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Vom Material der industriellen Revolution zur modernen Modeikone – Teil 1: Die Geschichte und Entwicklung von Edelstahl als Metallwerkstoff

Von amyZ

From Material of the Industrial Revolution to Modern Fashion Icon--Part one: The History and Evolution of Stainless Steel as a Metal Material
Vorwort
Im weiten Feld der Materialwissenschaft ist Edelstahl aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und seines Stils zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Industrie und des Modedesigns geworden. Von der industriellen Revolution des frühen 20. Jahrhunderts bis hin zu zeitgenössischen Modetrends hat Edelstahl nicht nur technologische Fortschritte miterlebt, sondern ist auch zu einem bedeutenden Symbol der menschlichen Zivilisation geworden. Diese Artikelserie befasst sich eingehend mit der Entwicklung von Edelstahl, seiner Anwendung und Entwicklung in der Uhrmacherei sowie seiner historischen Entwicklung als Modeelement.
Teil Eins: „Die Geschichte und Entwicklung von Edelstahl als Metallwerkstoff“
Dieser Artikel untersucht die Ursprünge von Edelstahl und seine Entwicklung von einer experimentellen Legierung zu einem wichtigen Werkstoff in der modernen Industrie. Wir betrachten die frühe Entwicklung von Edelstahl, analysieren, wie technologische Durchbrüche seine breite Anwendung in verschiedenen Industriezweigen vorangetrieben haben, und diskutieren seine Klassifizierung und Eigenschaften.
Zweiter Teil: „Anwendung und Entwicklung von Edelstahl in der Uhrmacherei“
In der Uhrmacherei ist die Verwendung von Edelstahl besonders wichtig. Dieser Artikel untersucht die Bedeutung von Edelstahl in der Uhrenherstellung, einschließlich der Frage, wie seine Eigenschaften den Anforderungen der Präzisionsfertigung gerecht werden und wie technologische Innovationen die Diversifizierung und hohe Leistungsfähigkeit von Edelstahluhren fördern. Darüber hinaus analysiert der Artikel die Akzeptanz und Präferenzen der Verbraucher für Edelstahluhren sowie die Chancen und Herausforderungen, die sich für Edelstahluhren in Zukunft ergeben.
Dritter Teil: „Vom Gebrauchsgegenstand zur Mode: Die historische Entwicklung der Edelstahluhren“
Edelstahluhren sind nicht nur Gebrauchsgegenstände, sondern auch Modesymbole. Dieser Artikel untersucht, wie sich Edelstahluhren vom einfachen Funktionsprodukt zum Modeaccessoire entwickelt haben. Er analysiert, wie die Verschmelzung von Design und Technik das klassische Bild von Edelstahluhren geprägt hat, und untersucht ihre Rolle in verschiedenen Kulturen und Märkten. Darüber hinaus wird untersucht, wie technologische Fortschritte und Designinnovationen gemeinsam die kontinuierliche Entwicklung der Edelstahluhrenindustrie vorantreiben.

Die Geschichte und Entwicklung von Edelstahl als Metallwerkstoff

Dieser Artikel untersucht die Ursprünge von Edelstahl und seine Entwicklung von einer experimentellen Legierung zu einem wichtigen Werkstoff der modernen Industrie. Wir betrachten die frühe Entwicklung von Edelstahl, analysieren, wie technologische Durchbrüche seine breite Anwendung in verschiedenen Industriezweigen vorangetrieben haben, und diskutieren Klassifizierungen, Eigenschaften, Umweltauswirkungen und nachhaltige Entwicklungsstrategien von Edelstahl. Abschließend werfen wir einen Blick auf die potenziellen Anwendungen von Edelstahl in neuen Technologien und seine zukünftigen Entwicklungstrends.

Einführung

Für die Entwicklung der menschlichen Zivilisation hat die Entwicklung der Materialwissenschaften stets eine entscheidende Rolle gespielt. Edelstahl, eine Legierung mit außergewöhnlicher Korrosionsbeständigkeit und bemerkenswerter Festigkeit, hat unsere Welt seit seiner Entdeckung im frühen 20. Jahrhundert revolutioniert. Von der industriellen Produktion bis zum Alltag ist Edelstahl allgegenwärtig. Seine Entwicklungsgeschichte stellt nicht nur einen Meilenstein in der Materialwissenschaft dar, sondern spiegelt auch den modernen industriellen Fortschritt wider.

