Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl ( USA ) bzw. unlegierter Stahl (Europa) ist ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,05 bis 2,1 Gewichtsprozent. Die Definition von Kohlenstoffstahl des American Iron and Steel Institute (AISI) lautet:

• Es ist kein Mindestgehalt an Chrom , Kobalt , Molybdän , Nickel , Niob , Titan , Wolfram , Vanadium , Zirkonium oder anderen Elementen vorgeschrieben oder erforderlich, die zur Erzielung eines gewünschten Legierungseffekts hinzugefügt werden sollen .
• Der festgelegte Mindestgehalt an Kupfer beträgt höchstens 0,40 %, oder
• Der maximal zulässige Gehalt an keinem der folgenden Elemente überschreitet die angegebenen Prozentsätze: Mangan 1,65 %, Silicium 0,60 %, Kupfer 0,60 %. ^{[ 1 ]}

Die Zugabe signifikanter Mengen anderer Metalle wie Nickel, Chrom, Vanadium und Molybdän verändert die Werkstoffdefinition von Kohlenstoffstahl zu legiertem Stahl .

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt kann Stahl durch Wärmebehandlung härter und fester werden ; allerdings nimmt seine Duktilität ab . Unabhängig von der Wärmebehandlung verschlechtert ein höherer Kohlenstoffgehalt die Schweißbarkeit . Bei Kohlenstoffstählen senkt ein höherer Kohlenstoffgehalt den Schmelzpunkt. ^{[ 2 ]}

Hochkohlenstoffstahl hat viele Verwendungszwecke, vor allem dort, wo mittlere Festigkeit und niedrige Materialkosten entscheidend sind. Dazu gehören: hochfeste Stahldrähte, Federn, Bolzen, Garten- und Landwirtschaftsgeräte, Holzmeißel und Äxte.

Kohlenstoffstahl wird üblicherweise in zwei Hauptkategorien unterteilt: kohlenstoffarmer und kohlenstoffreicher Stahl. Er kann auch andere Elemente wie Mangan, Phosphor, Schwefel und Silizium enthalten, die seine Eigenschaften beeinflussen. Kohlenstoffarmer Stahl lässt sich gut bearbeiten und schweißen und ist daher vielseitig einsetzbar und für verschiedene Anwendungen geeignet, die eine angemessene Festigkeit und geringe Materialkosten erfordern, wie z. B. Karosserieteile, Fußgängerbrücken, Handläufe, Gartenmöbel/Parkbänke, Nägel, Tore usw. Kohlenstoffreicher Stahl ist weniger gut bearbeitbar und deutlich weniger gut zum Schweißen geeignet, kann aber durch Wärmebehandlung seine Festigkeit, Härte und Haltbarkeit verbessern.

Kohlenstoffstahl ist anfällig für Rost und Korrosion, insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und/oder Salzgehalt. Er kann durch Beschichtung mit Farbe, Lack oder anderen Schutzmaterialien vor Korrosion geschützt werden. Alternativ kann er aus einer chromhaltigen Edelstahllegierung hergestellt werden, die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bietet. Kohlenstoffstahl kann mit anderen Elementen legiert werden, um seine Eigenschaften zu verbessern, beispielsweise durch die Zugabe von Chrom und/oder Nickel zur Verbesserung der Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit oder durch die Zugabe von Molybdän zur Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit bei hohen Temperaturen.

Baustahl (Eisen mit einem geringen Kohlenstoffanteil, fest und zäh, aber nicht gut vergütbar), auch als unlegierter Stahl oder kohlenstoffarmer Stahl bekannt, ist heute die gebräuchlichste Stahlsorte, da er relativ günstig ist und gleichzeitig für viele Anwendungen akzeptable Materialeigenschaften bietet. Baustahl enthält etwa 0,05–0,30 % Kohlenstoff ^{[ 1 ]} , wodurch er formbar und duktil ist. Er besitzt eine relativ geringe Zugfestigkeit, ist aber kostengünstig und gut umformbar. Die Oberflächenhärte kann durch Aufkohlen erhöht werden . ^{[ 3 ]}

