Autor: expondo expert

Kohlenstoffstahl und seine Eigenschaften

Kohlenstoffstahl ist ein weit verbreitetes Material. Es wird sowohl bei populären Alltagsgegenständen als auch bei komplexen Elementen der Präzisionsmechanik eingesetzt. Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Kohlenstoffstahl sowie über ihre Anwendungen. 

Was ist Kohlenstoffstahl?

Der mit „CS” (carbon steel) gekennzeichnete Kohlenstoffstahl (auch als unlegierter Stahl bekannt) besteht aus einer Kombination von Eisen und Kohlenstoff. Der Gehalt anderer Elemente darf jedoch nicht die in der speziellen Norm PN-EN 10020:2003 festgelegten Grenzwerte überschreiten. Diese Beimischungen machen einen Bruchteil eines Prozentsatzes aus – z. B. bei Bor beträgt der Gesamtwert weniger als 0,0008%, bei Kupfer wiederum weniger als 0,4%.  

Dank der hervorragenden Eigenschaften von Kohlenstoffstahl ist es ein sehr beliebtes Material. In der Regel ist es einfach zu verarbeiten und darüber hinaus bei typischen Anwendungen zuverlässig und kostengünstig. 

Kohlenstoffstahlsorten

Kohlenstoffstähle werden nach mehreren Bestimmungsfaktoren klassifiziert. Unter anderem müssen die chemische Zusammensetzung sowie der Anwendungsbereich bei jeder Stahlsorte unter die Lupe genommen werden. Das Haupt- und Grundkriterium ist der Prozentsatz an Kohlenstoff. Unlegierte Stähle können in folgenden Kategorien unterteilt werden: 

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  • kohlenstoffarmer Stahl – Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,3%, 
  • Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt – der Kohlenstoffgehalt liegt hierbei zwischen 0,3 und 0,6%, 
  • Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt – der Kohlenstoffgehalt übersteigt den Grenzwert in Höhe von 0,6%. 

Der Gehalt an Phosphor- und Schwefelzusätzen bestimmt auch die Qualität von Stahl. Beim Stahl höchster Qualität kann der Gehalt an Phosphor und Schwefel 0,03% nicht überschreiten. Beim Stahl hoher Qualität muss dieser Wert unter 0,07% liegen. Beim Stahl normaler Qualität muss der Gehalt solcher Elemente unter 0,1% liegen.  

Zusätzlich spielt der Desoxidationsgrad eine sehr wichtige Rolle. Beruhigte Stähle haben den höchsten Desoxidationsgrad, während halbberuhigte Stähle über den mittleren und unberuhigte Stähle über den niedrigsten Desoxidationsgrad verfügen. Beruhigte Stähle sind normalerweise von sehr hoher Qualität. Alterungsbeständiger Stahl ist ein klassisches Beispiel einer solchen Stahlsorte. 

Je nach chemischer Zusammensetzung gibt es auch sogenannte unlegierte Stähle (mit hohem oder niedrigem Phosphorgehalt) oder Gussstähle (z.B. Pig-P1, Pig-P3, Pig-P6). 

Verwendungsbereich von Kohlenstoffstahl

Die Aufteilung der Kohlenstoffstähle wäre unvollständig, ohne die Sorten hinsichtlich ihrer Anwendung abzugrenzen. Hier unterscheidet man zwischen folgender Kategorien: 

  • Baustahl – sehr beliebte Sorte, die bei der Herstellung von Stahlkonstruktionen  (Brücken, tragende Strukturelemente) sowie von Geräte- und Maschinenteilen verwendet wird.  
  • Werkzeugstahl – zur Herstellung von Bohrern, Klingen und Scheiben verwendet. Diese Stahlsorte muss üblicherweise gehärtet werden. Dies macht die Oberfläche eines Stahlwerkzeugs sehr langlebig, während der Innenraum stoßfest bleibt und nicht bröckelt. 
  • Stähle mit besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften werden bei Spezialgeräten verwendet, die unter extrem schwierigen Bedingungen reibungslos funktionieren können. Solche Stahlsorten sollten über Eigenschaften verfugen, die für eine bestimmte Arbeitsumgebung geeignet sind. 

