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Wie stark ist Kohlenstoffstahl?
- John
Kohlenstoffstahl ist typischerweise fest. Seine Zugfestigkeit liegt je nach Kohlenstoffgehalt und Wärmebehandlung zwischen 400 MPa und 1.200 MPa.
Die SteelPro Group bietet Kunden in verschiedenen Ländern eine breite Palette an Kohlenstoffstahlsorten an. Wir bieten außerdem verschiedene Anpassungsmöglichkeiten für Ihr spezifisches Projekt. Im Folgenden erläutern wir, was Kohlenstoffstahl so langlebig macht, und geben Ihnen Expertenrat zur Auswahl der richtigen Kohlenstoffstahlsorte für Ihre Projekte.
Was ist Kohlenstoffstahl?
Kohlenstoffstahl ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffanteil von 0,051 bis 2,11 TP3T sowie Spuren von Mangan, Silizium und anderen Elementen. Im Gegensatz zu Edelstahl ist er nicht korrosionsbeständig, doch diese Einfachheit ermöglicht es Ingenieuren, seine Festigkeit, Duktilität und Wirtschaftlichkeit präzise zu optimieren.
Was macht Kohlenstoffstahl so stark?
Die Festigkeit von Kohlenstoffstahl entwickelt sich auf atomarer, mikrostruktureller und industrieller Ebene. So trägt jede Ebene zur Festigkeit bei:
Die Rolle des Kohlenstoffgehalts für die Stahlfestigkeit
Kohlenstoffatome (0,05%-2,1%) fügen sich in die Kristallstruktur des Eisens ein und verursachen kleine Verzerrungen. Diese Verzerrungen blockieren Versetzungen, winzige Verschiebungen im Metall, die zu Verformungen führen.
Dieser kleine Prozentsatz hat eine übergroße Wirkung:
- Kohlenstoffarmer Stahl (0,05%–0,3% Kohlenstoff): Gleicht Duktilität und mittlere Festigkeit aus (400–550 MPa Zugfestigkeit), ideal für Maschinenteile und Strukturträger.
- Mittelkohlenstoffstahl (0,3%–0,6%-Kohlenstoff): Bietet höhere Festigkeit (600–800 MPa) und Verschleißfestigkeit und wird in Zahnrädern und Eisenbahnschienen verwendet.
- Kohlenstoffstahl (0,6%–2,1% Kohlenstoff): Bietet extreme Härte und Zugfestigkeit (bis zu 1.200 MPa), perfekt für Schneidwerkzeuge und Federn.
Der Legierungselementeffekt
Obwohl sie in geringen Mengen vorhanden sind, wirken Spurenelemente zusammen mit Kohlenstoff, um die Leistung zu steigern:
- Mangan (0,3–1,5%)
Es hilft, Schwefel- und Sauerstoffverunreinigungen zu neutralisieren und verbessert so die Zähigkeit und Festigkeit von Stahl.
- Silizium (0,15–0,35%)
Es wird als Desoxidationsmittel verwendet und hilft, Sauerstoff aus geschmolzenem Stahl zu entfernen, wodurch die Bildung von Mikrorissen während des Walzens verringert und die Gesamteigenschaften des Stahls verbessert werden können.
- Vanadium (<0,1%)
Es bilden sich Karbide, die die Härte und Festigkeit des Stahls erhöhen. Diese Karbide sind fein und gleichmäßig verteilt, was die Verschleißfestigkeit und Zähigkeit des Stahls verbessert.
Mikrostruktur und Wärmebehandlung
Durch die Wärmebehandlung wird die Atomstruktur des Kohlenstoffstahls neu angeordnet, wodurch sich seine Mikrostruktur und damit seine mechanischen Eigenschaften verändern:
| Mikrostruktur | Entstehungsprozess | Wichtige Eigenschaften |
| Ferrit | Langsames Abkühlen | Weich, dehnbar (z. B. Nägel) |
| Perlit | Mäßige Kühlung | Geschichtetes Fe/Fe₃C – ausgewogene Festigkeit (z. B. Eisenbahnschienen) |
| Martensit | Abschrecken bei >800°C | Ultradichtes tetragonales Gitter – Rockwell C 60+ (z. B. chirurgische Skalpelle) |
Festigkeit von Kohlenstoffstahl: Datenübersicht
Nachfolgend werden die typischen Festigkeitsdaten für jede Kategorie anhand verschiedener Güteklassen beispielhaft aufgeschlüsselt.
