Was ist Kohlenstoff in Stahl? Leitfaden zu Inhalt, Qualität und Schmieden

Kohlenstoff ist das einzige Element, das reines Eisen von Stahl trennt, und die vorhandene Menge liegt typischerweise dazwischen 0,05 % und 2,0 Gew.-% , entscheidet fast alles darüber, wie sich ein Stück Stahl unter Belastung, Hitze und einem Schmiedehammer verhält. Erhöhen Sie den Kohlenstoffanteil und das Metall gewinnt an Härte und Zugfestigkeit, verliert aber an Duktilität und Schweißbarkeit; Wenn Sie ihn senken, bleibt der Stahl weich, formbar und leicht zu schweißen, kann aber ohne die Hilfe von Legierungselementen keine harte Kante oder hohe Festigkeit beibehalten. Jedes Mühlenzertifikat, jede Schmiedezeichnung und jede Sortenbezeichnung wie 1045 oder 4140 geht auf dieses eine Verhältnis zurück.

Was Kohlenstoff tatsächlich in Stahl bewirkt

Eisen allein ist ein weiches, relativ schwaches Metall. Wenn beim Schmelzen Kohlenstoffatome eingeführt werden, lagern sie sich zwischen den Eisenatomen im Kristallgitter ein und bilden neben einer festen Lösung namens Ferrit eine Verbindung namens Zementit (Eisencarbid, Fe3C). Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Mikrostrukturen und später zwischen Perlit, Martensit und Bainit nach der Wärmebehandlung verleiht dem Stahl seine mechanische Persönlichkeit.

Ein nützliches Bild: Ferrit ist der weiche, magnetische und leicht biegbare Teil der Struktur, während Zementit hart und spröde ist. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt bildet sich mehr Zementit und die Härte des Stahls steigt in einer ziemlich vorhersehbaren Kurve. Metallurgen haben diesen Zusammenhang seit dem frühen 20. Jahrhundert verfolgt und er ist nach wie vor die Grundlage des Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramms, das auch heute noch in jedem Metallurgieunterricht verwendet wird.

Warum der Kohlenstoffgehalt in Bruchteilen eines Prozents gemessen wird

Da die Wirkung von Kohlenstoff so stark ist, sind die Unterschiede so gering 0,10 % Ändern Sie die Klassifizierung eines Stahls und seine geeignete Anwendung. Ein 1020-Stahl (0,20 % Kohlenstoff) verhält sich nicht wie ein 1095-Stahl (0,95 % Kohlenstoff), obwohl es sich bei beiden technisch gesehen um reine Kohlenstoffstähle handelt. Aus diesem Grund geben Stahlproduzenten in Werkstestberichten den Kohlenstoffgehalt auf ein Hundertstel Prozent genau an, anstatt auf die nächste ganze Zahl zu runden.

Klassifizierung von Kohlenstoffstahl nach Prozentsatz

Normale Kohlenstoffstähle werden basierend auf dem Kohlenstoffgehalt in vier große Familien eingeteilt. Jede Familie verfügt über einen eigenen Satz typischer Verwendungszwecke, und Fälscher wählen diese auf der Grundlage der Ausgewogenheit von Festigkeit, Zähigkeit und Bearbeitbarkeit aus, die das fertige Teil erfordert.

Oben ungefähr 2,0 % Kohlenstoff , wird das Material überhaupt nicht mehr als Stahl eingestuft; Es entsteht Gusseisen, das weitaus spröder ist und durch Gießen statt durch Schmieden oder Walzen geformt wird.

Wie der Kohlenstoffgehalt die mechanischen Eigenschaften verändert

Der Zusammenhang zwischen Kohlenstoff und mechanischer Leistung ist einer der beständigsten Trends in der Werkstofftechnik. Mit steigendem Kohlenstoffanteil bewegen sich vier Eigenschaften in eine vorhersehbare Richtung:

• Die Härte steigt — mehr Zementit in der Mikrostruktur verhindert Eindrücken und Abrieb.
• Die Zugfestigkeit steigt – Bis zu einem gewissen Punkt sorgt zusätzlicher Kohlenstoff dafür, dass der Stahl mehr Last tragen kann, bevor er versagt.
• Die Duktilität sinkt — Der Stahl biegt und dehnt sich weniger, bevor er reißt, sodass die Kaltumformung schwieriger wird.
• Die Schweißbarkeit sinkt — Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt sind anfälliger für Risse in der Wärmeeinflusszone, sofern sie nicht vorgewärmt und sorgfältig kontrolliert werden.

