Mittlerer Kohlenstoffstahl: Eigenschaften und zentrale Anwendungen

Mittlerer Kohlenstoffstahl ist eine Stahlkategorie, die typischerweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,3% bis 0,6% aufweist. Diese Klassifizierung platziert ihn zwischen niedriglegierten Stählen, die einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,3% haben, und hochlegierten Stählen, die über 0,6% liegen. Mittlerer Kohlenstoffstahl wird hauptsächlich mit Mangan legiert, was seine Empfindlichkeit gegenüber Härtung und seine Festigkeit verbessert. Andere Elemente wie Silizium, Chrom und Nickel können ebenfalls in geringeren Mengen vorhanden sein, die zu verschiedenen mechanischen Eigenschaften beitragen.

Umfassende Übersicht

Mittlerer Kohlenstoffstahl ist bekannt für sein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Verschleißfestigkeit, was ihn für eine Vielzahl von Ingenieuranwendungen geeignet macht. Seine mechanischen Eigenschaften können durch Wärmebehandlungsprozesse maßgeschneidert werden, was eine breite Palette von Härte- und Zähigkeitsgraden ermöglicht. Die signifikantesten Merkmale des mittleren Kohlenstoffstahls sind:

• Festigkeit und Härte: Der Kohlenstoffgehalt ermöglicht eine höhere Zugfestigkeit und Härte im Vergleich zu niedriglegierten Stählen, was ihn für Anwendungen geeignet macht, die Langlebigkeit erfordern.
• Duktilität: Obwohl er stärker als niedriglegierter Stahl ist, behält mittlerer Kohlenstoffstahl ein angemessenes Maß an Duktilität bei, wodurch er geformt und gestaltet werden kann, ohne zu brechen.
• Verschleißfestigkeit: Die legierenden Elemente tragen zur verbesserten Verschleißfestigkeit bei, was ihn ideal für Bauteile macht, die Reibung und Abrieb ausgesetzt sind.

Vorteile:
- Gute Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit.
- Hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.
- Vielseitig einsetzbar für verschiedene Anwendungen, einschließlich Automobil- und Strukturbauteilen.

Beschränkungen:
- Anfällig für Korrosion, wenn nicht richtig behandelt oder beschichtet.
- Höherer Kohlenstoffgehalt kann zu Sprödigkeit führen, wenn nicht korrekt wärmebehandelt.

Historisch gesehen wurde mittlerer Kohlenstoffstahl häufig in der Herstellung von Zahnrädern, Achsen und anderen Bauteilen eingesetzt, bei denen eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität erforderlich ist. Seine Marktstellung bleibt stark aufgrund seiner Vielseitigkeit und Kosteneffektivität.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Standard-Organisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region des Ursprungs	Hinweise/Anmerkungen
UNS	G10400	USA	Näheste Entsprechung zu AISI 1040
AISI/SAE	1040	USA	Häufig verwendet für strukturelle Anwendungen
ASTM	A36	USA	Strukturstahl mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt
EN	S235JR	Europa	Vergleichbar, aber mit geringerer Streckgrenze
DIN	C45	Deutschland	Ähnliche Eigenschaften, aber mit unterschiedlichen legierenden Elementen
JIS	S45C	Japan	Äquivalent mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden
GB	Q345B	China	Höhere Streckgrenze, geeignet für strukturelle Anwendungen
ISO	1.0503	International	Allgemeiner Strukturstahl

Hinweise: Auch wenn viele Grade als äquivalent gelten, können subtile Unterschiede in der Zusammensetzung die Leistung beeinflussen. Beispielsweise hat AISI 1040 einen höheren Mangangehalt als einige europäische Äquivalente, was die Härtbarkeit erhöhen kann.

Schlüssel Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
C (Kohlenstoff)	0.3 - 0.6
Mn (Mangan)	0.6 - 1.65
Si (Silizium)	0.15 - 0.4
Cr (Chrom)	0.0 - 0.5
Ni (Nickel)	0.0 - 0.5
P (Phosphor)	≤ 0.04
S (Schwefel)	≤ 0.05

