Was ist Kohlenstoffstahl? Zusammensetzung, Güten und wie der Kohlenstoffgehalt alles verändert

Kohlenstoffstahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, in der Kohlenstoff – nicht Chrom, Nickel oder andere Elemente – der wichtigste eigenschaftsverändernde Bestandteil ist und typischerweise 0,05 % bis 2,1 % der Mischung ausmacht. Dieser Kohlenstoffgehalt ist der größte Hebel für Härte, Festigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit des Werkstoffs: mehr Kohlenstoff bedeutet härter und fester, aber weniger duktil und schwerer zu schweißen.

Warum der Kohlenstoffgehalt die Arbeit leistet

Eisen allein ist weich und bildet ein regelmäßiges, sich wiederholendes Kristallgitter. Das Hinzufügen von Kohlenstoffatomen stört dieses Gitter – sie keilen sich ein und verzerren die Kristallstruktur des Eisens, was es der Struktur erschwert, sich unter Last zu verformen. Das ist der ganze Mechanismus in einem Satz: mehr Kohlenstoffatome im Gitter eingeschlossen, mehr Verformungswiderstand, was sich als höhere Härte und Zugfestigkeit zeigt. Der Zielkonflikt ist derselbe Mechanismus, der bei der Duktilität in umgekehrter Richtung wirkt – ein Gitter, das sich schwerer verformt, lässt sich auch schwerer biegen oder ziehen, ohne zu reißen, und ist schwerer sauber zu schweißen, weil dieselbe Steifigkeit, die der Verformung widersteht, auch der lokalen Erwärmung und Abkühlung widersteht, die eine Schweißung mit sich bringt.

Kohlenstoffstahl fehlt zudem der Chrom- und Nickelgehalt, der Edelstahl seine Korrosionsbeständigkeit verleiht, ungeschützter Kohlenstoffstahl rostet daher in feuchten oder nassen Umgebungen, unabhängig davon, wo er auf der Kohlenstoffskala liegt.

Einteilung von Kohlenstoffstahl

Die Obergrenze von „kohlenstoffreich“ ist keine einzelne vereinbarte Zahl – verschiedene Quellen setzen sie irgendwo zwischen 1,0 % und 1,5 % Kohlenstoff an. Das ist eine echte Uneinheitlichkeit zwischen den Quellen statt einer einzelnen maßgeblichen Grenze, betrachten Sie daher jede Zahl in diesem Bereich als vernünftigen Bezugspunkt, nicht als feste Regel.

Eine Schätzung (aus einer einzelnen Quelle, nicht mit anderen gegengeprüft) beziffert Kohlenstoffstahl auf etwa 90 % der weltweiten Stahlproduktion – erwähnenswert als Branchengrößenordnung, aber nicht als präzise verifizierte Zahl.

Kohlenstoffreicher vs. kohlenstoffarmer Stahl auf einen Blick

Die beiden Enden der Kohlenstoffskala sind auf jeder praktischen Achse Gegensätze:

Über diese Tabelle hinaus gibt es keinen separaten „Unterschied“ zu erklären – kohlenstoffreicher und kohlenstoffarmer Stahl sind schlicht die beiden Enden der obigen Einteilungsskala, vollständig dadurch unterschieden, wo sie auf dem Kohlenstoffprozentsatz liegen.

Bekannte kohlenstoffreiche Güten

Innerhalb des kohlenstoffreichen Bereichs tauchen einige SAE/AISI-Güten in der Werkzeug- und Verbindungselementearbeit ständig auf:

Die Anwendungen dieser Gütefamilie fallen im Allgemeinen in vier Gruppen: Schneidwerkzeuge (Messer, Meißel, Sägeblätter, Schneidkanten), hochbeanspruchte Federn (Blatt-/Schraubenfedern von Fahrzeugen, Industriefedern), hochfester Draht (Tragseil, Aufzugseil, Musikinstrumentendraht) und verschleiß-/stoßfeste Teile (Betonbohrer, Steinbearbeitungswerkzeuge, Lagerkugeln, Zahnräder).

Ist Baustahl dasselbe wie Kohlenstoffstahl?

Ja, im Sinne, der zählt: Baustahl ist ein kohlenstoffarmer Stahl und damit ein Untertyp von Kohlenstoffstahl, kein separater Werkstoff. Baustahl liegt bei etwa 0,05 %–0,25 % Kohlenstoff – genau die Zeile „kohlenstoffarm“ der obigen Einteilungstabelle. Die Verwirrung ist verständlich, da die beiden Begriffe im lockeren Gespräch einigermaßen austauschbar verwendet werden, doch die Beziehung ist eine der Einschließung, nicht zweier paralleler Kategorien.

Eine Lieferantenquelle (metalsupermarkets.com) beziffert den Festigkeitsvorteil von Kohlenstoffstahl gegenüber Baustahl auf bis zu 20 % – doch diese Zahl vergleicht speziell Baustahl mit mittel-/kohlenstoffreichem Stahl, nicht mit der Kategorie Kohlenstoffstahl insgesamt (die, wie gesagt, Baustahl selbst einschließt).

Beziehung zu legiertem Stahl

Kohlenstoffstahl ist technisch gesehen auch eine Legierung – Eisen plus Kohlenstoff. Im Branchengebrauch ist „legierter Stahl“ jedoch Güten vorbehalten, in denen andere Elemente (Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Mangan) über die übliche Kohlenstoffstahl-Zusammensetzung hinaus absichtlich zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften fein abzustimmen. Den vollständigen Vergleich – Zusammensetzung, Leistungsabwägungen und wann man das eine dem anderen vorzieht – finden Sie unter Was ist der Unterschied zwischen Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl?

Schmelzpunkt

Kohlenstoffstahl schmilzt in einem Bereich statt an einem einzelnen Punkt – etwa 1.425 °C–1.540 °C (2.600 °F–2.800 °F), wobei der genaue Wert vom Kohlenstoffgehalt abhängt. Das wird vollständig behandelt, einschließlich der Frage, warum ein höherer Kohlenstoffgehalt den Schmelzpunkt senkt, unter Bei welcher Temperatur schmilzt Kohlenstoffstahl?

Weiterführende Lektüre: Was ist der Unterschied zwischen Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl? · Bei welcher Temperatur schmilzt Kohlenstoffstahl? · Was ist 4140-Stahl? Zusammensetzung, Festigkeit und Anwendungen

Danny Ni Autor für Technik und mechanische Systeme

Danny Ni ist technischer Redakteur bei SYZ Machine mit Schwerpunkt Ingenieurwesen und spezialisiert auf mechanische Komponenten, Gestängesysteme und die Ingenieurpraxis realer Anwendungen. Seine Arbeit umfasst Aftermarket-Fahrzeugteile, Industriegelenke und mechanische Prinzipien und übersetzt komplexe Konzepte des Ingenieurwesens in praxisnahe Erkenntnisse für Ingenieure, Fertiger und Branchen-Einkäufer.

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