Unlegierter Kohlenstoffstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen
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Unlegierter Kohlenstahl ist eine grundlegende Stahlkategorie, die hauptsächlich durch ihren Kohlenstoffgehalt charakterisiert ist, der typischerweise zwischen 0,05 % und 2,0 % liegt. Diese Klassifikation umfasst verschiedene Unterkategorien, einschließlich Niedrig-, Mittel- und Hochkohlenstählen, die jeweils durch ihre spezifischen Kohlenstoffprozentsätze und entsprechenden Eigenschaften definiert sind. Das primäre Legierungselement im unlegierten Kohlenstahl ist der Kohlenstoff selbst, der erheblichen Einfluss auf seine mechanischen Eigenschaften, Härte und Verformbarkeit hat.
Umfassender Überblick
Unlegierter Kohlenstahl wird basierend auf seinem Kohlenstoffgehalt in drei Hauptkategorien eingeteilt:
- Niedrigkohlenstahl: Enthält etwa 0,05 % bis 0,25 % Kohlenstoff. Er ist bekannt für seine hervorragende Verformbarkeit und Schweißbarkeit, wodurch er sich für Anwendungen eignet, die umfangreiche Formungen und Gestaltungen erfordern.
- Mittelkohlenstahl: Enthält etwa 0,25 % bis 0,60 % Kohlenstoff. Diese Art bietet ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Verformbarkeit, was sie ideal für Anwendungen wie Automobilkomponenten und Maschinenbauteile macht.
- Hochkohlenstahl: Enthält 0,60 % bis 2,0 % Kohlenstoff. Er zeichnet sich durch hohe Härte und Festigkeit, aber geringere Verformbarkeit aus, was ihn für Schneidwerkzeuge und Federn geeignet macht.
Die wesentlichen Merkmale des unlegierten Kohlenstahls umfassen:
- Festigkeit: Höherer Kohlenstoffgehalt erhöht die Zugfestigkeit.
- Verformbarkeit: Niedrigerer Kohlenstoffgehalt verbessert die Verformbarkeit, was einfachere Formungen und Bearbeitungen ermöglicht.
- Schweißbarkeit: Generell gut, kann jedoch durch Kohlenstoffgehalt und Wärmebehandlung beeinträchtigt werden.
Vorteile:
- Kostenwirksam und weit verbreitet.
- Vielseitig für verschiedene Anwendungen aufgrund seines Variationsbereichs an Kohlenstoffgehalt.
- Gute mechanische Eigenschaften können durch Wärmebehandlung angepasst werden.
Beschränkungen:
- Anfällig für Korrosion ohne schützende Beschichtungen.
- Höherer Kohlenstoffstahl kann spröde und weniger verformbar sein.
- Eingeschränkte Beständigkeit gegen hohe Temperaturen im Vergleich zu Legierungsstählen.
Historisch gesehen war unlegierter Kohlenstahl ein Grundpfeiler der Stahlindustrie und diente als Grundlage für viele Ingenieuranwendungen aufgrund seiner Verfügbarkeit und der Leichtigkeit der Verarbeitung.
Alternative Namen, Standards und Äquivalente
| Standards Organisation | Bezeichnung/Grad | Herkunftsland/-region | Hinweise/Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| UNS | G10100 | USA | Niedrigstahl |
| AISI/SAE | 1010 | USA | Nächstes Äquivalent zu UNS G10100 |
| ASTM | A36 | USA | Bau- und Strukturstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt |
| EN | S235JR | Europa | Vergleichbar mit A36, mit geringfügigen zusammensetzungstechnischen Unterschieden |
| DIN | St37-2 | Deutschland | Ähnlich wie S235JR, verwendet in strukturellen Anwendungen |
| JIS | SS400 | Japan | Entspricht S235JR, häufig in der Bauwirtschaft verwendet |
| GB | Q235 | China | Ähnlich wie A36, wird häufig im Bauwesen verwendet |
Die Anmerkungen in der Tabelle heben hervor, dass, während diese Grade als äquivalent betrachtet werden können, subtile Unterschiede in der Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften ihre Leistung in speziellen Anwendungen beeinflussen können. Zum Beispiel hat A36-Stahl eine spezifizierte Streckgrenze, während S235JR eine leicht unterschiedliche chemische Zusammensetzung hat, die die Schweißbarkeit beeinflussen kann.
