Kohlenstoffstahl – Arten, Vor- und Nachteile
Kohlenstoffstähle sind Stahlsorten mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 2,1 Gewichtsprozent. Kohlenstoffstahl enthält keine Mindestmenge an anderen Legierungselementen wie Chrom, Kobalt, Molybdän oder Wolfram. Dennoch enthält er häufig Mangan. Der maximale Mangangehalt im Metall darf jedoch 1,65 Gewichtsprozent nicht überschreiten. Außerdem darf der Anteil an Silizium und Kupfer nicht mehr als 0,6 Gewichtsprozent betragen.
Mit dem Anstieg des Kohlenstoffgehalts im Stahl nimmt die Härte des Werkstücks zu. Die Schweißbarkeit und Duktilität nimmt jedoch mit steigendem Kohlenstoffgehalt ab.
Arten von Kohlenstoffstahl
Kohlenstoffstahlsorten werden nach ihrem Kohlenstoffgehalt in die drei Typen kohlenstoffarmer Stahl, Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt eingeteilt. Die verschiedenen Sorten lassen sich anhand ihres Kohlenstoffgehalts, ihres Gefüges und ihrer Eigenschaften unterscheiden:
| Kohlenstoffgehalt nach Gewicht in % | Mikrogefüge | Eigenschaften | |
| Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (AISI 304, ASTM A815, AISI 316L) | < 0,25 | Ferrit, Perlit | Geringe Härte, Kosten. Hohe Duktilität, Zähigkeit, Bearbeitbarkeit, Schweißbarkeit. |
| Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (AISI 409, ASTM A29, SCM435) | 0,25 – 0,60 | Martensit | Geringe Härtbarkeit. Mittlere Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit. |
| Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (AISI 440C, EN 10088-3) | 0,60 – 1,25 | Perlit | Hohe Härte, Festigkeit. Geringe Duktilität. |
Kohlenstoffstahlsorten mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 1,25 Gewichtsprozent werden als ultrahochgekohlte Stähle bezeichnet. Diese Stahlsorten werden vor allem für nicht-industrielle Zwecke verwendet, z. B. für Messer, Achsen oder Stanzen. Diese Stahlsorten können auf große Härte angelassen werden.
Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt
Da kohlenstoffarme Stähle nicht durch Wärme gehärtet werden können, wird das Metall in der Regel durch Kaltbearbeitung behandelt. Außerdem weist das Material eine geringe Festigkeit und Härte auf, obwohl die Eigenschaften durch Aufkohlung verbessert werden können. Dagegen weisen Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eine hohe Duktilität und Zähigkeit auf. Ein weiterer Vorteil von Kohlenstoffstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist, dass er billig ist und zudem leicht umformbar. Sie sind durch einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,25 Gewichtsprozent gekennzeichnet. Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist die am häufigsten verwendete Kohlenstoffstahlsorte. Zudem wird diese Sorte auch als Baustahl bezeichnet.
Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt werden häufig in der Autoindustrie verwendet. Weitere Anwendungen sind:
- Strukturelle Formen
- Rohre
- Bauwesen
- Brückenbauteile
Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt
Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt zeichnet sich durch ein martensitisches Gefüge aus, das durch Wärmebehandlung und anschließendes Vergüten erreicht wird. Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,25 und 0,65 Gewichtsprozent. Zudem liegt der Mangangehalt zwischen 0,60 und 1,65 Gewichtsprozent.
Im Gegensatz zu Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt können Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wärmebehandelt werden, allerdings nur in dünnen Abschnitten. Durch den Zusatz von Legierungselementen wie Chrom, Nickel oder Molybdän kann die Fähigkeit dieser Stahlsorten zur Wärmebehandlung verbessert werden.
Im Vergleich zu kohlenstoffarmen Stählen weisen die mittleren Stahlsorten eine höhere Festigkeit auf. Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zeichnet sich jedoch durch eine höhere Duktilität und Zähigkeit aus.
Aufgrund der Kombination aus hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit werden Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt für Eisenbahnschienen verwendet. Weitere Anwendungen sind:
- Eisenbahnräder
- Kurbelwellen
- Maschinenbauteile
Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt
Der Kohlenstoffgehalt von hochgekohlten Stählen liegt zwischen 0,60 und 1,25 Gewichtsprozent. Diese Stahlsorten weisen die höchste Härte und Zähigkeit aller Stahlsorten auf. Obendrein haben sie die geringste Duktilität. In den meisten Fällen werden kohlenstoffreiche Stähle gehärtet und angelassen. Dadurch sind sie sehr verschleißfest. Dies macht kohlenstoffreichen Stahl zu einem idealen Werkstoff für die Herstellung von Schneidwerkzeugen.
Vor- und Nachteile von Kohlenstoffstahl
Im Vergleich zu anderen Werkstoffen weist Kohlenstoffstahl viele Vorteile auf:
- Kohlenstoffstahl ist extrem langlebig. Die Stoßfestigkeit macht solche Stahlsorten sehr beliebt für die Bauindustrie.
- Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Bränden, Erdbeben und Wirbelstürmen macht Kohlenstoffstahl zu einem hervorragenden Material für den Bau von Wohnungen und Häusern.
- Die Tatsache, dass Kohlenstoffstahl sehr leicht zu recyceln ist, macht ihn umweltfreundlich.
- Im Vergleich zu anderen Materialien, kann Kohlenstoffstahl sehr dünn hergestellt werden. Daher ist er sehr kosteneffizient.
Auf der anderen Seite gibt es jedoch auch einige Nachteile. Aufgrund der geringen Schweißbarkeit kann es schwierig sein, Kohlenstoffstahl zu verarbeiten. Zusätzlich weisen andere Stahlsorten oft eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf.
Unterschiede zwischen rostfreiem Stahl und Kohlenstoffstahl
Beide Stahlsorten enthalten Eisen. Der Kohlenstoffgehalt ist jedoch unterschiedlich hoch, was sich in unterschiedlichen Schmelzpunkten, Festigkeiten und Schweißbarkeit niederschlägt. Darüber hinaus hat nichtrostender Stahl einen hohen Chromgehalt, der Korrosion verhindert. Aufgrund seines glänzenden Aussehens wird rostfreier Stahl oft dekorativ im Bauwesen eingesetzt, während Kohlenstoffstahl meist im Verborgenen bleibt.
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