Frühe Entwicklung

1. Eisen, Stahl und Edelstahl

Eisen (chemisches Symbol: Fe), abgeleitet vom lateinischen Wort „Ferrum“, ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 26 und einem Atomgewicht von 55,845 u. Es gehört zur ersten Reihe der Übergangselemente in Gruppe 8 des Periodensystems. Eisen ist das massereichste Element in der Erdkruste und macht einen erheblichen Anteil sowohl des äußeren als auch des inneren Erdkerns aus. Es ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste. Eisenerz
Reines Eisen ist in der Erdkruste selten und kommt hauptsächlich in Meteoriten vor. Eisenerzvorkommen sind zwar reichlich vorhanden, doch zur Gewinnung von nutzbarem Eisenmetall sind Temperaturen von über 1500 °C erforderlich – 500 °C höher als die zum Schmelzen von Kupfer erforderliche Temperatur. Die Eisenverhüttung begann um 2000 v. Chr. in Eurasien und ersetzte in einigen Regionen um 1200 v. Chr. allmählich Kupferlegierungen. Dies markierte den Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und ihres geringen Preises sind Eisenlegierungen wie Stahl, Edelstahl und legierter Stahl bis heute die am häufigsten verwendeten Industriemetalle.
Reine Eisenoberflächen weisen eine silbergraue, spiegelähnliche Farbe auf. Eisen reagiert jedoch leicht mit Sauerstoff und Wasser und bildet braunes oder schwarzes Eisenoxidhydrat, allgemein bekannt als Rost. Im Gegensatz zu den Oxiden anderer Metalle, die das Metall passivieren können, hat Rost ein größeres Volumen als das ursprüngliche Eisen, wodurch er abblättert und neue Oberflächen weiterer Korrosion ausgesetzt werden. Trotz seiner Reaktivität weist elektrolytisch hergestelltes hochreines Eisen eine gute Korrosionsbeständigkeit auf.
Stahl, auch Stahleisen genannt, ist eine Legierung aus Eisen und anderen Elementen, meist Kohlenstoff, und zählt heute zu den am häufigsten verwendeten Metallwerkstoffen. Der Kohlenstoffgehalt liegt typischerweise zwischen 0,02 % und 2,0 % des Stahlgewichts, je nach Stahlsorte. Weitere Legierungselemente können Mangan, Chrom, Vanadium und Wolfram sein.
Die Zugabe von Nickel und Mangan erhöht die Festigkeit des Stahls und stabilisiert seine austenitischen Eigenschaften, während die Zugabe von Chrom die Härte und den Schmelzpunkt erhöht. Die Zugabe von Vanadium erhöht ebenfalls die Härte und verringert gleichzeitig die Auswirkungen der Metallermüdung. Um Korrosion zu verhindern, sind mindestens 11 % Chrom erforderlich, das auf der Oberfläche eine harte Oxidschicht bildet; diese Legierung wird als rostfreier Stahl bezeichnet. kalte Waffe
Edelstahl ist eine Stahlsorte, die für ihre Korrosionsbeständigkeit bekannt ist. Er enthält typischerweise Chrom und andere Legierungselemente. Die Zugabe von Chrom bildet einen dichten Oxidfilm, der weitere Oxidation und Korrosion der Stahloberfläche verhindert. Edelstahl zeichnet sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Ästhetik und Langlebigkeit aus und wird daher in verschiedenen Bereichen eingesetzt.