Wesentliche Eigenschaften
Chemische Zusammensetzung
| Element (Symbol und Name) | Prozentsatzbereich (%) |
|---|---|
| C (Kohlenstoff) | 0,05 - 2,0 |
| Mn (Mangan) | 0,30 - 1,65 |
| Si (Silizium) | 0,10 - 0,40 |
| P (Phosphor) | ≤ 0,04 |
| S (Schwefel) | ≤ 0,05 |
Die Hauptrolle der entscheidenden Legierungsbestandteile im unlegierten Kohlenstahl umfasst:
- Kohlenstoff (C): Erhöht Härte und Festigkeit, verringert jedoch die Verformbarkeit.
- Mangan (Mn): Verbessert die Härtbarkeit und Festigkeit, während es auch die Zähigkeit des Stahls verbessert.
- Silizium (Si): Wirkt als Entgasungsmittel während der Stahlherstellung und kann die Festigkeit verbessern.
- Phosphor (P): In kleinen Mengen kann es die Bearbeitbarkeit verbessern, kann jedoch in höheren Konzentrationen zur Sprödigkeit führen.
Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Prüftemperatur | Typischer Wert/Spanne (metrisch) | Typischer Wert/Spanne (imperial) | Referenzstandard für Prüfmethode |
|---|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Glühen | Raumtemp | 370 - 700 MPa | 54 - 102 ksi | ASTM E8 |
| Streckgrenze (0,2 % Offset) | Glühen | Raumtemp | 250 - 450 MPa | 36 - 65 ksi | ASTM E8 |
| Elongation | Glühen | Raumtemp | 20 - 40 % | 20 - 40 % | ASTM E8 |
| Härte (Brinell) | Glühen | Raumtemp | 120 - 200 HB | 120 - 200 HB | ASTM E10 |
| Kerbschlagarbeit | Charpy-V-Notch | -20 °C | 20 - 40 J | 15 - 30 ft-lbf | ASTM E23 |
Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften macht unlegierten Kohlenstahl für verschiedene Anwendungen geeignet, insbesondere dort, wo moderate Festigkeit und Verformbarkeit erforderlich sind. Zum Beispiel werden niedriglegierte Stähle häufig in Karosserieteilen von Fahrzeugen verwendet, während mittellegierte Stähle aufgrund ihrer Balance zwischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit für strukturelle Komponenten bevorzugt werden.
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Wert (metrisch) | Wert (imperial) |
|---|---|---|---|
| Dichte | Raumtemp | 7,85 g/cm³ | 0,284 lb/in³ |
| Schmelzpunkt/-bereich | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Wärmeleitfähigkeit | Raumtemp | 50 W/m·K | 29 BTU·in/(hr·ft²·°F) |
| Spezifische Wärmefähigkeit | Raumtemp | 0,49 kJ/kg·K | 0,12 BTU/lb·°F |
| Elektrischer Widerstand | Raumtemp | 0,0000017 Ω·m | 0,0000017 Ω·ft |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | Raumtemp | 11,0 x 10⁻⁶ /°C | 6,1 x 10⁻⁶ /°F |
Wesentliche physikalische Eigenschaften wie Dichte und Schmelzpunkt sind entscheidend für Anwendungen in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Die Wärmeleitfähigkeit von unlegiertem Kohlenstahl macht ihn geeignet für Anwendungen, bei denen Wärmeabfuhr erforderlich ist, während seine spezifische Wärmefähigkeit angibt, wie er auf Temperaturänderungen während der Verarbeitung reagiert.
