurde vorgeschlagen, diese Werkstoffe wie folgt zu unterteilen:
A. Bessemer-Stahl, Gussstahl, Martin-Stahl
als Constructions-Material z. B. für Eisenbahnschienen, Achsen, Radreifen u. s. w.
Qualität I
mit drei Unterabtheilungen
a) hart b) mittel c) weich
Minimal-Zerreissungsfestigkeit
Kilogramm pro Quadratcentimeter 6500 5500 4500
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts
in Procenten des ursprünglichen
Querschnitts als Mass der
Zähigkeit 25 35 45
Qualität II
mit zwei Unterabtheilungen
a) härtere Sorte c) weichere Sorte
Minimal-Zerreissungsfestigkeit
Kilogramm pro Quadratcentimeter 5500 4500
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts
in Procenten des ursprünglichen
Querschnitts als Mass der
Zähigkeit 20 30
B. Stabeisen
Qualität I
Minimal-Zerreissungsfestigkeit 3800 K pro Quadratcentimeter.
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts in Procenten des ursprünglichen Querschnitts
als Mass der Zähigkeit ............................................................................................... 40 pCt.
Qualität II
Minimal-Zerreissungsfestigkeit 3500 K pro Quadratcentimeter.
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts in Procenten des ursprünglichen Querschnitts
als Mass der Zähigkeit ............................................................................................... 25 pCt.
C. Eisenblech
Qualität I
a) in der Walzrichtung
Minimal-Zerreissungsfestigkeit 3600 K pro Quadratcentimeter.
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts in Procenten des ursprünglichen Querschnitts
als Mass der Zähigkeit ............................................................................................... 25 pCt.
b) quer zur Walzrichtung
Minimal-Zerreissungsfestigkeit 3200 K pro Quadratcentimeter.
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts in Procenten des ursprünglichen Querschnitts
als Mass der Zähigkeit ............................................................................................... 15 pCt.
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Qualität II
a) in der Walzrichtung
Minimal-Zerreissungsfestigkeit 3300 K pro Quadratcentimeter.
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts in Procenten des ursprünglichen Querschnitts
als Mass der Zähigkeit ............................................................................................... 15 pCt.
b) quer zur Walzrichtung
Minimal-Zerreissungsfestigkeit 3000 K pro Quadratcentimeter.
Minimal-Zusammenziehung des Zerreissungsquerschnitts in Procenten des ursprünglichen Querschnitts
als Mass der Zähigkeit ................................................................................................. 9 pCt.
Eine Übersicht ausgewählter mechanisch-technologischer Eigenschaften von bis Anfang der
1920er Jahren gebräuchlichen Eisen- und Stahlwerkstoffen ist nach FOERSTER [8] in Tabelle 3
und Tabelle 4 zusammengestellt.
Tabelle 3. Mechanisch-technologische Eigenschaften typischer Altstähle und Eisenwerkstoffe [8]
Werkstoffart Einheit Gußeisen Schweißeisen Flußeisen Flußstahl
Elastizitätsmaß kg/cm² 1.000.000 2.000.000 2.150.000 2.200.000
Gleitmaß
Elastizitätsgrenze
Proportionaltätsgrenze
Streck- und
Quetschgrenze
bei Zug kg/cm² 660 1.300 - 1.700 2.000 - 2.400 2.400
bei Druck kg/cm² 1.500 - 1.900
kg/cm²
290.000 -
400.000
770.000 830.000 850.000
kg/cm² --- 1.300 1.800 2.500 - 5.000
kg/cm² ---
> 1.800 (2.200 > 2.000 (2.500
- 2.800) - 3.000)
>10 - 12 (-20) > 15 (-25)
> 2.800
Dehnung % ---
> 10 (-22)
Blech > 7 Blech > 18
Zugfestigkeit kg/cm² 1.200 - 1.800 3.300 - 4.000 3.400 - 4.500 > 4.500 - 8.000
7.000 - 8.500 > 2.200 > 2.500 > 2.800 (weich)
Druckfestigkeit
kg/cm²
> 4.500 (weich)
Schubfestigkeit kg/cm² 1.100 - 1.100 > 2.000 > 3.200 > 4.000 (hart)
1.000 - 1.200
bei Zug kg/cm² 250 800 - 1.000
1.200
(1.400)
zulässige Beanspruchung
bei Druck kg/cm² 500 - 800 750 - 1.000
1.200
1.000 - 1.200
(1.400)
bei Schub kg/cm² 200 600 - 800 800 - 1.000 1.000
Tabelle 4. Mechanisch-technologische Eigenschaften von historischen Nickelstählen [8]
Werkstoffart Einheit Nickelstahl Nickelflußeisen
Elastizitätsmaß kg/cm² 2.090.000 ---
Elastizitätsgrenze kg/cm² 4.000 - 5.000 3.500
Proportionaltätsgrenze kg/cm² 3.400 ---
Streck- und Quetschgrenze kg/cm² 3.000 - 3.850 1.100 - 3.000
Zugfestigkeit kg/cm² 6.000 - 7.000 5.000
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