Die Hauptfunktion von Kohlenstoff in mittlerem Kohlenstoffstahl besteht darin, die Härte und Festigkeit zu erhöhen. Mangan verbessert die Härtbarkeit und Zugfestigkeit, während Silizium zur Entgasung während der Stahlherstellung beiträgt und die Festigkeit erhöht. Chrom und Nickel können die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit insbesondere in bestimmten Anwendungen verbessern.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Testtemperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für Prüfmethode
Zugfestigkeit	Annealed	Raumtemperatur	400 - 700 MPa	58 - 102 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0.2% Versatz)	Annealed	Raumtemperatur	250 - 450 MPa	36 - 65 ksi	ASTM E8
Elongation	Annealed	Raumtemperatur	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
Härte (Brinell)	Annealed	Raumtemperatur	150 - 250 HB	150 - 250 HB	ASTM E10
Schlagfestigkeit (Charpy)	Abgeschreckt & Vergütet	-20 °C	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften macht mittleren Kohlenstoffstahl geeignet für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern, wie z.B. Automobilkomponenten und Strukturteile. Seine Fähigkeit, wärmebehandelt zu werden, ermöglicht die Anpassung der Eigenschaften an spezifische Belastungsbedingungen.

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	50 W/m·K	29 BTU·in/h·ft²·°F
Spezifische Wärmekapazität	Raumtemperatur	0.46 kJ/kg·K	0.11 BTU/lb·°F
Elektrischer Widerstand	Raumtemperatur	0.0000017 Ω·m	0.0000017 Ω·ft
Koefizient der thermischen Ausdehnung	Raumtemperatur	11.5 x 10⁻⁶/K	6.4 x 10⁻⁶/°F

Wichtige physikalische Eigenschaften wie Dichte und Schmelzpunkt sind entscheidend für Anwendungen in hochtemperaturbelasteten Umgebungen. Die Wärmeleitfähigkeit ist signifikant für Bauteile, die möglicherweise schnellen Temperaturänderungen ausgesetzt sind, während die spezifische Wärmekapazität beeinflusst, wie Materialien auf thermische Lasten reagieren.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsmittel	Konzentration (%)	Temperatur (°C)	Beständigkeitsbewertung	Hinweise
Chloride	Variiert	Umgebung	Ausreichend	Risiko von Lochkorrosion
Schwefelsäure	Niedrig	Umgebung	Schlecht	Nicht empfohlen
Meerwasser	Variiert	Umgebung	Ausreichend	Benötigt Schutzbeschichtung
Alkalische Lösungen	Variiert	Umgebung	Gut	Allgemein beständig

Mittlerer Kohlenstoffstahl zeigt eine moderate Korrosionsbeständigkeit, insbesondere unter atmosphärischen Bedingungen. Er ist jedoch anfällig für Lochkorrosion in Chloridumgebungen und sollte in sauren oder stark alkalischen Bedingungen geschützt werden. Im Vergleich zu rostfreien Stählen erfordert mittlerer Kohlenstoffstahl zusätzliche Schutzmaßnahmen, um Korrosion zu verhindern.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale kontinuierliche Betriebstemperatur	400 °C	752 °F	Geeignet für strukturelle Anwendungen
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	500 °C	932 °F	Kurzfristige Exposition
Skalierungstemperatur	600 °C	1112 °F	Risiko von Oxidation
Kriechfestigkeit beginnt	400 °C	752 °F	Wichtig für langfristige Anwendungen

Bei hohen Temperaturen kann mittlerer Kohlenstoffstahl seine mechanischen Eigenschaften aufrechterhalten, aber es muss darauf geachtet werden, Oxidation und Skalierung zu vermeiden. Die Leistung des Materials kann sich verschlechtern, wenn es über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, insbesondere in Anwendungen mit zyklischen Belastungen.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empfohlene Zusatzmetall (AWS-Klassifizierung)	Typisches Schutzgas/Flussmittel	Hinweise
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Gut für dünne Bereiche
TIG	ER70S-2	Argon	Geeignet für Präzisionsarbeit
Stick (SMAW)	E7018	-	Benötigt Vorschwärzung für dicke Bereiche

Mittlerer Kohlenstoffstahl ist im Allgemeinen schweißbar, aber eine Vorschwärzung kann notwendig sein, um das Risiko von Rissen zu verringern. Eine Nachbehandlung nach dem Schweißen kann die Zähigkeit der Schweißnähte verbessern. Häufige Mängel umfassen Porosität und Überschneidungen, die mit der richtigen Technik minimiert werden können.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	Mittlerer Kohlenstoffstahl	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	70	100	Mittlerer Kohlenstoffstahl ist bearbeitbar, erfordert jedoch eine sorgfältige Werkzeugauswahl.
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30-50 m/min	60-90 m/min	Basierend auf Werkzeug und Aufbau anpassen.