Die Dichte von Baustahl beträgt ungefähr 7,85 g/cm³ ⁽ 7850 kg/m³ ^; 0,284 lb/cu in) ^{[ 4 ]} und der Elastizitätsmodul 200 GPa (29 × 10⁶ ^psi  ). ^{[ 5 ]}^

Niedriggekohlte Stähle ^{[ 6 ]} weisen ein Streckgrenzen-Auslaufverhalten auf , bei dem das Material zwei Streckgrenzen besitzt . Die erste Streckgrenze (oder obere Streckgrenze) liegt höher als die zweite, und die Streckgrenze fällt nach Überschreiten der oberen Streckgrenze drastisch ab. Wird ein niedriggekohlter Stahl nur bis zu einem Punkt zwischen der oberen und der unteren Streckgrenze beansprucht, bilden sich an der Oberfläche Lüder-Bänder . ^{[ 7 ]} Niedriggekohlte Stähle enthalten weniger Kohlenstoff als andere Stähle und lassen sich leichter kaltverformen, was ihre Handhabung erleichtert. ^{[ 3 ]} Typische Anwendungsgebiete für niedriggekohlten Stahl sind Autoteile, Rohre, Baukonstruktionen und Konservendosen. ^{[ 8 ]}

Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt über ca. 0,3 % können durch Wärmebehandlung hinsichtlich ihrer Härte und Zugfestigkeit verändert werden. Erhitzen auf etwa 850 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen/Abschrecken in Wasser oder Öl, erhöht zwar Härte und Zugfestigkeit, verringert aber gleichzeitig die Verformbarkeit, erhöht die Sprödigkeit und macht Brüche deutlich wahrscheinlicher. Um diese Sprödigkeitsprobleme zu reduzieren und gleichzeitig hohe Härte- und Zugfestigkeitswerte zu erzielen , werden niedrig- oder mittelgekohlte Stähle mit anderen Metallen legiert. Auch diese legierten Stähle benötigen eine spezielle Wärmebehandlung, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Der Zielkonflikt zwischen Zugfestigkeit /Härte und Verformbarkeit bleibt bestehen, ist aber im Vergleich zu niedriglegiertem Kohlenstoffstahl deutlich geringer ausgeprägt. Zu den Legierungsbestandteilen gehören Chrom , Molybdän , Silizium , Mangan , Nickel und Vanadium . Die relative Seltenheit und die hohen Kosten dieser Metalle im Vergleich zu Eisen schränken ihre Verwendung hauptsächlich ein.

• 41xx Stahl
  • 4140 Stahl
  • 4145 Stahl
• 4340 Stahl
  • 300M Stahl
• EN25-Stahl – 2,521 % Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl
• EN26 Stahl

Kohlenstoffstähle, die sich erfolgreich wärmebehandeln lassen, weisen einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,30–1,70 Gew.-% auf. Spuren anderer Elemente können die Qualität des resultierenden Stahls erheblich beeinträchtigen. Insbesondere Spuren von Schwefel führen zu Rotbruch , d. h. zu Sprödigkeit und Bröckeligkeit bei hohen Verarbeitungstemperaturen. Niedriglegierter Kohlenstoffstahl, wie z. B. die Güteklasse A36 , enthält etwa 0,05 % Schwefel und schmilzt bei ca. 1426–1538 °C (2600–2800 °F). ^{[ 9 ]} Mangan wird häufig zugesetzt, um die Härtbarkeit niedriglegierter Stähle zu verbessern . Diese Zusätze machen das Material nach einigen Definitionen zu einem niedriglegierten Stahl , die AISI -Definition von Kohlenstoffstahl erlaubt jedoch bis zu 1,65 Gew.-% Mangan. Es gibt zwei Arten von höherlegierten Kohlenstoffstählen: hochlegierten und ultrahochlegierten Kohlenstoffstählen. Der Grund für die begrenzte Verwendung von hochkohlenstoffhaltigem Stahl liegt in seiner extrem geringen Duktilität und Schweißbarkeit sowie den höheren Produktionskosten. Hochkohlenstoffhaltige Stähle eignen sich am besten für Anwendungen in der Federnindustrie, der Landwirtschaft und zur Herstellung einer breiten Palette hochfester Drähte. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Es gibt verschiedene Klassifizierungen von unlegiertem Stahl.