Aus diesem Grund wird für eine geschmiedete Automobilachswelle, die sowohl Festigkeit als auch die Fähigkeit, Stöße zu absorbieren, ohne zu zerbrechen, benötigt wird, typischerweise ein Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wie 1045 verwendet, anstatt zu einem Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt zu greifen, der in einem Labortest fester, aber für einen Aufprall auf der Straße zu spröde wäre.

Kohlenstoffgehalt und die Stahlschmieden Prozess

Das Schmieden von Stahl formt Metall durch plastische Druckverformung, wobei Hämmer, Pressen oder Walzen verwendet werden, um erhitzten Stahl in eine Matrize oder die gewünschte Form zu zwingen. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt fast jede Entscheidung, die eine Schmiede vor dem ersten Hammerschlag trifft.

Schmieden von Temperaturfenstern

Stähle mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt werden typischerweise dazwischen geschmiedet 1150°C und 1250°C (ungefähr 2100°F bis 2280°F), wobei sich das Material in seiner austenitischen Phase befindet und unter Druck leicht fließt. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt werden normalerweise am unteren Ende dieses Bereichs geschmiedet, da übermäßige Hitze in Kombination mit einem hohen Kohlenstoffgehalt das Kornwachstum und die Entkohlung der Oberfläche fördert, was beides das fertige Teil schwächt.

Warum Fälscher mittlere Kohlenstoffqualitäten bevorzugen

Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wie 1040, 1045 und 4140 dominieren die Schmiedeindustrie, weil sie ein brauchbares Gleichgewicht bieten: genug Kohlenstoff, um gut auf eine Wärmebehandlung nach dem Schmieden wie Abschrecken und Anlassen zu reagieren, aber nicht so viel, dass der Knüppel unter dem Gesenk reißt. Komponenten wie Kurbelwellen, Pleuel, Zahnräder, Flansche und Handwerkzeuge werden fast immer aus diesem Mittelband und nicht aus den Extremen geschmiedet.

Kornfluss und Kraftzuwachs

Beim Schmieden kann man Stahl nicht nur formen; Es richtet die innere Kornstruktur entlang der Konturen des Teils aus. Ein geschmiedetes Bauteil folgt durchgehenden Faserrichtungslinien, während ein maschinell bearbeitetes oder gegossenes Teil quer zur Faserrichtung schneidet oder diese überhaupt nicht aufweist. Industrietests haben wiederholt gezeigt, dass geschmiedete Stahlteile eine deutlich höhere Ermüdungsbeständigkeit aufweisen als gegossene oder bearbeitete Teile mit identischer chemischer Zusammensetzung, weshalb geschmiedeter Kohlenstoffstahl nach wie vor der Standard für sicherheitskritische Komponenten wie Achsschenkel und Kurbelwellen ist.

Kohlenstoffstahl im Vergleich zu legiertem Stahl und Edelstahl

Der Kohlenstoffgehalt allein reicht nicht aus, wenn andere Elemente hinzukommen. Wenn man versteht, wo reiner Kohlenstoffstahl im Vergleich zu seinen legierten Verwandten steht, kann man erklären, warum eine Schmiedezeichnung eine Familie einer anderen vorziehen könnte.

In der Praxis wählt ein Einkaufsingenieur einfachen Kohlenstoffstahl, wenn das Teil beschichtet, lackiert oder im Innenbereich aufbewahrt werden soll, und greift zu Legierungs- oder Edelstahlsorten, wenn die Anwendung Korrosionsbeständigkeit oder eine höhere Härtbarkeit durch dickere Querschnitte erfordert.

Auswahl einer Kohlenstoffstahlsorte für ein Schmiedeteil

Die Auswahl des richtigen Kohlenstoffanteils ist ein Balanceakt zwischen drei Fragen: Wie stark muss das Teil sein, wie viel Stoß oder Ermüdung wird es absorbieren und wie wird es anschließend bearbeitet oder verbunden.

1. Identifizieren Sie den Lasttyp. Statische Belastungen tolerieren einen höheren Kohlenstoffgehalt; Wiederholte Stoßbelastungen begünstigen einen mittleren Kohlenstoffgehalt mit guter Zähigkeit.
2. Überprüfen Sie die Vorgänge nach dem Schmieden. Wenn das Teil später geschweißt wird, halten Sie den Kohlenstoffgehalt unter etwa 0,30 %, es sei denn, Vorwärmen und kontrollierte Abkühlung sind Teil des Prozessplans.
3. Bestätigen Sie den Wärmebehandlungspfad. Stähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt reagieren gut auf Abschreck- und Anlasszyklen; Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt basieren stattdessen auf Einsatzhärten oder Aufkohlen.
4. Bearbeitbarkeit gegen Härte abwägen. Ein höherer Kohlenstoffgehalt bedeutet im Allgemeinen langsamere Schnittgeschwindigkeiten und einen schnelleren Werkzeugverschleiß bei der Sekundärbearbeitung.

