Gegossenes Kohlenstoffstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

Gegossenes Kohlenstoffstahl ist eine Stahlkategorie, die durch ihren hohen Kohlenstoffgehalt und das Produktionsverfahren, das das Gießen von geschmolzenem Metall in Formen umfasst, gekennzeichnet ist. Diese Stahlgüte wird hauptsächlich als Low-Carbon- oder Medium-Carbon-Stahl klassifiziert, abhängig von seinem Kohlenstoffgehalt, der typischerweise zwischen 0,05 % und 0,30 % liegt. Das primäre legierende Element in gegossenem Kohlenstoffstahl ist Kohlenstoff (C), der erheblichen Einfluss auf Härte, Festigkeit und Zähigkeit hat. Weitere Elemente können Mangan (Mn), Silizium (Si) und kleine Mengen an Schwefel (S) und Phosphor (P) umfassen, die die mechanischen Eigenschaften und die Leistung des Stahls beeinflussen können.

Umfassender Überblick

Gegossenes Kohlenstoffstahl ist für seine hervorragende Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit bekannt, was ihn zu einer beliebten Wahl in verschiedenen Ingenieuranwendungen macht. Zu seinen bedeutenden Eigenschaften gehören eine gute Zugfestigkeit, Verschleißfestigkeit und die Fähigkeit, wärmebehandelt zu werden, um seine Eigenschaften zu verbessern. Die inherenten Eigenschaften des gegossenen Kohlenstoffstahls ermöglichen den Einsatz in Anwendungen, bei denen Festigkeit und Haltbarkeit von größter Bedeutung sind.

Vorteile von gegossenem Kohlenstoffstahl:
- Hohe Festigkeit: Bietet gute Zug- und Fließfestigkeit, was ihn für strukturelle Anwendungen geeignet macht.
- Kosteneffektiv: Allgemein günstiger als legierte Stähle und rostfreie Stähle.
- Vielseitig: Kann leicht in komplexe Formen gegossen werden, wodurch der Bedarf an umfangreicher Bearbeitung reduziert wird.

Einschränkungen von gegossenem Kohlenstoffstahl:
- Korrosionsanfälligkeit: Neigt zum Rosten und zur Korrosion, wenn er nicht ordnungsgemäß behandelt oder beschichtet wird.
- Niedrigere Zähigkeit: Im Vergleich zu legierten Stählen kann es eine niedrigere Zähigkeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, aufweisen.
- Begrenzte Hochtemperaturleistung: Nicht ideal für Anwendungen, die eine Hochtemperaturbeständigkeit erfordern.

Historisch gesehen hat gegossenes Kohlenstoffstahl eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Industriemaschinen und Infrastruktur gespielt und wird häufig in der Herstellung von Komponenten wie Zahnrädern, Wellen und Rahmen verwendet.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Standard-Organisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region des Ursprungs	Hinweise/Bemerkungen
UNS	C10, C20, C30	USA	Nahezu gleichwertig zu niedrigen und mittleren Kohlenstoffstählen
AISI/SAE	1020, 1045	USA	Minimale zusammensetzende Unterschiede; 1020 ist niedrig Kohlenstoff, 1045 ist mittel Kohlenstoff
ASTM	A216	USA	Spezifikation für Gussstücke aus Kohlenstoffstahl
EN	1.0402, 1.0503	Europa	Äquivalente Grades für gegossenen Kohlenstoffstahl mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoff
DIN	G20Mn5, G40Mn2	Deutschland	Bezeichnungen für gegossene Kohlenstoffstähle mit spezifischem Mangan-Gehalt
JIS	SCW 40	Japan	Japanischer Standard für Gussstücke aus Kohlenstoffstahl

Die Unterschiede zwischen äquivalenten Grades können die Leistung erheblich beeinflussen. So werden AISI 1020 und 1045 oft als ähnlich angesehen, jedoch bietet der höhere Kohlenstoffgehalt in 1045 verbesserte Härte und Festigkeit, was ihn geeigneter für Anwendungen macht, die verbesserte mechanische Eigenschaften erfordern.