Kohlenstoffstahl wird anhand seines Kohlenstoffgehalts in vier Klassen unterteilt: ^{[ 1 ]}

• Unlegierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt weist einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 0,15 % auf. ^{[ 1 ]}
• Mittelkohlenstoffstahl hat einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,3–0,5 %. ^{[ 1 ]} Er bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Duktilität und Festigkeit und weist eine gute Verschleißfestigkeit auf. Er wird für große Bauteile, Schmiedeteile und Automobilkomponenten verwendet. ^{[ 12 ] [ 13 ]}
• Hochkohlenstoffstähle, beispielsweise die Legierungen 1075 (C75) und 1095, weisen einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6 bis 1,0 % auf. ^{[ 1 ]} Diese Stähle sind sehr fest und werden für Produkte wie Federn, Schneidwerkzeuge und hochfeste Drähte verwendet. ^{[ 14 ]}
• Ultrahochkohlenstoffstähle (UHC-Stähle) weisen einen Kohlenstoffgehalt von etwa 1,25–2,0 % auf. ^{[ 1 ]} D2-Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 1,5 % gehört zu dieser Kategorie. UHC-Stähle lassen sich auf hohe Härte anlassen und werden für spezielle Anwendungen wie (nicht-industrielle) Messer, Achsen und Stempel verwendet . Die meisten Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von über 2,5 % werden pulvermetallurgisch hergestellt .

Die Norm EN 10020 unterteilt unlegierte Stähle in zwei Hauptgruppen:

• Unlegierte Baustähle: Dies ist die gebräuchlichste Art von unlegierten Stählen für allgemeine Konstruktionszwecke und ist weit verbreitet. Ihre Eigenschaften sind garantiert, jedoch mit größeren Toleranzen als bei Spezialstählen. Beispiele hierfür sind Baustähle wie S235, S275 und S355, die in der Norm EN 10025 definiert sind.
• Unlegierte Spezialstähle: Diese Stähle zeichnen sich durch einen höheren Reinheitsgrad und eine präziser kontrollierte chemische Zusammensetzung aus. Sie sind für Anwendungen konzipiert, die gleichbleibende, spezifische Eigenschaften erfordern, welche häufig durch Wärmebehandlungen wie Härten und Anlassen erzielt werden. Beispiele hierfür sind Stähle für Maschinenteile oder Zahnräder.

Die Wärmebehandlung von Kohlenstoffstahl dient der Veränderung seiner mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Duktilität, Härte, Streckgrenze und Schlagzähigkeit. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit werden dabei nur geringfügig beeinflusst. Wie bei den meisten Härtungsverfahren für Stahl bleibt der Elastizitätsmodul ( Young-Modul ) unverändert. Bei allen Wärmebehandlungen wird die Duktilität zugunsten erhöhter Festigkeit und umgekehrt abgewogen. Eisen weist eine höhere Löslichkeit für Kohlenstoff in der Austenitphase auf . Daher beginnen alle Wärmebehandlungen, außer dem Kugelglühen und dem Prozessglühen, mit dem Erhitzen des Stahls auf eine Temperatur, bei der die Austenitphase vorliegen kann. Anschließend wird der Stahl mit mäßiger bis niedriger Geschwindigkeit abgeschreckt (entgast), sodass der Kohlenstoff aus dem Austenit diffundieren und Eisencarbid (Zementit) bilden kann, während Ferrit zurückbleibt. Bei hoher Abschreckgeschwindigkeit wird der Kohlenstoff im Eisen eingeschlossen, wodurch Martensit entsteht. Die Abkühlgeschwindigkeit des Stahls unter die eutektoide Temperatur (ca. 727 °C) beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der Kohlenstoff aus dem Austenit diffundiert und Zementit bildet. Generell führt schnelles Abkühlen zu fein verteiltem Eisencarbid und feinkörnigem Perlit , während langsames Abkühlen gröberen Perlit ergibt. Beim Abkühlen eines untereutektoiden Stahls (weniger als 0,77 Gew.-% C) entsteht ein lamellares Perlitgefüge aus Eisencarbidschichten mit dazwischenliegendem α- Ferrit (nahezu reinem Eisen). Bei übereutektoidem Stahl (mehr als 0,77 Gew.-% C) besteht das Gefüge aus reinem Perlit mit kleinen Zementitkörnern (größer als die Perlitlamellen) an den Korngrenzen. Ein eutektoider Stahl (0,77 Gew.-% Kohlenstoff) weist ein durchgehendes Perlitgefüge ohne Zementit an den Korngrenzen auf. Die relativen Mengen der Gefügebestandteile werden mithilfe der Hebelregel bestimmt . Nachfolgend eine Liste der möglichen Wärmebehandlungsarten:

Sphäroidisierung

Sphäroidit entsteht, wenn Kohlenstoffstahl über 30 Stunden auf etwa 700 °C erhitzt wird. Die Bildung von Sphäroidit ist auch bei niedrigeren Temperaturen möglich, die benötigte Zeit verlängert sich jedoch drastisch, da es sich um einen diffusionskontrollierten Prozess handelt. Das Ergebnis ist eine Struktur aus Zementitstäben oder -kugeln innerhalb des Primärgefüges (Ferrit oder Perlit, je nachdem, auf welcher Seite des Eutektoids man sich befindet). Ziel ist es, hochkohlenstoffhaltige Stähle weicher zu machen und ihre Umformbarkeit zu verbessern. Sphäroidit ist die weichste und duktilste Stahlform. ^{[ 15 ]}

Vollständiges Glühen

Ein hypoeutektoider Kohlenstoffstahl (mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt als der eutektoide) wird auf etwa 30 bis 50 °C über die Austenitisierungstemperatur (A3) erhitzt _, während ein hypereutektoider Stahl für eine bestimmte Anzahl von Stunden auf eine Temperatur oberhalb der eutektoiden Temperatur (A1) erhitzt wird _{. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der gesamte} Ferrit in Austenit umwandelt (obwohl in hypereutektoiden Stählen noch Zementit vorhanden sein kann). Der Stahl muss anschließend langsam, etwa mit 20 °C pro Stunde, abgekühlt werden. Üblicherweise erfolgt die Ofenkühlung, d. h. der Ofen wird abgeschaltet, während sich der Stahl noch darin befindet. Dies führt zu einem groben Perlitgefüge mit breiten Perlitschichten . ^{[ 16 ]} Vollständig geglühter Stahl ist weich und duktil und weist keine inneren Spannungen auf, was für eine kostengünstige Umformung oft erforderlich ist. Nur kugelgeglühter Stahl ist weicher und duktiler. ^{[ 17 ]}

Prozessglühen

Ein Verfahren zur Spannungsentlastung von kaltverformtem Kohlenstoffstahl mit weniger als 0,3 % C. Der Stahl wird üblicherweise für eine Stunde auf 550 bis 650 °C (1000 bis 1200 °F) erhitzt, mitunter auch auf Temperaturen bis zu 700 °C (1300 °F). Die Abbildung oben zeigt den Glühbereich.

Isothermes Glühen

Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem untereutektoider Stahl über die obere kritische Temperatur erhitzt wird. Diese Temperatur wird für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend unter die untere kritische Temperatur gesenkt und erneut gehalten. Danach wird der Stahl auf Raumtemperatur abgekühlt. Durch dieses Verfahren werden Temperaturgradienten vermieden.

Normalisierung

Kohlenstoffstahl wird bis in den austenitischen Bereich erhitzt, um eine vollständige Umwandlung in Austenit zu gewährleisten, und anschließend langsam an der Luft abgekühlt. Das Normalglühen von Stahl dient meist der Verfeinerung des Gefüges, der Erhöhung der Festigkeit im Vergleich zu geglühtem Stahl und/oder der Erzielung eines gleichmäßigeren inneren Gefüges. ^{[ 18 ]}

