Mittelcarbonstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Mittelkohlenstahl, oft als Mittelstahl bezeichnet, wird als eine Art von Kohlenstoffstahl klassifiziert, der typischerweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 % bis 0,6 % aufweist. Diese Stahlgüte zeichnet sich in erster Linie durch ihr Gleichgewicht von Festigkeit, Duktilität und Verschleißfestigkeit aus, was sie für eine Vielzahl von Ingenieuranwendungen geeignet macht. Das Hauptlegierungselement im Mittelkohlenstahl ist Kohlenstoff, der erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und die Gesamtleistung hat.
Umfassende Übersicht
Mittelkohlenstahl ist weithin für seine Vielseitigkeit bekannt und wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit erfordern. Das Vorhandensein von Kohlenstoff erhöht die Härte und Festigkeit des Stahls, während der moderate Kohlenstoffgehalt eine gute Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit ermöglicht. Diese Stahlgüte wird häufig in der Herstellung von Automobilkomponenten, Maschinen und Bauanwendungen verwendet.
Vorteile von Mittelkohlenstahl:
- Festigkeit und Zähigkeit: Der Kohlenstoffgehalt sorgt für hervorragende Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit.
- Verschleißfestigkeit: Geeignet für Anwendungen, die Widerstand gegen Abnutzung erfordern.
- Kosteneffizienz: Im Allgemeinen günstiger als hochlegierte Stähle, bietet aber dennoch gute Leistung.
Einschränkungen von Mittelkohlenstahl:
- Korrosionsbeständigkeit: Mittelkohlenstahl ist im Vergleich zu rostfreien Stählen korrosionsanfälliger.
- Sprödigkeit bei hohen Temperaturen: Kann spröde werden, wenn er nicht richtig wärmebehandelt wird.
- Begrenzte Duktilität: Obwohl er eine bessere Duktilität als hochkohlenstoffhaltige Stähle hat, ist er möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet, die umfangreiche Verformungen erfordern.
Historisch gesehen hat Mittelkohlenstahl eine entscheidende Rolle in der industriellen Entwicklung gespielt, insbesondere während des Aufstiegs der Automobil- und Fertigungssektoren. Sein Gleichgewicht der Eigenschaften hat ihn zu einem Grundmaterial in verschiedenen Ingenieurdisziplinen gemacht.
Alternative Namen, Standards und Äquivalente
| Standardorganisation | Bezeichnung/Güte | Land/Region des Ursprungs | Hinweise/Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| UNS | G10400 | USA | Nächstes Äquivalent zu AISI 1040 |
| AISI/SAE | 1040 | USA | Häufig verwendet für Wellen und Zahnräder |
| ASTM | A36 | USA | Baustahl mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt |
| EN | C40E | Europa | Geringfügige zusammensetzungsbedingte Unterschiede |
| DIN | C45 | Deutschland | Ähnliche Eigenschaften, leicht höherer Kohlenstoffgehalt |
| JIS | S45C | Japan | Vergleichbar mit AISI 1045 |
| GB | Q345B | China | Baustahl mit ähnlichen Anwendungen |
Die obige Tabelle hebt verschiedene Standards und Äquivalente für Mittelkohlenstahl hervor. Besonders erwähnenswert ist, dass Grade wie AISI 1040 und DIN C45 oft als äquivalent betrachtet werden, jedoch subtile Unterschiede in der Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften aufweisen können, die die Leistung in bestimmten Anwendungen beeinflussen können.
Wichtige 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 |
| P (Phosphor) | ≤ 0,04 |
| S (Schwefel) | ≤ 0,05 |
Die primären Legierungselemente im Mittelkohlenstahl umfassen Kohlenstoff und Mangan. Kohlenstoff ist entscheidend für die Verbesserung der Härte und Festigkeit, während Mangan die Härtbarkeit und Zugfestigkeit verbessert. Silizium dient als Entgasungsmittel während der Stahlherstellung, und Phosphor sowie Schwefel werden kontrolliert, um ihre schädlichen Auswirkungen auf Duktilität und Zähigkeit zu minimieren.
Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Prüftemperatur | Typischer Wert/Bereich (Metrisch) | Typischer Wert/Bereich (Imperial) | Referenzstandard für Testmethode |
|---|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Geglüht | Raumtemperatur | 400 - 700 MPa | 58 - 102 ksi | ASTM E8 |
| Streckgrenze (0,2 % Abweichung) | Geglüht | Raumtemperatur | 250 - 450 MPa | 36 - 65 ksi | ASTM E8 |
| Dehnung | Geglüht | Raumtemperatur | 15 - 25% | 15 - 25% | ASTM E8 |
| Härte (Brinell) | Geglüht | Raumtemperatur | 150 - 250 HB | 150 - 250 HB | ASTM E10 |
| Schlagfestigkeit | Charpy V-Kerbe | -20 °C | 20 - 50 J | 15 - 37 ft-lbf | ASTM E23 |
Die mechanischen Eigenschaften von Mittelkohlenstahl machen ihn geeignet für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern. Die Kombination von Zug- und Streckfestigkeit ermöglicht eine effektive Leistung unter mechanischer Belastung, während der Prozentsatz der Dehnung eine gute Duktilität anzeigt, die es dem Material ermöglicht, sich ohne Bruch zu verformen.