Wesentliche Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
C (Kohlenstoff)	0.05 - 0.30
Mn (Mangan)	0.30 - 0.90
Si (Silizium)	0.10 - 0.40
P (Phosphor)	≤ 0.04
S (Schwefel)	≤ 0.05

Die Hauptrolle des Kohlenstoffs im gegossenen Kohlenstoffstahl besteht darin, die Härte und Festigkeit durch Feststofflösungshärtung und die Bildung von Carbiden zu erhöhen. Mangan verbessert die Härtbarkeit und Zugfestigkeit, während Silizium als Entgaser wirkt und die Beständigkeit des Stahls gegen Oxidation erhöhen kann.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Typischer Wert/Bereich (Metrisch - SI-Einheiten)	Typischer Wert/Bereich (Imperiale Einheiten)	Referenzstandard für Prüfmethoden
Zugfestigkeit	Angelassen	370 - 480 MPa	54 - 70 ksi	ASTM E8
Fließgrenze (0.2 % Offset)	Angelassen	210 - 310 MPa	30 - 45 ksi	ASTM E8
Dehnung	Angelassen	20 - 30 %	20 - 30 %	ASTM E8
Härte (Brinell)	Angelassen	120 - 180 HB	120 - 180 HB	ASTM E10
Schlagfestigkeit	Charpy-V-Kerbe, -20°C	20 - 40 J	15 - 30 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften macht gegossenen Kohlenstoffstahl geeignet für Anwendungen, die gute Festigkeit und Zähigkeit erfordern, wie Strukturkomponenten und Maschinenbauteile. Seine Fähigkeit, wärmebehandelt zu werden, verbessert zudem seine Leistung in anspruchsvollen Umgebungen.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (Metrisch - SI-Einheiten)	Wert (Imperiale Einheiten)
Dichte	Raumtemperatur	7.85 g/cm³	490 lb/ft³
Schmelzpunkt/-bereich	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	50 W/m·K	29 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Spezifische Wärmekapazität	Raumtemperatur	0.46 kJ/kg·K	0.11 BTU/lb·°F
Elektrische Widerstandsfähigkeit	Raumtemperatur	0.00001 Ω·m	0.00001 Ω·in

Die Dichte des gegossenen Kohlenstoffstahls trägt zu seiner Festigkeit bei, während seine Wärmeleitfähigkeit für Anwendungen, die Wärmeübertragung erfordern, wesentlich ist. Die spezifische Wärmekapazität zeigt, wie viel Energie erforderlich ist, um die Temperatur zu erhöhen, was in thermischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosives Agens	Konzentration (%)	Temperatur (°C/°F)	Beständigkeitsbewertung	Hinweise
Atmosphärisch	Variiert	Umgebung	Befriedigend	Neigt ohne Schutz zum Rosten
Chloride	Variiert	Umgebung	Schlecht	Risiko von Lochkorrosion
Säuren	Variiert	Umgebung	Nicht empfohlen	Hoch anfällig
Alkalien	Variiert	Umgebung	Befriedigend	mäßige Beständigkeit

Gegossenes Kohlenstoffstahl zeigt eine befriedigende Beständigkeit gegenüber atmosphärischer Korrosion, ist jedoch anfällig für Rost, wenn er nicht ordnungsgemäß beschichtet oder gepflegt wird. In Chloridumgebungen neigt er zu Lochfraß, während die Exposition gegenüber Säuren zu einer schnellen Zersetzung führen kann. Im Vergleich zu rostfreien Stählen ist die Korrosionsbeständigkeit von gegossenem Kohlenstoffstahl erheblich geringer, was ihn für marine oder chemische Anwendungen weniger geeignet macht.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale Dauereinsatztemperatur	400 °C	752 °F	Darüber hinaus können die Eigenschaften abnehmen
Maximale intermittierende Einsatztemperatur	500 °C	932 °F	Nur kurzzeitige Exposition
Skalierungstemperatur	600 °C	1112 °F	Risiko von Oxidation bei dieser Temperatur
Kriechfestigkeitsüberlegungen	300 °C	572 °F	Beginnt an Festigkeit zu verlieren

Bei erhöhten Temperaturen kann gegossenes Kohlenstoffstahl oxidieren und mechanische Eigenschaften verlieren. Die maximale Dauereinsatztemperatur kennzeichnet die obere Grenze für prolonged Exposition, während die Skalierungstemperatur das Risiko der Oberflächenzerstörung hervorhebt.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empfohlene Füllmetall (AWS-Klassifizierung)	Typisches Schutzgas/Flussmittel	Hinweise
MIG	ER70S-6	Argon/CO2	Gut für dünne Abschnitte
TIG	ER70S-2	Argon	Hochwertige Schweißnähte
Stabelektrode	E7018	N/A	Geeignet für dickere Abschnitte

Gegossenes Kohlenstoffstahl wird allgemein als gut schweißbar angesehen, insbesondere mit den richtigen Füllmetallen. Das Vorwärmen kann für dickere Abschnitte erforderlich sein, um Rissbildung zu vermeiden, und eine Nachbehandlung nach dem Schweißen kann die Integrität des Schweißnähte verbessern.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	Gegossenes Kohlenstoffstahl	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	70	100	Gute Bearbeitbarkeit, variiert jedoch mit dem Kohlenstoffgehalt
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30-50 m/min	60-80 m/min	Anpassen je nach Werkzeug und Einrichtung

Gegossenes Kohlenstoffstahl bietet eine gute Bearbeitbarkeit, insbesondere in niedrigeren Kohlenstoffgraden. Optimale Schnittgeschwindigkeiten und Werkzeuge können die Leistung verbessern, während ein höherer Kohlenstoffgehalt robustere Werkzeuge aufgrund der erhöhten Härte erfordern kann.