Mittlerer Kohlenstoffstahl bietet eine gute Bearbeitbarkeit, aber der Kohlenstoffgehalt kann zu Werkzeugverschleiß führen. Hochgeschwindigkeitsstahl oder Hartmetallwerkzeuge werden für optimale Leistung empfohlen.

Formbarkeit

Mittlerer Kohlenstoffstahl kann durch sowohl kalte als auch heiße Verfahren geformt werden. Kaltumformung ist möglich, aber es muss darauf geachtet werden, Verfestigung durch Arbeit zu vermeiden. Der minimale Biegeradius sollte bei Umformverfahren berücksichtigt werden, um Risse zu verhindern.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Hauptzweck / Erwartetes Ergebnis
Glühen	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 Stunden	Luft	Härte reduzieren, Duktilität verbessern
Abschrecken	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 Minuten	Öl oder Wasser	Härte erhöhen
Vergüten	200 - 600 °C / 392 - 1112 °F	1 Stunde	Luft	Sprödigkeit reduzieren, Zähigkeit verbessern

Wärmebehandlungsprozesse verändern die Mikrostruktur von mittlerem Kohlenstoffstahl erheblich, was seine mechanischen Eigenschaften verbessert. Abschrecken erhöht die Härte, während Vergüten die Sprödigkeit reduziert, was das Material für verschiedene Anwendungen geeignet macht.

Typische Anwendungen und Endnutzungen

Branche/Sektor	Konkretes Anwendungsbeispiel	Wichtige Stahl-Eigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl
Automobil	Zahnräder	Hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit	Haltbarkeit unter Last
Bau	Träger	Festigkeit, Duktilität	Tragfähigkeit
Maschinenbau	Achsen	Zähigkeit, Bearbeitbarkeit	Präzisionskomponenten
Werkzeugbau	Schnittwerkzeuge	Härte, Verschleißfestigkeit	Langlebige Leistung

• Weitere Anwendungen umfassen:
• Befestigungen
• Federn
• Kurbelwellen
• Landwirtschaftliche Geräte

Mittlerer Kohlenstoffstahl wird für diese Anwendungen wegen seiner Fähigkeit ausgewählt, mechanischen Stress standzuhalten und seiner Vielseitigkeit in den Herstellungsprozessen.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	Mittlerer Kohlenstoffstahl	AISI 4140	AISI 1018	Kurze Pro-/Kontra- oder Abwägungsnotiz
Wichtige mechanische Eigenschaft	Moderat stark	Hochfest	Niedrigfest	4140 bietet höhere Festigkeit, aber geringere Duktilität
Wichtiger Korrosionsaspekt	Ausreichende Beständigkeit	Gute Beständigkeit	Schlechte Beständigkeit	4140 ist besser für korrosive Umgebungen
Schweißbarkeit	Gut	Ausreichend	Ausgezeichnet	1018 lässt sich leichter schweißen
Bearbeitbarkeit	Moderat	Ausreichend	Gut	1018 ist besser bearbeitbar
Formbarkeit	Gut	Ausreichend	Ausgezeichnet	1018 hat überlegene Formbarkeit
Ungefährer relativer Preis	Moderat	Höher	Niedriger	Kosten variieren mit Legierungselementen
Typische Verfügbarkeit	Allgemein	Weniger gebräuchlich	Sehr gebräuchlich	1018 ist weit verbreitet verfügbar

Bei der Auswahl von mittlerem Kohlenstoffstahl sind Überlegungen wie Kosten­effektivität, Verfügbarkeit und die spezifischen mechanischen Eigenschaften, die für die Anwendung erforderlich sind, wichtig. Während er ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität bietet, können alternative Grade für bestimmte Umgebungen oder Anwendungen geeigneter sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mittlerer Kohlenstoffstahl ein vielseitiges Material ist, das aufgrund seiner vorteilhaften mechanischen und physikalischen Eigenschaften in verschiedenen Branchen weit verbreitet eingesetzt wird. Das Verständnis seiner Eigenschaften, Bearbeitungseigenschaften und Anwendungen kann Ingenieuren und Designern helfen, fundierte Entscheidungen bei der Auswahl von Materialien für ihre Projekte zu treffen.