Korrosionsbeständigkeit
| Korrigierendes Mittel | Konzentration (%) | Temperatur (°C) | Widerstandsbewertung | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Atmosphäre | Variiert | Umgebung | Befriedigend | Anfällig für Rost |
| Chloride | Variiert | Umgebung | Schlecht | Risiko von Lochkorrosion |
| Säuren | Variiert | Umgebung | Nicht empfohlen | Sehr anfällig |
| Alkalien | Variiert | Umgebung | Befriedigend | Moderate Beständigkeit |
| Organische Lösungsmittel | Variiert | Umgebung | Gut | Generell beständig |
Unlegierter Kohlenstahl weist eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder Chloridbelastung. Er ist anfällig für Rost, wenn er Feuchtigkeit ausgesetzt ist, und benötigt schützende Beschichtungen oder Verzinkungen für den Außeneinsatz. Im Vergleich zu rostfreien Stählen, die Chrom zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit enthalten, ist unlegierter Kohlenstahl in korrosiven Umgebungen erheblich weniger langlebig.
Hitzebeständigkeit
| Eigenschaft/Grenze | Temperatur (°C) | Temperatur (°F) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Maximale Dauerbetriebstemperatur | 400 °C | 752 °F | Darüber findet Oxidation statt |
| Maximale intermittierende Betriebstemperatur | 500 °C | 932 °F | Nur kurzfristige Exposition |
| Skalier temperatur | 600 °C | 1112 °F | Risiko von Skalierung über dieser Temperatur |
| Kriechkraftüberlegungen beginnen bei | 400 °C | 752 °F | Kriechen kann bei erhöhten Temperaturen auftreten |
Bei erhöhten Temperaturen kann unlegierter Kohlenstahl Oxidation und Skalierung erfahren, was seine strukturelle Integrität beeinträchtigen kann. Die maximale Dauerbetriebstemperatur ist entscheidend für Anwendungen, die Wärme beinhalten, da das Überschreiten dieser Grenze zu einer erheblichen Verschlechterung der Materialeigenschaften führen kann.
Bearbeitungs Eigenschaften
Schweißbarkeit
| Schweißprozess | Empfohlene Zusatzmetall (AWS-Klassifikation) | Typisches Schutzgas/Füllmaterial | Hinweise |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Argon/CO2 | Gut für dünne Abschnitte |
| TIG | ER70S-2 | Argon | Ausgezeichnet für präzise Arbeiten |
| Stick | E7018 | N/A | Geeignet für Außenarbeiten |
Unlegierter Kohlenstahl wird im Allgemeinen als gut schweißbar angesehen, insbesondere im Niedrigkohlenstoffbereich. Vorwärmen kann für dickere Abschnitte erforderlich sein, um Rissbildung zu vermeiden. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann die Zähigkeit des Schweißbereichs erhöhen.
Zerspanbarkeit
| Zerspanungsparameter | [Unlegierter Kohlenstahl] | [AISI 1212] | Hinweise/Tipps |
|---|---|---|---|
| Relativer Zerspanungsindex | 100 | 150 | AISI 1212 ist einfacher zu bearbeiten |
| Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen) | 30 m/min | 50 m/min | Höhere Geschwindigkeiten für AISI 1212 |
Unlegierter Kohlenstahl bietet angemessene Zerspanbarkeit, insbesondere in den Niedrigkohlenstoffgütern. Ein höherer Kohlenstoffgehalt kann jedoch zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß und reduzierten Schnittgeschwindigkeiten führen.
Formbarkeit
Unlegierter Kohlenstahl zeigt eine gute Formbarkeit, insbesondere im Niedrigkohlenstoffbereich. Er kann leicht kalt in verschiedene Formen geformt werden, während das Warmformen bei erhöhten Temperaturen ebenfalls möglich ist. Der Verfestigungseffekt sollte während der Formvorgänge berücksichtigt werden, da er die Festigkeit des Materials erhöhen kann, aber auch zu Rissbildung führen kann, wenn er nicht richtig gehandhabt wird.