Formbarkeit

Gegossenes Kohlenstoffstahl kann sowohl durch Kalt- als auch durch Warmbearbeitung geformt werden. Kaltverformung ist für dünnere Abschnitte geeignet, während Warmverformung für dickere Materialien bevorzugt wird. Das Material zeigt ein Werkhärten, das die Biegeradien und Formgrenzen beeinflussen kann.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlungsmethode	Hauptzweck / Erwünschtes Ergebnis
Annealing	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 Stunden	Luft oder Wasser	Weichmachen, verbesserte Zähigkeit
Härten	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 Minuten	Öl oder Wasser	Härten, erhöhte Festigkeit
Tempern	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 Stunde	Luft	Vermindern von Sprödigkeit, Verbesserung der Zähigkeit

Wärmebehandlungsprozesse verändern die Mikrostruktur von gegossenem Kohlenstoffstahl erheblich und verbessern dessen mechanische Eigenschaften. Das Anlassen macht das Material weich, während das Härten die Härte erhöht. Das Tempern ist entscheidend, um Spannungen abzubauen und die Zähigkeit zu verbessern.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Industrie/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wesentliche Stahl Eigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl (Kurzfassung)
Automobil	Motorgehäuse	Hohe Festigkeit, gute Bearbeitbarkeit	Haltbarkeit und Leistung
Bau	Stützträger	Hohe Zugfestigkeit, Schweißbarkeit	Tragende Anwendungen
Maschinenbau	Getriebe	Verschleißfestigkeit, Zähigkeit	Zuverlässigkeit unter Belastung
Erdöl & Gas	Pipelines	Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit	Sicherheit und Integrität

Weitere Anwendungen umfassen:
* - Komponenten schwerer Maschinen
* - Landmaschinen
* - Werkzeuge und Vorrichtungen

Gegossenes Kohlenstoffstahl wird für diese Anwendungen aufgrund seines Gleichgewichts zwischen Festigkeit, Bearbeitbarkeit und Kosteneffizienz ausgewählt, was ihn für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen geeignet macht.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Erkenntnisse

Merkmal/Eigenschaft	Gegossenes Kohlenstoffstahl	AISI 4140	Rostfreier Stahl 304	Kurzfassung Pro/Contra oder Kompromisshinweis
Wesentliche mechanische Eigenschaft	Gute Zugfestigkeit	Höhere Festigkeit	Geringere Festigkeit	4140 bietet bessere Festigkeit, aber zu höheren Kosten
Wesentliche Korrosionsaspekte	Befriedigende Beständigkeit	Gute Beständigkeit	Hervorragende Beständigkeit	Rostfreier Stahl ist überlegen in korrosiven Umgebungen
Schweißbarkeit	Gut	Befriedigend	Ausgezeichnet	Rostfreier Stahl erfordert spezielle Techniken
Bearbeitbarkeit	Gut	Befriedigend	Schlecht	Gegossenes Kohlenstoffstahl ist einfacher zu bearbeiten
Formbarkeit	Gut	Befriedigend	Schlecht	Rostfreier Stahl ist weniger formbar
Ungefährer relativer Preis	Niedrig	Mittel	Hoch	Preis ist ein wesentlicher Faktor bei der Auswahl
Typische Verfügbarkeit	Hoch	Mittel	Hoch	Gegossenes Kohlenstoffstahl ist weit verbreitet verfügbar

Bei der Auswahl von gegossenem Kohlenstoffstahl sind Überlegungen wie Kosteneffizienz, Verfügbarkeit und spezifische Anwendungsanforderungen zu berücksichtigen. Während er gute mechanische Eigenschaften und Bearbeitbarkeit bietet, kann seine Anfälligkeit für Korrosion in bestimmten Umgebungen schützende Beschichtungen oder Behandlungen erforderlich machen. Das Verständnis der Abwägungen zwischen gegossenem Kohlenstoffstahl und alternativen Materialien ist entscheidend für die optimale Materialauswahl in Ingeniranwendungen.