Kohlenstoffgehalt in Stahl

Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst die Eigenschaften verschiedener Stahlsorten, d.h. die Festigkeit, die Duktilität sowie die Schweißbarkeit. Kohlenstoffarmer Stahl zeichnet sich üblicherweise durch seine Weichheit und gute Schweißbarkeit aus. Aus diesem Grund wird es häufig zur Herstellung von Blechen oder Drähten verwendet. 

Wie der Name schon verrät, ist der Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt stärker als Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Die erstgenannte Sorte ist jedoch schwieriger zu formen, zu schweißen und zu schneiden. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften werden beispielsweise Teile für Kraftfahrzeuge sowie geschmiedete Elemente aus dieser Stahlsorte hergestellt. 

Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt ist am schwierigsten zu schneiden, zu biegen und zu schweißen. Außerdem wird es nach dem Härtungsprozess sehr spröde. Es wird meistens zur Herstellung von Werkzeugen, Schwertklingen oder Spezialfedern verwendet.

Das Schweißen von niedriglegierten Stahlsorten

Alle kohlenstoffarme Stahlsorten weisen eine gute Schweißbarkeit auf. Mit zunehmendem Anteil an Kohle steigt jedoch das Risiko der sich während des Abkühlens der Schweißnaht bildeten kalten Risse. Bei der Aufteilung niedriglegierter Stähle nach ihrer Schweißbarkeit muss das Kriterium des Kohlenstoffäquivalents (CE) ins Spiel gebracht werden. Hier sollte man die Zusammensetzung eines bestimmten Stahls kennen und die Formel CE = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) / 15 verwenden. Abhängig vom erzielten Ergebnis: 

  • CE <0,42% kennzeichnet leicht schweißbaren Stahl, 
  • CE = 0,42-0,60% bezieht sich auf Stahl mit eingeschränkter Schweißbarkeit, 
  • CE> 0,60% ist ein Zeichen eines schwer zu schweißenden Stahls. 

Zum Schweißen schwer schweißbarer Stähle sollten spezielle Methoden angewendet werden. Zu den meistbenutzten Methoden gehören: 

  • das Vorheizen, 
  • wasserstoffarme Schweißprozesse sowie die Bestimmung der richtigen Konstruktionslösungen für Schweißverbindungen, 
  • das Erhöhen des linearen Energietransfers des Lichtbogens. 

Für schweißbare niedriglegierte Stähle gelten keine besonderen Anforderungen. Fast jedes Schweißgerät, d.h. MIG/MAG-, WIG- oder Inverterschweißgerät, kann zum Schweißen von Kohlenstoffstählen angewandt werden. Die Auswahl des richtigen Geräts hängt hauptsächlich von den Fähigkeiten des Schweißers sowie den Qualitätsanforderungen der Schweißnaht ab. Bei hohen Qualitätsanforderungen müssen kleine Elemente geschweißt oder Lücken gefüllt werden. Präzisere WIG-Schweißgeräte stellen normalerweise die beste Wahl dar.

Zusammenfassung 

Kohlenstoffstahl stellt ein weit verbreitetes Material dar, das in einer sehr breiten Reihe von Branchen angewandt wird. Die Vielzahl von Stahlsorten mit unterschiedlichen Eigenschaften ermöglicht das Anpassen an die besonderen Bedürfnisse des jeweiligen Nutzers. Aufgrund seines relativ niedrigen Preises ist kohlenstoffarmer Stahl ideal für die meisten gängigen strukturellen Anwendungen geeignet. Damit können vor allem die Investitionskosten erheblich gesenkt werden. 

Stahlsorten mit einem höheren Kohlenstoffgehalt werden in den meisten Fällen von Profis angewandt. Solche Stahlsorten erweisen sich häufig als ausreichend für die Herstellung von Werkzeugen und fortschrittlicheren Produkten wie Maschinenteilen.  

Es gibt auch Kohlenstoffstähle für spezielle Einsatzzwecke. Diese werden für streng definierte berufliche Zwecke hergestellt (z. B. Schiffsteile, Elektroden). Ihre Eigenschaften werden jedoch durch detaillierte Anforderungen technischer Standards und Abnahmebedingungen geregelt.