2. Der lange Weg vom Stahl zum Edelstahl

Die ältesten bekannten Stahlartefakte stammen aus der Zeit vor etwa viertausend Jahren. Ein solches Artefakt wurde an der Ausgrabungsstätte Kaman-Kalehoyuk in Anatolien (Türkei) ausgegraben. Weitere antike Stahlartefakte wurden in Ostafrika gefunden und stammen aus der Zeit um 1400 v. Chr. Ritter und Schwert
Im 4. Jahrhundert v. Chr. wurden auf der Iberischen Halbinsel Stahlwaffen hergestellt, die der iberischen Falcata ähnelten, während das römische Militär in Noricum hergestellte Stahlwaffen verwendete.
Während der Zeit der Streitenden Reiche (403–221 v. Chr.) wurde in China das Abschrecken zum Härten von Stahl eingesetzt. In der Han-Dynastie (202 v. Chr. – 220 n. Chr.) wurde Stahl durch das gemeinsame Schmelzen von Schmiedeeisen und Gusseisen hergestellt. Diese Technik führte im 1. Jahrhundert n. Chr. zur Herstellung von mittelhartem Kohlenstoffstahl.
Vor fast 2.000 Jahren erfand das ostafrikanische Volk der Haya einen Hochtemperaturofen, mit dem sie Kohlenstoffstahl bei Temperaturen von bis zu 1.802 °C schmieden konnten.
Die Forschung zur Herstellung korrosionsbeständigen Stahls reicht bis ins frühe 19. Jahrhundert zurück. Frühe Experimente konzentrierten sich vor allem auf die Verbesserung der chemischen Zusammensetzung und der Verarbeitungstechniken von Stahl, um dessen Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.
Im späten 19. Jahrhundert begannen der britische Forscher Harry Brearley und andere mit der systematischen Erforschung von legiertem Stahl, um einen rostbeständigen Stahl zu entwickeln. 1913 gelang es Brearley, eine Stahlsorte mit 13 % Chrom herzustellen, die als „rostfreier Stahl“ bezeichnet wurde. Diese Entdeckung gilt als Meilenstein in der Geschichte des rostfreien Stahls.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts machten auch einige österreichische Wissenschaftler Fortschritte bei der Erforschung von Edelstahl. 1912 entwickelte Max Mauermann Edelstahl mit 18 % Chrom und 8 % Nickel, der als der früheste Typ von 18-8-Edelstahl gilt.

Technologische Durchbrüche und industrielle Anwendungen

Mit der Weiterentwicklung der Forschung und Anwendung von Edelstahl erlebten Produktion und Verwendung von Edelstahl ab Mitte des 20. Jahrhunderts ein rasantes Wachstum. Stahlwerke und Forschungseinrichtungen verbesserten kontinuierlich die Rezeptur und die Herstellungsverfahren von Edelstahl, was zu seiner zunehmenden Verbreitung in verschiedenen Bereichen führte, darunter Bauwesen, Lebensmittelverarbeitung, chemische Industrie, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt usw. Es gibt zahlreiche moderne Edelstahlsorten, deren Legierungszusammensetzung und Verarbeitungstechniken je nach Anwendungsbedarf angepasst werden können, um unterschiedlichen Leistungsanforderungen gerecht zu werden.

Klassifizierung und Merkmale

1. Klassifizierung nach Kristallstruktur

Edelstahl wird anhand seiner Kristallstruktur in fünf Hauptkategorien eingeteilt: austenitischer Edelstahl (A1, A2, A3, A4, A5), ferritischer Edelstahl (F1), martensitischer Edelstahl (C1, C4, C3), Duplex-Edelstahl und ausscheidungsgehärteter Edelstahl. Jede Edelstahlart verfügt über einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Beispielsweise wird austenitischer Edelstahl aufgrund seiner hervorragenden Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig für Küchengeschirr und medizinische Instrumente verwendet, während martensitischer Edelstahl aufgrund seiner hohen Festigkeit und Härte häufig zur Herstellung von Werkzeugen verwendet wird.
Austenitischer Edelstahl: Enthält 16–26 % Chrom und weniger als 35 % Nickel. Er weist typischerweise die höchste Korrosionsbeständigkeit auf und ist nicht magnetisch. Gängige Typen sind 304L, 316L, 904L usw. Schnellkochtopf aus Edelstahl
Ferritischer Edelstahl: Enthält 10,5–27 % Chrom und kein Nickel. Er wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gering sind, beispielsweise im Bauwesen und in der Fahrzeugdekoration. Gängige Typen sind 434, 441 usw.
Martensitischer Edelstahl: Enthält typischerweise 11,5–18 % Chrom und weniger als 1,2 % Kohlenstoff, manchmal auch Nickel. Er kann durch Wärmebehandlung gehärtet werden und wird für Besteck, chirurgische Instrumente, Schraubenschlüssel, Turbinen usw. verwendet. Gängige Typen sind 416, 420, 431 usw. Schraubenschlüssel
Duplex-Edelstahl: Eine Mischung aus austenitischem und ferritischem Edelstahl mit einem Mikrostrukturverhältnis von etwa 50:50. Er weist eine bessere Chloridkorrosionsbeständigkeit auf als austenitischer Edelstahl. Gängige Typen sind 2205, 2507 usw.
Ausscheidungsgehärteter Edelstahl: Hat eine austenitische oder martensitische Matrix und kann durch Ausscheidungshärtung gehärtet werden. Gängige Typen sind 17-4PH, 15-5PH usw.

