Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, wobei Kohlenstoffstahl eine häufig verwendete Variante in der industriellen Fertigung darstellt. Der Kohlenstoffgehalt im Kohlenstoffstahl variiert zwischen 0,05 % und 2,1 % und beeinflusst die mechanischen Eigenschaften maßgeblich. Dieser Artikel gibt einen Überblick über Kohlenstoffstahl und den Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf dessen Festigkeit und Duktilität.
Kohlenstoffstahl ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung. Während reines Eisen von Natur aus nicht besonders fest ist, verleiht die Zugabe von Kohlenstoff diesem Material erhebliche Festigkeit. Roheisen, das in der Stahlproduktion verwendet wird, besitzt einen hohen Kohlenstoffanteil.
Roheisen wird weiterverarbeitet, um den Kohlenstoffgehalt zu reduzieren und verschiedene Arten von Kohlenstoffstählen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Die Varianten von Kohlenstoffstahl unterscheiden sich durch die Konzentration an Kohlenstoff bis zu 2,1 %. Ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts über diesen Wert hinaus führt zur Klassifizierung als Gusseisen.
Durch die gezielte Anpassung des Kohlenstoffgehalts entstehen unterschiedliche Arten von Kohlenstoffstählen, wie nachfolgend beschrieben:
Diese Art von Kohlenstoffstahl wird für die Herstellung von Karosserieteilen für Automobile, Rohren, Profilen (wie I-Trägern, U-Profilen und Winkeleisen), Lebensmitteldosen sowie Bauteilen für den Hoch- und Brückenbau verwendet.
Der Kohlenstoffgehalt im Niedrigkohlenstoffstahl liegt unter 0,25 Gew.-%. Anstatt durch Wärmebehandlung wird dieser Stahltyp durch Kaltumformung gehärtet (zur Martensitbildung). Aufgrund seiner geringen Festigkeit ist dieser Stahl relativ weich. Niedrigkohlenstoffstahl eignet sich hervorragend für die Bearbeitung, da er eine hohe Duktilität aufweist und kostengünstig ist.
Niedrigkohlenstoffstahl mit weiteren Legierungselementen wie Nickel, Kupfer, Vanadium und Molybdän wird als hochfester, niedriglegierter Stahl (HSLA) bezeichnet. HSLA-Stähle besitzen höhere Festigkeiten als konventionelle niedriglegierte Stähle, bleiben dabei aber gut formbar und bearbeitbar. Außerdem sind sie korrosionsbeständiger als reine niedriglegierte Stähle.
Der Kohlenstoffgehalt dieses Stahls liegt zwischen 0,25 und 0,60 Gew.-%. Zusätzlich enthält er einen Mangananteil zwischen 0,60 und 1,65 Gew.-%.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird mittellegierter Stahl einer Wärmebehandlung unterzogen: Durch Austenitisieren (Erhitzen auf eine Temperatur, bei der die Kristallstruktur von Ferrit zu Austenit wechselt), anschließendes Abschrecken und Anlassen entsteht eine martensitische Mikrostruktur.
Durch zusätzliche Legierungselemente wie Chrom, Molybdän und Nickel kann die Härtbarkeit dieses Stahls weiter verbessert werden, sodass er auch hohen Temperaturen standhält. Zwar bieten gehärtete mittellegierte Stähle eine höhere Festigkeit als niedriglegierte Stähle, jedoch geht dies zulasten von Duktilität und Zähigkeit.
Hochkohlenstoffstahl
Der Kohlenstoff- und Mangananteil liegen bei dieser Stahlart zwischen 0,60–1,25 Gew.-% bzw. 0,30–0,90 Gew.-%. Im Vergleich zu anderen Kohlenstoffstählen weist Hochkohlenstoffstahl die höchste Härte und Festigkeit, aber die geringste Duktilität auf. Da diese Stähle stets gehärtet und angelassen werden, sind sie besonders verschleißfest.
Bestimmte Hochkohlenstoffstähle – wie Werkzeug- und Gesenkstähle – enthalten zusätzliche Legierungselemente wie Vanadium, Chrom, Molybdän oder Wolfram, die zur Bildung verschleißfester Stähle beitragen.