Wärmebehandlung
| Behandlungsprozess | Temperaturbereich (°C/°F) | Typische Haltezeit | Kühlmethode | Primärer Zweck / Erwünschtes Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Glühen | 600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F | 1 - 2 Stunden | Luft oder Wasser | Verformbarkeit verbessern und Härte verringern |
| Härten | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 Minuten | Wasser oder Öl | Härte erhöhen |
| Anlassen | 400 - 700 °C / 752 - 1292 °F | 1 Stunde | Luft | Sprödigkeit verringern und Zähigkeit verbessern |
Wärmebehandlungsprozesse verändern die Mikrostruktur des unlegierten Kohlenstahls erheblich, was sich auf seine mechanischen Eigenschaften auswirkt. Zum Beispiel erhöht das Härten die Härte, kann jedoch zur Sprödigkeit führen, die durch Anlassen gemildert wird.
Typische Anwendungen und Endverwendungen
| Industrie/Sektor | Beispiel für spezifische Anwendung | Hauptstahl Eigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden | Grund für die Auswahl |
|---|---|---|---|
| Automobil | Karosserieteile | Gute Formbarkeit, Schweißbarkeit | Kostenwirksam, leicht zu formen |
| Bau | Stahlträger | Hohe Festigkeit, gute Schweißbarkeit | Wesentlich für tragende Strukturen |
| Herstellung | Maschinenteile | Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Verformbarkeit | Vielseitig für verschiedene Komponenten |
| Werkzeugbau | Handwerkzeuge | Hohe Härte (in hochlegierten Varianten) | Langlebigkeit und Verschleißfestigkeit |
Weitere Anwendungen umfassen:
- Rohre und Rohre: Verwendung in Sanitär- und Struktur Anwendungen.
- Befestigungen: Schrauben, Muttern und Bolzen aufgrund guter Festigkeit.
- Landwirtschaftliche Geräte: Komponenten, die Zähigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern.
Unlegierter Kohlenstahl wird für diese Anwendungen aufgrund seiner Verfügbarkeit, Kosteneffizienz und Fähigkeit, durch Wärmebehandlung und Verarbeitung angepasst zu werden, ausgewählt.
Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke
| Merkmal/Eigenschaft | [Unlegierter Kohlenstahl] | [AISI 4140] | [Edelstahl 304] | Kurz Pro-/Kontra- oder Abwägungsnotiz |
|---|---|---|---|---|
| Wesentliche mechanische Eigenschaft | Mittlere Festigkeit | Hohe Festigkeit | Mittlere Festigkeit | AISI 4140 bietet höhere Festigkeit, jedoch zu höheren Kosten |
| Wesentliches Korrosionsaspekt | Schlecht | Befriedigend | Ausgezeichnet | Edelstahl ist in korrosiven Umgebungen überlegen |
| Schweißbarkeit | Gut | Befriedigend | Gut | Unlegierter Kohlenstahl ist leichter zu schweißen als AISI 4140 |
| Zerspanbarkeit | Moderat | Befriedigend | Gut | Unlegierter Kohlenstahl lässt sich leichter bearbeiten als AISI 4140 |
| Formbarkeit | Gut | Befriedigend | Gut | Unlegierter Kohlenstahl ist besser formbar als AISI 4140 |
| Ungefährer relativer Preis | Niedrig | Mittel | Hoch | Unlegierter Kohlenstahl ist die kostengünstigste Option |
| Typische Verfügbarkeit | Hoch | Mittel | Hoch | Weit verbreitet in verschiedenen Formen |
Bei der Auswahl von unlegiertem Kohlenstahl sind Überlegungen wie Kosteneffizienz, Verfügbarkeit und die spezifischen mechanischen Eigenschaften, die für die Anwendung erforderlich sind, zu berücksichtigen. Seine Vielseitigkeit macht ihn für ein breites Anwendungsspektrum geeignet, aber seine Anfälligkeit für Korrosion erfordert in bestimmten Umgebungen schützende Maßnahmen.
Zusammenfassend bleibt unlegierter Kohlenstahl ein grundlegendes Material in der Technik und im Maschinenbau, das eine Balance von Eigenschaften bietet, die auf verschiedene Anwendungsbedürfnisse angepasst werden können.