2. Klassifizierung nach Stahlsorte

SAE-Stahlsorten sind ein von der Society of Automotive Engineers entwickeltes Stahlnummernsystem. Die Serien 200, 300, 400, 500 und 600 werden üblicherweise bei Edelstahlsorten verwendet.
- Serie 200: Austenitischer Chrom-Nickel-Mangan-Edelstahl.
- Serie 300: Austenitischer Chrom-Nickel-Edelstahl. Gängige Typen sind 301, 304, 316 usw.
  1. 301: Gute Duktilität, geeignet für Formprodukte. Kann durch mechanische Bearbeitung schnell gehärtet werden. Hervorragende Schweißbarkeit. Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit sind denen von Edelstahl 304 überlegen und werden unter anderem für Federn, Stahlkonstruktionen und Radkappen verwendet.
  2. 302: Korrosionsbeständigkeit ähnlich wie 304, jedoch mit höherem Kohlenstoffgehalt, was zu einer besseren Festigkeit führt.
  3. 303: Durch die Zugabe kleiner Mengen Schwefel und Phosphor lässt es sich leichter bearbeiten als 304.
  4. 304: Hauptsächlich in zwei Ausführungen erhältlich: Edelstahl 18 % Chrom / 8 % Nickel und Edelstahl 18 % Chrom / 10 % Nickel. Wird in Produkten wie korrosionsbeständigen Behältern, Besteck, Möbeln, Geländern und medizinischen Geräten verwendet. Die Standardzusammensetzung ist 18 % Chrom und 8 % Nickel. 304 ist nicht magnetisch, kann aber nach der Verarbeitung bei hohem Verunreinigungsgrad gelegentlich schwach magnetisiert sein. Dieser schwache Magnetismus kann nur durch Wärmebehandlung beseitigt werden. 304 gehört zu den rostfreien Stählen, deren Mikrostruktur durch Wärmebehandlung nicht verändert werden kann.
  5. 304L: Hat die gleichen Eigenschaften wie 304, jedoch einen geringeren Kohlenstoffgehalt, wodurch es korrosionsbeständiger und leichter wärmebehandelbar ist. Seine mechanischen Eigenschaften sind jedoch schlechter, weshalb es sich für geschweißte und weniger wärmebehandelte Produkte eignet.
  6. 304N: Hat die gleichen Eigenschaften wie 304. Es handelt sich um stickstoffhaltigen Edelstahl. Stickstoff wird hinzugefügt, um die Festigkeit des Stahls zu verbessern.
  7. 309: Es hat eine bessere Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu 304.
  8. 309s: Dank des höheren Chrom- und Nickelanteils weist es eine hervorragende Hitze- und Oxidationsbeständigkeit auf. Es wird in Produkten wie Wärmetauschern, Kesselkomponenten und Düsentriebwerken verwendet.
  9. 310s: Enthält den höchsten Chrom- und Nickelgehalt und bietet die beste Hitze- und Oxidationsbeständigkeit, sodass es für Anwendungen wie Wärmetauscher, Kesselkomponenten und elektrische Geräte geeignet ist.
  10. 316: Nach 304 ist es die am zweithäufigsten verwendete Stahlsorte und wird hauptsächlich in der Lebensmittelindustrie und für chirurgische Instrumente eingesetzt. Der Zusatz von Molybdän verleiht ihm eine besonders korrosionsbeständige Struktur. Aufgrund seiner im Vergleich zu 304 höheren Beständigkeit gegen Chloridkorrosion wird er auch als „Marinestahl“ verwendet. SS316 wird typischerweise in Anlagen zur Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen eingesetzt. Auch Edelstahlsorten mit der Zusammensetzung 18/10 erfüllen diese Anwendungsstufe. Er eignet sich besonders für korrosive Umgebungen wie Chemieanlagen, Küstengebiete, Schiffbau und Baumaterialien. U-Boot
  11. 316L: Aufgrund seines geringen Kohlenstoffgehalts ist es korrosionsbeständiger und leichter wärmebehandelbar. Es wird in Produkten wie chemischen Verarbeitungsanlagen, Kernkraftwerken und kryogenen Lagertanks verwendet.
  12. 321: Abgesehen von der Reduzierung des Risikos einer Schweißnahtkorrosion durch die Zugabe von Titanelementen sind seine weiteren Eigenschaften denen von 304 ähnlich. Es eignet sich zum Schweißen von Brauanlagen, Dampfleitungen und Luft- und Raumfahrtkomponenten. Raumstation