Ein im Journal of Materials Research and Technology veröffentlichter Artikel berichtet über die Entwicklung eines neuartigen, aluminiumhaltigen, mittel-manganhaltigen, niedrigdichten Stahls. Die Entwicklung der Mikrostruktur auf mehreren Skalen, wie die Eigenschaften des Austenits und das Verteilungsmuster von Mangan, wurde analysiert.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Aluminium das Prozessfenster für das Glühen erweiterte, was die Behandlung des Stahls verbesserte und den Erwärmungsprozess optimierte. Nach dem Glühen bei 780 °C und einer Abkühlzeit von 3 Minuten blieb etwa die Hälfte des Materials als Austenit erhalten, wobei Aussehen und Mangangehalt variierten. Bei einer längeren Glühzeit von 20 Minuten entstand ein größerer Austenitbereich mit geringerem Mangangehalt. Kürzere Glühzeiten, etwa 4 Minuten, führten hingegen zu kleineren, manganreichen Bereichen.
Die Zugfestigkeit des Stahls hängt von seiner mechanischen Stabilität und dem Volumenanteil ab. Die Probe, die 4 Minuten geglüht wurde, zeigte eine hohe Zugfestigkeit von 1192 MPa und eine Dehnung von bis zu 33 %, was auf den langsamen, transformationsinduzierten Plastizitätseffekt (TRIP) zurückzuführen ist.
Ähnlich untersuchte ein weiterer Artikel im Journal of Materials Research and Technology die Auswirkung von hohem Druck (2 und 3 GPa) auf die martensitischen Umwandlungscharakteristika und mechanischen Eigenschaften eines niedriglegierten mittellegierten Stahls (40Cr).
Zur Beobachtung der Veränderungen in der Mikrostruktur des Kohlenstoffstahls wurden Elektronenrückstreubeugung (EBSD), Mössbauerspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Hochdruckbehandlung zu einer Mischung aus Lamellen- und Plattenmartensit führte und der Anteil an Plattenmartensit mit steigendem Druck zunahm.
Eine in Metals veröffentlichte Studie untersuchte den Einfluss des Kohlenstoffgehalts in hochfesten Stahlgrundwerkstoffen auf Mikrostruktur und Zähigkeit einer bestimmten Zone (grobkörnige Wärmeeinflusszone, CGHAZ) in simulierten Schweißprozessen bei unterschiedlichen Wärmeeinträgen.
Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und EBSD wurden strukturelle Veränderungen beobachtet. Der Charpy-Kerbschlagbiegeversuch zeigte einen Strukturwandel von Lamellenbainit zu körnigem Bainit bei 0,04 Gew.-% Kohlenstoff und einem Wärmeeintrag von über etwa 20 kJ/cm. Im Gegensatz dazu verschob sich bei 0,12 Gew.-% Kohlenstoff die Struktur von Lamellenmartensit zu Lamellenbainit und anschließend zu körnigem Bainit mit zunehmendem Wärmeeintrag.
Durch die parallele Anordnung von Strukturen wie Lamellenbündeln und das Eindringen von Austenit in das Material zeigte die hochkohlenstoffhaltige Probe mit mehr Großwinkelkorngrenzen (HAGBs) eine geringere Zähigkeit bei 20 kJ/cm als ihr niedriglegiertes Pendant.
Insgesamt verdeutlicht die große Bandbreite an Kohlenstoffgehalten im Kohlenstoffstahl den maßgeblichen Einfluss dieses Elements auf die mechanischen Eigenschaften und damit die Einsatzmöglichkeiten in verschiedensten Branchen. Niedrigkohlenstoffstahl ist aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit und Verformbarkeit eine häufig verwendete Variante, besonders im Bauwesen und in der Automobilindustrie.
Durch die Zugabe von Mangan und gezielte Wärmebehandlung erreicht mittellegierter Stahl eine attraktive Kombination aus Festigkeit und Duktilität. Werden jedoch zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Bedingungen weitere Elemente legiert, muss häufig ein Kompromiss bei der Duktilität eingegangen werden.
Hochkohlenstoffstahl besticht durch außergewöhnliche Härte und Festigkeit, büßt dabei jedoch an Flexibilität ein, bietet jedoch eine hervorragende Verschleißfestigkeit. Letztlich bleibt das Verhältnis zwischen den Eigenschaften des Stahls und seinem Kohlenstoffgehalt entscheidend.
Diese Erkenntnisse unterstreichen die stetigen Fortschritte in der Materialwissenschaft, indem sie nicht nur die Vielseitigkeit von Kohlenstoffstahl, sondern auch die Komplexität bei der gezielten Modifikation seiner Eigenschaften zur Erfüllung unterschiedlichster Anforderungen offenlegen.
