Kohlenstoff Werkzeugstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen
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Kohlenstoff-Werkzeugstahl ist eine Stahlsorte, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht und zur Herstellung von Werkzeugen und Stempeln verwendet wird. Er wird als hochlegierter Kohlenstoffstahl klassifiziert, der typischerweise zwischen 0,5 % und 1,5 % Kohlenstoff enthält, was seine Härte und Verschleißfestigkeit erheblich verbessert. Das primäre Legierungselement im Kohlenstoff-Werkzeugstahl ist der Kohlenstoff selbst, der eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Härte, Festigkeit und Gesamtleistung des Stahls spielt.
Umfassender Überblick
Kohlenstoff-Werkzeugstähle sind bekannt für ihre hervorragende Härte und die Fähigkeit, eine scharfe Kante zu halten, was sie ideal für Schneidwerkzeuge, Stempel und andere Anwendungen macht, bei denen Verschleißfestigkeit entscheidend ist. Der hohe Kohlenstoffgehalt trägt zur Bildung harter Mikrostrukturen, wie Martensit, bei, wenn sie Wärmebehandlungsprozessen wie Härten und Anlassen unterzogen werden.
Vorteile:
- Hohe Härte: Kohlenstoff-Werkzeugstähle können hohe Härtegrade erreichen, was sie für Schneid- und Formwerkzeuge geeignet macht.
- Verschleißfestigkeit: Die Verschleißfestigkeit dieser Stähle ist überlegen und ermöglicht es ihnen, abrasiven Bedingungen standzuhalten.
- Kosteneffektivität: Im Allgemeinen sind Kohlenstoff-Werkzeugstähle wirtschaftlicher im Vergleich zu legierten Werkzeugstählen, was sie zu einer beliebten Wahl für viele Anwendungen macht.
Beschränkungen:
- Brittle: Ein hoher Kohlenstoffgehalt kann zu Sprödigkeit führen, wodurch der Stahl anfällig für Risse unter Schlagbelastung wird.
- Begrenzte Zähigkeit: Im Vergleich zu anderen Werkzeugstählen zeigen Kohlenstoff-Werkzeugstähle möglicherweise eine geringere Zähigkeit, was in bestimmten Anwendungen ein Nachteil sein kann.
- Korrosionsanfälligkeit: Kohlenstoff-Werkzeugstähle neigen zum Rosten, wenn sie nicht richtig gewartet werden, da ihnen legierende Elemente fehlen, die die Korrosionsbeständigkeit verbessern.
Historisch gesehen waren Kohlenstoff-Werkzeugstähle von großer Bedeutung für die Entwicklung industrieller Werkzeuge und Maschinen, mit Anwendungen von Handwerkzeugen bis hin zu komplexen Maschinenkomponenten. Ihre Marktposition bleibt stark aufgrund ihres Gleichgewichts zwischen Leistung und Kosten.
Alternative Namen, Standards und Entsprechungen
| Normungsorganisation | Bezeichnung/Grad | Land/Region des Ursprungs | Bemerkungen/Hinweise |
|---|---|---|---|
| UNS | T1 | USA | Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl, ähnliche Eigenschaften |
| AISI/SAE | AISI D2 | USA | Hochlegierter Kohlenstoffstahl mit hohem Chromgehalt |
| ASTM | A681 | USA | Spezifikation für Werkzeugstähle |
| EN | 1.2379 | Europa | Entspricht AISI D2, hohe Verschleißfestigkeit |
| JIS | SKD11 | Japan | Ähnlich wie D2, mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden |
| DIN | X153CrMoV12 | Deutschland | Hochlegierter Kohlenstoffstahl mit Chrom und Molybdän |
Die Unterschiede zwischen gleichwertigen Klassen können subtil, aber bedeutend sein. Zum Beispiel, während AISI D2 und JIS SKD11 oft als gleichwertig angesehen werden, kann SKD11 aufgrund seiner spezifischen Legierungselemente leicht unterschiedliche Zähigkeits- und Verschleißfestigkeitseigenschaften aufweisen.
Wichtige Eigenschaften
Chemische Zusammensetzung
| Element (Symbol und Name) | Prozentsatzbereich (%) |
|---|---|
| C (Kohlenstoff) | 0,5 - 1,5 |
| Mn (Mangan) | 0,3 - 0,9 |
| Si (Silizium) | 0,1 - 0,4 |
| Cr (Chrom) | 0,5 - 1,5 |
| Mo (Molybdän) | 0,1 - 0,5 |
| P (Phosphor) | ≤ 0,03 |
| S (Schwefel) | ≤ 0,03 |
Die primäre Rolle von Kohlenstoff im Kohlenstoff-Werkzeugstahl besteht darin, die Härte und Festigkeit durch die Bildung harter Mikrostrukturen während der Wärmebehandlung zu verbessern. Mangan verbessert die Härte und Zähigkeit, während Chrom und Molybdän zur Verschleißfestigkeit und Stabilität bei erhöhten Temperaturen beitragen.
Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Prüftemperatur | Typischer Wert/Bereich (metrisch) | Typischer Wert/Bereich (imperial) | Referenzstandard für die Prüfmethode |
|---|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | gehärtet & angelassen | Raumtemperatur | 700 - 900 MPa | 101,5 - 130 ksi | ASTM E8 |
| Streckgrenze (0,2% Offset) | gehärtet & angelassen | Raumtemperatur | 600 - 800 MPa | 87 - 116 ksi | ASTM E8 |
| Dehnung | gehärtet & angelassen | Raumtemperatur | 5 - 10% | 5 - 10% | ASTM E8 |
| Härte (HRC) | gehärtet & angelassen | Raumtemperatur | 58 - 65 HRC | 58 - 65 HRC | ASTM E18 |
| Schlagfestigkeit (Charpy) | gehärtet & angelassen | -20 °C | 20 - 30 J | 14,8 - 22,1 ft-lbf | ASTM E23 |
Die Kombination aus hoher Zug- und Streckfestigkeit sowie erheblicher Härte macht Kohlenstoff-Werkzeugstahl geeignet für Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen und Verschleiß, wie Schneidwerkzeuge und Stempel. Die niedrigeren Dehnungswerte deuten jedoch auf eine Tendenz zur Sprödigkeit hin, die bei der Gestaltung berücksichtigt werden muss.
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Wert (metrisch) | Wert (imperial) |
|---|---|---|---|
| Dichte | Raumtemperatur | 7,85 g/cm³ | 0,284 lb/in³ |
| Schmelzpunkt/-bereich | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Wärmeleitfähigkeit | Raumtemperatur | 45 W/m·K | 31,2 BTU·in/h·ft²·°F |
| Spezifische Wärmefähigkeit | Raumtemperatur | 0,46 kJ/kg·K | 0,11 BTU/lb·°F |
| Elektrische Widerstandsfähigkeit | Raumtemperatur | 0,0006 Ω·m | 0,0004 Ω·in |
Die Dichte des Kohlenstoff-Werkzeugstahls weist auf ein robustes Material hin, während der Schmelzpunkt eine gute thermische Stabilität suggeriert. Die Wärmeleitfähigkeit ist moderat, was vorteilhaft für die Wärmeableitung in Schneidanwendungen ist. Die spezifische Wärmefähigkeit ist relativ niedrig, was bedeutet, dass er sich schnell erhitzt, was in Bearbeitungsprozessen vorteilhaft sein kann.
Korrosionsbeständigkeit
| Korrosives Mittel | Konzentration (%) | Temperatur (°C) | Widerstandsgrad | Notizen |
|---|---|---|---|---|
| Wasser | 0 - 100 | 20 | Schlecht | Neigt zum Rosten ohne Schutz |
| Säuren (HCl) | 0 - 10 | 20 | Schlecht | Empfindlich gegenüber Lochkorrosion |
| Alkalien | 0 - 10 | 20 | Ausreichend | Begrenzte Widerstandsfähigkeit, erfordert Beschichtungen |
| Chloride | 0 - 5 | 20 | Schlecht | Risiko von spannungsinduzierten Rissen |
Kohlenstoff-Werkzeugstahl weist eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere in feuchten Umgebungen oder bei Kontakt mit sauren oder chlorierten Bedingungen. Diese Anfälligkeit erfordert Schutzbeschichtungen oder regelmäßige Wartung, um Rost zu verhindern. Im Vergleich zu rostfreien Stählen, wie AISI 304, die eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bieten, sind Kohlenstoff-Werkzeugstähle weniger geeignet für Anwendungen, bei denen eine Exposition gegenüber korrosiven Umgebungen zu erwarten ist.
Hitzebeständigkeit
| Eigenschaft/Grenzwert | Temperatur (°C) | Temperatur (°F) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Maximale Dauerbetriebstemperatur | 200 | 392 | Darüber verschlechtern sich die Eigenschaften |
| Maximale intermittierende Betriebstemperatur | 300 | 572 | Nur kurzfristige Exposition |
| Skalier Temperatur | 500 | 932 | Risiko von Oxidation darüber hinaus |
Bei erhöhten Temperaturen kann Kohlenstoff-Werkzeugstahl Härte und Festigkeit verlieren, was ihn für Hochtemperatureinsätze ohne ordnungsgemäße Wärmebehandlung ungeeignet macht. Oxidation kann bei Temperaturen über 500 °C auftreten, was zu Oberflächenabnutzung führt.
Fügeigenschaften
Schweißbarkeit
| Schweißverfahren | Empfohlener Zusatzwerkstoff (AWS-Klassifizierung) | Typisches Schutzgas/Flux | Notizen |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argon + CO2 | Vorföhnen empfohlen |
| TIG | ER70S-2 | Argon | Benötigt eine Nachbehandlung nach dem Schweißen |
| Stab | E7018 | N/A | Nicht ideal für dicke Abschnitte |
Kohlenstoff-Werkzeugstähle können geschweißt werden, jedoch muss darauf geachtet werden, Risse zu vermeiden. Das Vorwärmen vor dem Schweißen und die Nachbehandlung sind häufig notwendig, um Spannungen abzubauen und die Zähigkeit zu erhöhen.
