Was ist Kohlenstoffstahl?
Kohlenstoffstahl ist eine Stahlsorte, die Kohlenstoff und geringe Mengen an Legierungselementen enthält und Eigenschaften wie hohe Härte, hohe Festigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und gute Bearbeitbarkeit aufweist.
Er wird im Allgemeinen für die Herstellung von Bestecken, Formen und Werkzeugen verwendet, da er sich durch Bearbeitung und Wärmebehandlung leichter härten lässt als niedrig legierte Werkzeugstähle und Schnellstähle. Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,55 % und 1,50 %. Sie sind im Vergleich zu legierten Werkzeugstählen relativ kostengünstig und eignen sich für viele Anwendungen.
Anwendungen von Kohlenstoffstählen
1. Herstellung von Klingen
Aufgrund seiner hohen Schärfe und Haltbarkeit wird er für die Herstellung von Messern, Scheren und anderen Schneidwerkzeugen verwendet.
2. Metallbearbeitung
Aufgrund seiner hohen Härte wird er bei der Metallbearbeitung wie Schneiden, Bohren und Pressen verwendet.
3. Bohrer
Er wird manchmal für Bohrerspitzen verwendet. Bohrer sind Werkzeuge, die zum Bohren in Materialien wie Metall, Holz und Kunststoff verwendet werden.
4. Werkzeugteile
Er kann zur Herstellung von Werkzeugteilen wie Schraubendrehern, Schraubenschlüsseln und Hämmern verwendet werden.
5. Kaltschmieden
Er wird zur Herstellung von Teilen wie Nägeln und Schrauben verwendet.
6. Metallverarbeitung
Er wird in der Metallverarbeitung verwendet, z. B. beim Schneiden, Bohren und Stanzen.
Eigenschaften von Kohlenstoffstählen
1. Chemische Zusammensetzung
- Kohlenstoff (C): 0,55% bis 1,50 %
- Silizium (S): 0,10% bis 0,35 %
- Mangan (Mn): 0,10% bis 0,50%.
- Phosphor (P): max. 0,030%.
- Schwefel (S): max. 0,030%.
2. Kohlenstoffgehalt
Kohlenstoffstähle enthalten Kohlenstoff als Hauptlegierungselement. Der Kohlenstoffgehalt beträgt 0,55% oder mehr, was fast dem von kohlenstoffreichen Stählen entspricht (Kohlenstoffgehalt von 0,6% oder mehr). Der höhere Kohlenstoffgehalt führt zu höherer Härte und Verschleißfestigkeit, kann jedoch die Zerspanbarkeit verringern.
3. Bearbeitbarkeit
Kohlenstoffstähle haben im Allgemeinen einen geringen Gehalt an Verunreinigungen und einen hohen Reinheitsgrad. Sie lassen sich daher hervorragend schneiden und bearbeiten und sind für die Herstellung von Präzisionsteilen wie Messern und Werkzeugen geeignet.
4. Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
Aufgrund ihrer hohen Härte können Kohlenstoffstähle zur Verbesserung ihrer Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit gehärtet und vergütet werden. Unter Abschrecken versteht man das Erhitzen auf eine hohe Temperatur, gefolgt von einer schnellen Abkühlung. Es wird häufig bei der Herstellung von Teilen verwendet, die eine hohe Schnitt- und Verschleißfestigkeit erfordern wie z. B. Klingen, Werkzeuge und Gussformen.
5. Spröde und stoßempfindlich
Der Grund, warum Kohlenstoffstähle spröde und stoßempfindlich sind, liegt in ihrem kristallinen Gefüge. Die Härte wird durch Abschreckhärtung erreicht, die zu einem sehr harten und spröden Gefüge nach dem Abschrecken führt. Darüber hinaus neigt das durch das Abschrecken erzeugte Gefüge dazu, sich in eine Richtung auszurichten, was zu starken Bindungskräften in der Richtung der Ausrichtung und Sprödigkeit in anderen Richtungen führt.
Darüber hinaus weisen Kohlenstoffstähle einen hohen Kohlenstoffgehalt unter den Legierungselementen auf, was zur Bildung zahlreicher Kohlenstoffverbindungen im metallurgischen Gefüge führt. Diese Kohlenstoffverbindungen verstärken die Bindungskräfte innerhalb des Kristallgefüges, was wiederum die Bindungskräfte zwischen den Kristallen schwächt und sie spröde macht.
6. Ungeeignet für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen
Kohlenstoffstähle sind aus zwei Hauptgründen nicht für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen geeignet.
Der erste Grund ist, dass Kohlenstoffstähle bei hohen Temperaturen anfälliger für Oxidation sind, was zu einer Verschlechterung der Oberfläche und damit zu einer Verringerung der mechanischen Eigenschaften führen kann.
Der hohe Kohlenstoffgehalt unter den Legierungselementen in Kohlenstoffstählen macht sie anfällig für Oxidation bei hohen Temperaturen. Daher können sich auf der Oberfläche von Kohlenstoffstählen Oxide und Zunder bilden, die die Oberflächenstruktur und -rauheit verändern. Die Bildung von Oxiden und Zunder kann auch die Oberfläche verschlechtern und ihre mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen.
Zunder ist ein Film aus Oxiden oder Verunreinigungen, der sich auf der Metalloberfläche bildet.
Eine davon ist, dass Kohlenstoffstähle bei hohen Temperaturen ein fortschreitendes Kornwachstum erfahren können, was zu einer geringeren Festigkeit und Härte führt.
Kohlenstoffstähle werden durch Abschreckhärtung gehärtet, aber ihre Festigkeit und Härte können durch fortschreitendes Kornwachstum aufgrund des Einsatzes bei hohen Temperaturen verringert werden.
Das Kornwachstum bei hohen Temperaturen schwächt die starken Bindungen innerhalb des metallurgischen Gefüges und verursacht Korngrenzenverbiegung und Hohlräume an den Korngrenzen, was wiederum zu einer Verringerung der Festigkeit und Härte führt. Die verringerte Festigkeit und Härte kann zu einer Verringerung der mechanischen Eigenschaften von Metallteilen und zu deren Bruch führen, wenn sie bei hohen Temperaturen verwendet werden.