| Stahlkategorie | Härte | Zugfestigkeit | Streckgrenze | ||
| Metrisch (Mpa) | Imperial (psi) | Metrisch (MPa) | Imperial (psi) | ||
| Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt | Rockwell B 60 – 90 | 400 – 550 | 58,000 – 80,000 | 250 – 350 | 36,000 – 51,000 |
| Mittlerer Kohlenstoffstahl | Rockwell C 20 – 30 | 600 – 800 | 87,000 – 116,000 | 400 – 500 | 58,000 – 73,000 |
| Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt | Rockwell C 40 – 65 | 900 – 1,200 | 130,000 – 174,000 | 550 – 700 | 80,000 – 101,500 |
Festigkeit verschiedener Kohlenstoffstahlsorten
Die Festigkeit von Kohlenstoffstahl variiert stark je nach Kohlenstoffgehalt und Verarbeitung. Nachfolgend finden Sie eine Aufschlüsselung der Festigkeit der wichtigsten ASTM/SAE-Güten anhand verifizierter Industriedaten:
| Kategorie | Klasse | Zustand | Zugfestigkeit (MPa/ksi) | Streckgrenze (MPa/ksi) | Härte |
| Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt | ASTM A36 | Warmgewalzt | 400-550 / 58-80 | 250 / 36 | 67-83 HRB |
| Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt | SAE 1018 | Kaltgezogen | 440-640 / 64-93 | 370 / 54 | 71-78 HRB |
| Mittlerer Kohlenstoffstahl | SAE 1045 | Normalisiert | 620-790 / 90-115 | 415 / 60 | 170-210 HB |
| Mittlerer Kohlenstoffstahl | SAE 4140 | Abgeschreckt + angelassen | 950-1,100 / 138-160 | 850 / 123 | 28-32 HRC |
| Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt | SAE 1095 | Abgeschreckt + Niedrigtemperaturgehärtet | 990-1,220 / 144-177 | N/A (sprödes Material) | 60-65 HRC |
| Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt | W1 Werkzeugstahl | Wasserabschreckung + kryogene Behandlung | 1,500-1,900 / 218-276 | 1,750 / 254 | 64-66 HRC |
Kohlenstoffstahl vs. andere Metalle: Stärke-Showdown
Kohlenstoffstahl vs. Edelstahl
Kohlenstoffstahl ist fester und eignet sich daher ideal für strukturelle Anwendungen, die eine hohe Festigkeit erfordern. Edelstahl hingegen weist eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf und eignet sich daher besser für Umgebungen wie Küchen und medizinische Geräte, in denen Schutz vor Rost und Flecken unerlässlich ist.
Für einen detaillierteren Vergleich klicken Sie hier: Kohlenstoffstahl vs. Edelstahl.
Kohlenstoffstahl vs. Aluminium
Kohlenstoffstahl ist deutlich fester als Aluminium und weist eine höhere Zugfestigkeit auf. Aluminium hingegen ist deutlich leichter und dehnbarer und daher das bevorzugte Material für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder im Transportwesen, bei denen Gewichtsreduzierung entscheidend ist.
Für einen detaillierteren Vergleich klicken Sie hier: Kohlenstoffstahl vs. Aluminium.
Kohlenstoffstahl vs. Gusseisen
Kohlenstoffstahl ist deutlich fester und flexibler als Gusseisen. Gusseisen eignet sich zwar hervorragend für Anwendungen mit hoher Druckbelastung, wie z. B. Motorblöcke, ist jedoch spröder und weist nicht die Zugfestigkeit von Kohlenstoffstahl auf. Daher ist Kohlenstoffstahl die bessere Wahl für hochbelastete, dynamische Anwendungen.
Für einen detaillierteren Vergleich klicken Sie hier: Kohlenstoffstahl vs. Gusseisen.
Festigkeit und Anwendungen von Kohlenstoffstahl
1. Anwendungen für Kohlenstoffstahl mit geringer Festigkeit
- Tragwerksplanung: Gebäuderahmen
- Automobilindustrie: Karosserieteile
- Rohrleitungssysteme: ASTM A53 nahtlose Rohre
Klassen: ASTM A36, SAE 1018
2. Mittelfester Kohlenstoffstahl – Anwendungen
- Kraftübertragung: Getriebewellen
- Schienensysteme: UIC 860V-Gleise
- Hydraulikkomponenten: Kolbenstangen
Klassen: SAE 1045, 4140
3. Ultrahochfester Kohlenstoffstahl
- Schneidwerkzeuge: HSS-Bohrer
- Verteidigung: Panzerplatten der NIJ-Stufe IV
- Federn: Federspiralen
Klassen: SAE 1095, W1 Werkzeugstahl
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