Bearbeitbarkeit
| Bearbeitungsparameter | Kohlenstoff-Werkzeugstahl | AISI 1212 | Notizen/Tipps |
|---|---|---|---|
| Relativer Bearbeitungsindex | 70 | 100 | Kohlenstoff-Werkzeugstahl ist weniger bearbeitbar als 1212 |
| Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen) | 30 m/min | 50 m/min | Anpassen basierend auf Werkzeugverschleiß |
Die Bearbeitbarkeit ist moderat; während Kohlenstoff-Werkzeugstähle bearbeitet werden können, erfordern sie eine sorgfältige Auswahl von Werkzeugen und Parametern, um übermäßigen Verschleiß zu vermeiden.
Formbarkeit
Kohlenstoff-Werkzeugstähle sind im Allgemeinen nicht so formbar wie niedriglegierte Kohlenstähle. Kaltumformung kann zu einer Verfestigung führen, während Warmumformung machbar ist, jedoch eine sorgfältige Temperaturkontrolle erfordert, um Sprödigkeit zu vermeiden.
Wärmebehandlung
| Behandlungsprozess | Temperaturbereich (°C) | Typische Haltezeit | Kühlmethode | Primärer Zweck / Erwünschtes Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Glühen | 700 - 800 | 1 - 2 Stunden | Luft | Weichmachung, Verbesserung der Bearbeitbarkeit |
| Härten | 800 - 900 | 30 Minuten | Öl oder Wasser | Härten, Bildung von Martensit |
| Anlassen | 150 - 300 | 1 Stunde | Luft | Reduzierung der Sprödigkeit, Erhöhung der Zähigkeit |
Wärmebehandlungsprozesse beeinflussen erheblich die Mikrostruktur und Eigenschaften des Kohlenstoff-Werkzeugstahls. Das Härten verwandelt den Stahl in eine harte martensitische Struktur, während das Anlassen die Sprödigkeit reduziert und die Zähigkeit erhöht.
Typische Anwendungen und Endnutzungen
| Industrie/Sektor | Beispiel für spezifische Anwendung | Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden | Auswahlgründe |
|---|---|---|---|
| Fertigung | Schneidwerkzeuge | Hohe Härte, Verschleißfestigkeit | Für die Schneidleistung entscheidend |
| Automobil | Stempel für das Stanzen | Zähigkeit, Festigkeit | Erforderlich für hochbelastete Anwendungen |
| Luftfahrt | Werkzeuge zum Bearbeiten | Härte, dimensionsstabilität | Präzision und Haltbarkeit sind entscheidend |
Weitere Anwendungen sind:
* Handwerkzeuge (Meißel, Hämmer)
* Formen für die Kunststoffspritzguss
* Vorrichtungen und Halterungen in der Fertigung
Kohlenstoff-Werkzeugstahl wird für diese Anwendungen aufgrund seiner Fähigkeit ausgewählt, scharfe Kanten zu halten und Verschleiß standzuhalten, was ihn ideal für Werkzeuge und Stempel macht.
Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke
| Merkmal/Eigenschaft | Kohlenstoff-Werkzeugstahl | AISI D2 | AISI 4140 | Kurze Pro-/Kontra- oder Abwägungsnotiz |
|---|---|---|---|---|
| Wichtige mechanische Eigenschaft | Hohe Härte | Höhere Verschleißfestigkeit | Bessere Zähigkeit | D2 bietet bessere Verschleißfestigkeit, ist jedoch teurer |
| Wichtiger Korrosionsaspekt | Schlecht | Ausreichend | Gut | 4140 ist besser für korrosive Umgebungen geeignet |
| Schweißbarkeit | Moderat | Schlecht | Gut | 4140 kann einfacher geschweißt werden |
| Bearbeitbarkeit | Moderat | Gut | Ausreichend | D2 ist schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoff-Werkzeugstahl |
| Ungefähre relative Kosten | Niedrig | Moderat | Moderat | Kohlenstoff-Werkzeugstahl ist kosteneffektiv für viele Anwendungen |
| Typische Verfügbarkeit | Hoch | Moderat | Hoch | Kohlenstoff-Werkzeugstahl ist weit verbreitet |
Bei der Auswahl von Kohlenstoff-Werkzeugstahl sollten Kosten-Effektivität, Verfügbarkeit und die spezifischen mechanischen Eigenschaften, die für die Anwendung erforderlich sind, berücksichtigt werden. Während er hervorragende Härte und Verschleißfestigkeit bietet, müssen seine Einschränkungen in Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit im Einklang mit den Anforderungen der vorgesehenen Nutzung bewertet werden.