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Wert (Metrisch) | Wert (Imperial) |
|---|---|---|---|
| Dichte | Raumtemperatur | 7,85 g/cm³ | 0,284 lb/in³ |
| Schmelzpunkt | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Wärmeleitfähigkeit | Raumtemperatur | 50 W/m·K | 34,5 BTU·in/(hr·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·in |
Die Dichte von Mittelkohlenstahl trägt zu seinem Gesamtgewicht und seiner strukturellen Integrität bei, während der Schmelzpunkt seine Eignung für Hochtemperatur-Anwendungen anzeigt. Die Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität sind wichtig für Anwendungen, die Wärmeübertragung erfordern, wie z.B. in Automobilkomponenten.
Korrosionsbeständigkeit
| Korrosives Mittel | Konzentration (%) | Temperatur (°C/°F) | Widerstandsbeurteilung | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Atmosphärisch | Variiert | Umgebung | Befriedigend | Korrosionsanfälligkeit |
| Chloride | Variiert | Umgebung | Schlecht | Risiko der Lochkorrosion |
| Säuren | Variiert | Umgebung | Schlecht | Nicht empfohlen |
| Alkalisch | Variiert | Umgebung | Befriedigend | Mittlerer Widerstand |
Mittelkohlenstahl zeigt eine mäßige Korrosionsbeständigkeit, insbesondere unter atmosphärischen Bedingungen. Er ist jedoch anfällig für Rost und Lochkorrosion in chloridreichen Umgebungen, wie z.B. in Küstengebieten oder bei Enteisungssalzen. Im Vergleich zu rostfreien Stählen erfordert Mittelkohlenstahl in korrosiven Umgebungen schützende Beschichtungen oder Behandlungen, um seine Langlebigkeit zu erhöhen.
Im Vergleich zu Stahlsorten wie AISI 304, die eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bieten, ist Mittelkohlenstahl weniger geeignet für Anwendungen, die harschen Bedingungen ausgesetzt sind. Er kann jedoch in Bezug auf Verschleißfestigkeit und Festigkeit besser abschneiden als niedriglegierte Stähle.
Hitzebeständigkeit
| Eigenschaft/Grenze | Temperatur (°C) | Temperatur (°F) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Maximale Dauerbetriebstemperatur | 400 °C | 752 °F | Geeignet für mäßige Temperaturen |
| Maximale intermittierende Betriebstemperatur | 500 °C | 932 °F | Nur kurzfristige Exposition |
| Skalierungstemperatur | 600 °C | 1112 °F | Risiko der Oxidation über dieser Temperatur |
| Krümmfestigkeitsüberlegungen beginnen bei | 400 °C | 752 °F | Gefahr von Verformungen |
Mittelkohlenstahl kann mäßigen Temperaturen standhalten, wodurch er sich für Anwendungen wie Automobilkomponenten und Maschinen eignet. Bei erhöhten Temperaturen kann es jedoch zu Oxidation und Verlust der mechanischen Eigenschaften kommen, was eine sorgfältige Überlegung bei der Konstruktion und Anwendung erfordert.
Fertigungs-Eigenschaften
Schweißbarkeit
| Schweißverfahren | Empfohlener Zusatzwerkstoff (AWS-Klassifikation) | Typisches Schutzgas/Flux | Hinweise |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argon + CO2 | Gute Fusion und Durchdringung |
| TIG | ER70S-2 | Argon | Saubere Schweißnähte, erfordert Vorwärmung |
| Stab | E7018 | N/A | Geeignet für dickere Bereiche |
Mittelkohlenstahl ist im Allgemeinen schweißbar, jedoch kann Vorwärmung erforderlich sein, um Rissbildung zu vermeiden, insbesondere in dickeren Bereichen. Eine anschließende Wärmebehandlung kann die Eigenschaften der Schweißzone verbessern, indem Restspannungen reduziert und die Zähigkeit erhöht werden.