Abschrecken

Kohlenstoffstahl mit mindestens 0,4 Gew.-% C wird auf Normalisierungstemperatur erhitzt und anschließend in Wasser, Salzlösung oder Öl rasch auf die kritische Temperatur abgeschreckt. Die kritische Temperatur ist vom Kohlenstoffgehalt abhängig, sinkt aber im Allgemeinen mit steigendem Kohlenstoffgehalt. Dies führt zu einem martensitischen Gefüge; einer Stahlsorte mit übersättigtem Kohlenstoffgehalt in einer deformierten kubisch-raumzentrierten (krz) Kristallstruktur, die korrekterweise als tetragonal-raumzentriert (krz) bezeichnet wird und hohe innere Spannungen aufweist. Abgeschreckter Stahl ist daher extrem hart, aber spröde , meist zu spröde für praktische Anwendungen. Diese inneren Spannungen können zu Spannungsrissen an der Oberfläche führen. Abgeschreckter Stahl ist etwa dreimal härter (bei höherem Kohlenstoffgehalt viermal härter) als normalisierter Stahl. ^{[ 19 ]}

Martempering (Marquenching)

Das Martensithärten ist eigentlich kein Anlassverfahren, daher der Begriff „Martempern“ . Es handelt sich um eine Form der isothermen Wärmebehandlung, die nach einer anfänglichen Abschreckung, typischerweise in einem Salzbad, bei einer Temperatur knapp über der Martensitstarttemperatur angewendet wird. Bei dieser Temperatur werden Eigenspannungen im Material abgebaut, und aus dem Restaustenit, der sich nicht in andere Phasen umwandeln konnte, kann sich Bainit bilden. In der Industrie wird dieses Verfahren zur Steuerung der Duktilität und Härte eines Werkstoffs eingesetzt. Durch längeres Martensithärten erhöht sich die Duktilität bei minimalem Festigkeitsverlust. Der Stahl wird so lange in der Lösung gehalten, bis sich die Innen- und Außentemperatur des Bauteils angeglichen haben. Anschließend wird der Stahl mit mäßiger Geschwindigkeit abgekühlt, um den Temperaturgradienten so gering wie möglich zu halten. Dieses Verfahren reduziert nicht nur innere Spannungen und Spannungsrisse, sondern erhöht auch die Schlagzähigkeit. ^{[ 20 ]}

Härten

Dies ist die gebräuchlichste Wärmebehandlung, da die endgültigen Eigenschaften durch Temperatur und Dauer des Anlassens präzise bestimmt werden können. Beim Anlassen wird abgeschreckter Stahl auf eine Temperatur unterhalb der eutektoiden Temperatur wiedererhitzt und anschließend abgekühlt. Die erhöhte Temperatur ermöglicht die Bildung geringer Mengen Sphäroidit, wodurch die Duktilität wiederhergestellt, die Härte jedoch verringert wird. Die genauen Temperaturen und Zeiten werden für jede Zusammensetzung sorgfältig ausgewählt. ^{[ 21 ]}

Austempern

Das Bainitisieren ist ein ähnliches Verfahren wie das Martensitisieren, nur dass die Abschreckung unterbrochen wird und der Stahl in einem Salzbad bei Temperaturen zwischen 205 und 540 °C gehalten und anschließend langsam abgekühlt wird. Der so entstehende Stahl, Bainit genannt, weist ein nadelförmiges Gefüge auf, das eine hohe Festigkeit (jedoch geringer als Martensit), eine höhere Duktilität, eine höhere Schlagzähigkeit und eine geringere Verzugsneigung als Martensitstahl besitzt. Der Nachteil des Bainitisierens besteht darin, dass es nur für wenige Stahlbleche geeignet ist und ein spezielles Salzbad erfordert. ^{[ 22 ]}

Einsatzhärtungsverfahren härten lediglich die Außenseite des Stahlbauteils und erzeugen so eine harte, verschleißfeste Schicht (die sogenannte Einsatzhärtung), während der Kern zäh und duktil bleibt. Kohlenstoffstähle sind nur schlecht härtbar, d. h. sie können nicht durchgehärtet werden, selbst bei dicken Querschnitten. Legierte Stähle hingegen sind besser härtbar, können durchgehärtet werden und benötigen keine Einsatzhärtung. Diese Eigenschaft von Kohlenstoffstahl kann vorteilhaft sein, da sie der Oberfläche gute Verschleißeigenschaften verleiht, den Kern aber flexibel und stoßdämpfend hält.

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• DeGarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9. Aufl.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4Die
• Oberg, E.; et al. (1996), Machinery's Handbook (25. Aufl.), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3Die
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