Eine Schmiedewerkstatt, die Automobil- oder Landmaschinenhersteller beliefert, standardisiert meist nur eine Handvoll Güten 1045 für allgemeine Wellen- und 4140 wo ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erforderlich ist, gerade weil diese Sorten im optimalen Verhältnis zwischen Schmiedbarkeit und Leistung des fertigen Teils liegen.

Wärmebehandlung nach dem Schmieden

Das Schmieden allein liefert selten die endgültigen mechanischen Eigenschaften eines Teils. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt, welche Wärmebehandlungen anschließend überhaupt möglich sind.

Normalisieren

Nahezu alle Schmiedeteile aus Kohlenstoffstahl werden nach dem Schmieden normalisiert, über die kritische Temperatur erhitzt und an der Luft abgekühlt, um die Kornstruktur zu verfeinern und die ungleichmäßigen Spannungen abzubauen, die durch den Schmiedeprozess entstehen.

Abschrecken und Anlassen

Stähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt können in Öl oder Wasser abgeschreckt werden, um Martensit zu bilden, und anschließend angelassen werden, um einen Teil der Härte gegen Zähigkeit einzutauschen. Der Kohlenstoffanteil legt eine Obergrenze für die erreichbare Härte fest; Ein Stahl mit weniger als etwa 0,30 % Kohlenstoff kann einfach nicht die gleiche Härte im abgeschreckten Zustand erreichen wie ein 1060er oder 1080er Stahl, unabhängig von der Härte des Abschreckens.

Einsatzhärten für kohlenstoffarme Teile

Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die eine harte Verschleißoberfläche, aber einen zähen Kern benötigen, wie z. B. Zahnräder, werden stattdessen aufgekohlt: Kohlenstoff wird bei hoher Temperatur in die Außenfläche diffundiert, dann wird nur diese Oberflächenschicht hart abgeschreckt, während der kohlenstoffarme Kern duktil bleibt.

Häufig gestellte Fragen

Welcher Kohlenstoffanteil macht Stahl hart genug für Werkzeuge?

Werkzeuganwendungen beginnen im Allgemeinen um 0,60 % Kohlenstoff und steigen Sie auf ungefähr 1,0 %, da dieser Bereich durch Abschrecken gut aushärtet und eine scharfe Kante behält.

Bedeutet höherer Kohlenstoffgehalt immer stärkeren Stahl?

Nur bis zu einem gewissen Punkt. Zug- und Streckgrenze steigen mit dem Kohlenstoffgehalt, aber über etwa 0,80–0,90 % flacht der Anstieg ab, während die Sprödigkeit weiter zunimmt, sodass mehr Kohlenstoff nicht automatisch für jede Anwendung besser ist.

Warum ist Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt das am häufigsten verwendete Schmiedematerial?

Es bietet das größte praktische Fenster: genug Kohlenstoff, um durch Wärmebehandlung zu härten, aber dennoch duktil genug, um den Druckkräften beim Schmieden standzuhalten, ohne dass der Knüppel reißt.

Kann kohlenstoffarmer Stahl geschmiedet werden?

Ja. Kohlenstoffarmer Stahl lässt sich aufgrund seiner hohen Duktilität leicht schmieden und wird häufig für Teile verwendet, die geschweißt werden oder die einen zähen, stoßfesten Kern statt Oberflächenhärte benötigen.

Wie wird der Kohlenstoffgehalt in einem fertigen Stahlteil gemessen?

Hersteller verwenden Verbrennungsanalyse oder optische Emissionsspektroskopie, um den Kohlenstoffanteil direkt aus einer Probe zu messen, und das Ergebnis wird auf dem Mühlentestzertifikat angegeben, das dem Material beiliegt.

Was passiert, wenn der Kohlenstoffgehalt für eine Schmiedeanwendung zu hoch ist?

Überschüssiger Kohlenstoff reduziert die Duktilität bis zu dem Punkt, an dem der Knüppel beim Komprimieren reißen kann, insbesondere an Gesenkecken und dünnen Abschnitten, weshalb Schmiedewerkstätten Kohlenstoffgehaltsbereiche angeben, anstatt breite Frästoleranzen zu akzeptieren.