Zerspanbarkeit
| Zerspanungsparameter | Mittelkohlenstahl | AISI 1212 | Hinweise/Tipps |
|---|---|---|---|
| Relativer Zerspanungsindex | 70 | 100 | Gute Zerspanbarkeit, aber härter als niedriglegierte Stähle |
| Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen) | 30-50 m/min | 60-80 m/min | Verwenden Sie Hochgeschwindigkeitsstähle |
Mittelkohlenstahl bietet eine gute Zerspanbarkeit, obwohl es schwieriger zu bearbeiten ist als niedriglegierte Stähle. Optimale Schnittgeschwindigkeiten und Werkzeuge müssen ausgewählt werden, um die gewünschten Oberflächenqualitäten und Toleranzen zu erreichen.
Formbarkeit
Mittelkohlenstahl weist mäßige Formbarkeit auf. Er kann kalt oder heiß geformt werden, aber es muss darauf geachtet werden, dass es nicht zu einer übermäßigen Verfestigung kommt. Der minimale Biegeradius sollte während der Formoperations berücksichtigt werden, um Rissbildung zu vermeiden.
Wärmebehandlung
| Behandlungsprozess | Temperaturbereich (°C/°F) | Typische Haltezeit | Kühlmethode | Primärer Zweck / Erwartetes Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Glühen | 700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F | 1 - 2 Stunden | Luft oder Ofen | Weichmachen, verbesserte Duktilität |
| Abkühlen | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 Minuten | Wasser oder Öl | Härten, erhöhte Festigkeit |
| Anlassen | 400 - 600 °C / 752 - 1112 °F | 1 Stunde | Luft | Reduzierung der Sprödigkeit, Verbesserung der Zähigkeit |
Wärmebehandlungsprozesse wie Glühen, Abkühlen und Anlassen sind entscheidend für die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Mittelkohlenstahl. Diese Behandlungen verändern die Mikrostruktur, verbessern die Härte und Festigkeit und balancieren gleichzeitig die Duktilität.
Typische Anwendungen und Endverwendung
| Branche/Sektor | Konkretes Anwendungsbeispiel | Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden | Grund für die Auswahl |
|---|---|---|---|
| Automobil | Zahnräder und Wellen | Hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit | Erforderlich für Haltbarkeit und Leistung |
| Bau | Strukturelle Träger | Festigkeit, Zähigkeit | Trägt schwere Lasten in Strukturen |
| Maschinenbau | Kurbelwellen | Zähigkeit, Ermüdungsfestigkeit | Hält zyklischen Belastungsbedingungen stand |
Mittelkohlenstahl wird häufig in der Automobil-, Bau- und Maschinenbauindustrie aufgrund seiner günstigen mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Seine Festigkeit und Zähigkeit machen ihn ideal für Bauteile, die erheblichen Belastungen und Abnutzungen ausgesetzt sind.
Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke
| Merkmal/Eigenschaft | Mittelkohlenstahl | AISI 4140 | AISI 1018 | Kurz Notiz über Vor- und Nachteile oder Trade-offs |
|---|---|---|---|---|
| Wichtige mechanische Eigenschaft | Mäßige Festigkeit | Hohe Festigkeit | Geringe Festigkeit | 4140 bietet höhere Festigkeit, ist aber teurer |
| Wichtiger Korrosionsaspekt | Befriedigende Beständigkeit | Gute Beständigkeit | Schlechte Beständigkeit | 4140 ist besser für korrosive Umgebungen |
| Schweißbarkeit | Gut | Mäßig | Exzellent | 1018 ist einfacher zu schweißen |
| Zerspanbarkeit | Mäßig | Mäßig | Exzellent | 1018 ist einfacher zu zerspanen |
| Formbarkeit | Mäßig | Schlecht | Gut | 1018 ist formbarer |
| Ungefährer relativer Preis | Mäßig | Höher | Niedriger | Kostenüberlegungen können die Auswahl beeinflussen |
| Typische Verfügbarkeit | Weit verbreitet | Weniger häufig | Weit verbreitet | 1018 ist häufiger vorrätig |
Bei der Auswahl von Mittelkohlenstahl gehören zu den Überlegungen mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Kosten. Während er ein Gleichgewicht aus Festigkeit und Duktilität bietet, können Alternativen wie AISI 4140 für Anwendungen mit höherem Festigkeitsbedarf bevorzugt werden, jedoch zu höheren Kosten. Umgekehrt kann AISI 1018 für Anwendungen gewählt werden, bei denen einfache Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit entscheidend sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mittelkohlenstahl ein vielseitiges Material ist, das eine bedeutende Rolle in verschiedenen Ingenieuranwendungen spielt. Sein Gleichgewicht der Eigenschaften macht ihn zu einer beliebten Wahl, aber eine sorgfältige Berücksichtigung seiner Einschränkungen und Alternativen ist für optimale Leistungen in bestimmten Anwendungen unerlässlich.