  13. 347: Zugabe des stabilisierenden Elements Niob, geeignet zum Schweißen von Luft- und Raumfahrtkomponenten und chemischen Geräten.
- Serie 400: Ferritischer und martensitischer Edelstahl. Gängige Typen sind 409, 410, 420, 430 usw.
  1. 408: Gute Hitzebeständigkeit, schwache Korrosionsbeständigkeit, 11 % Cr, 8 % Ni.
  2. 409: Neben der Zugabe von Titan zur Verringerung des Risikos einer Schweißnahtkorrosion ist dies der wirtschaftlichste Typ (in Großbritannien und den USA), der üblicherweise für Autoauspuffrohre verwendet wird. Er gehört zu den ferritischen Edelstahlsorten (Chromstahl), ist zum Schweißen geeignet, kostengünstig und wird in Autoauspuffrohren und Erdölanlagen verwendet.
  3. 410: Martensitischer (hochfester Chromstahl), gute Verschleißfestigkeit, geringe Korrosionsbeständigkeit, geeignet für Pumpen. Seine chemische Zusammensetzung enthält 13 % Chrom, weniger als 0,15 % Kohlenstoff und geringe Mengen anderer Legierungselemente. Die Rohstoffpreise sind relativ günstig, magnetisch und können durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Typische Anwendungen sind Lager, medizinische Geräte und Messer.
  4. 416: Durch die Zugabe von Schwefel wird die Bearbeitbarkeit des Materials verbessert.
  5. 420: Enthält mehr Kohlenstoff, ist härter und fester, martensitischer Edelstahl in Klingenqualität, ähnlich dem Brearley-Stahl, dem ersten Edelstahl, der vom britischen Metallurgen Harry Brearley entwickelt wurde. Er ermöglicht ein sehr glänzendes Finish und ist für Messer, Federn, chirurgische Instrumente, Rasierklingen und Ventile geeignet.
  6. 430: Ferritischer Edelstahl, dekorativ, magnetisch, wird für Autoverzierungen verwendet. Gute Formbarkeit, aber geringe Hitze- und Korrosionsbeständigkeit, geeignet für Befestigungselemente, Besteck und Möbel. Die chemische Standardzusammensetzung beträgt 16–18 % Chrom bei niedrigem Kohlenstoffgehalt. Diese Edelstahlsorte ist magnetisch.
  7. 434: Enthält Molybdän und ist daher korrosionsbeständiger als 430. Geeignet für Besteck, Scheibenwischer und Autodekoration.
  8. 440: Hochfester Klingenstahl mit etwas höherem Kohlenstoffgehalt. Nach entsprechender Wärmebehandlung erreicht er eine höhere Streckgrenze, die Härte erreicht bis zu 58 HRC und zählt zu den härtesten rostfreien Stählen. Das häufigste Anwendungsbeispiel sind Rasierklingen. Es gibt drei gängige Typen: 440A, 440B, 440C und 440F (leicht zu verarbeiten).
- 500er-Serie: Hitzebeständiger Chromlegierungsstahl.
- 600er-Serie: Martensitischer ausscheidungsgehärteter Edelstahl. Gängige Typen sind 630 (17-4PH) usw.
Edelstahl -904L ist ein kohlenstoffarmer, hochlegierter austenitischer Edelstahl für den Einsatz in korrosiven Umgebungen. Er weist eine hervorragende Beständigkeit gegen Schwefelsäure und andere korrosive Einflüsse auf und eignet sich daher für verschiedene Anwendungen, einschließlich Druckbehältern.

Abschluss

Edelstahl hat eine reiche Evolutionsgeschichte hinter sich und hat sich von antiken Stahlartefakten zu den hochentwickelten Legierungen entwickelt, die wir heute verwenden. Seine vielfältigen Klassifizierungen decken unzählige Anwendungsbereiche in verschiedenen Branchen ab, vom Bauwesen über die Medizin und die Luftfahrt bis hin zur Kochkunst. In der Uhrmacherei ist Edelstahl aufgrund seiner Langlebigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ästhetik ein bevorzugtes Material.
Nächster Abschnitt: Anwendung und Entwicklung von Edelstahl in der Uhrmacherei.

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