Mittelkohlenstoffstahl: Zusammensetzung, Eigenschaften, Güteklassen und Verwendung

Stangen aus mittelgekohltem Stahl

Mittelkohlenstoffstahl ist ein legierter Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0.30 und 0.60 Gewichtsprozent. Der Kohlenstoff verleiht dem Stahl eine höhere Festigkeit und Bruchfestigkeit. Weitere Legierungselemente wie Silizium und Schwefel sorgen für Verschleißfestigkeit und machen ihn wärmebehandelbar. Dadurch erhält er die nötige Zähigkeit für Anwendungen wie Wellen, Zahnräder, Achsen und für langlebige, hochbelastete Anwendungen wie Eisenbahnkomponenten. 

Proleantech bietet zahlreiche Bearbeitungsdienstleistungen für mittelgekohlte Stähle zur Herstellung von Präzisionsbauteilen und Schmiedeteilen an. In diesem Artikel erfahren Sie alles Wissenswerte über mittelgekohlten Stahl.

Was ist mittelgekohlter Stahl?

Bevor man sich näher mit mittelgekohltem Stahl befasst, ist ein solides Verständnis der Stahlklassifizierung wichtig. Dies hilft, viele häufige Missverständnisse bezüglich Stahlsorten und deren Unterschieden auszuräumen. legierter Stahl vs. KohlenstoffstahlWie Abbildung 1 zeigt, wird Kohlenstoffstahl anhand seines Kohlenstoffgehalts in drei Hauptunterklassen unterteilt. Mittelkohlenstoffstahl nimmt dabei eine mittlere Position ein und schließt somit gewissermaßen die Lücke zwischen niedrig- und hochkohlenstoffhaltigem Stahl.

Stahlklassifizierung

Dies ist ein weit verbreitetes Missverständnis, über das sich viele wundern. Kohlenstoffstahl besteht hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff, wobei nur geringe Mengen anderer Elemente als Verunreinigungen enthalten sind. Legierte Stähle hingegen enthalten gezielt zugesetzte Metallelemente wie Chrom und Nickel. 

Kohlenstoffstähle werden zur Verbesserung von Festigkeit und Härte für Konstruktionsanwendungen eingesetzt, während legierte Stähle für spezifische Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit optimiert werden. Einen vollständigen Vergleich finden Sie hier. legierter Stahl vs. Kohlenstoffstahl.

Kohlenstoffgehalt von mittelgekohltem Stahl

Mittelkohlenstoffstahl enthält im Allgemeinen 0.30–0.60 % Kohlenstoff und üblicherweise 0.60–1.65 % Mangan. Zusätzlich können geringe Mengen an Silicium, Schwefel, Phosphor usw. als Verunreinigungen enthalten sein. In der folgenden Tabelle können Sie die Position des mittelgekohlten Stahls innerhalb der Familie der Kohlenstoffstähle sowohl quantitativ als auch qualitativ deutlich erkennen.

Tabelle 1: Vergleich von mittelgekohltem Stahl mit anderen Kohlenstoffstählen und Gusseisen

Man sieht, dass niedrig- und hochgekohlter Stahl einander diametral entgegengesetzt sind. Die Theorie ist einfach: Ein höherer Kohlenstoffgehalt erhöht Härte und Festigkeit, jedoch auf Kosten der Duktilität und erhöht die Sprödigkeit. Mittelgekohlter Stahl hingegen liegt in seinen Eigenschaften im Mittelfeld: Er bietet mehr Festigkeit als Baustahl und ist gleichzeitig gut bearbeitbar und wärmebehandelbar. Eine detailliertere Darstellung von Stählen und Gusseisen finden Sie unter [Link einfügen]. Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramme.

Chemische Zusammensetzung von mittelgekohltem Stahl

Mittelgekohlte Stähle sind keine einheitliche Legierung; sie bilden eine Familie verschiedener Güteklassen, die in folgenden Bereichen vorkommen: Liste der legierten Stahlsorten mit leicht variierenden Zusammensetzungen. In der folgenden Tabelle finden Sie die durchschnittlichen Gewichtsanteile der häufigsten Elemente in mittelgekohltem Stahl. Ingenieure variieren diese Zusammensetzungen üblicherweise, um kundenspezifische Eigenschaften zu erzielen.

Tabelle 2: Zusammensetzungen gängiger Legierungselemente von mittelgekohltem Stahl

Wärmebehandlungsverhalten von mittelgekohltem Stahl

Eine ganz besondere Eigenschaft von mittelgekohltem Stahl ist seine ausgezeichnetes Ansprechverhalten auf WärmebehandlungDadurch können wir seine Eigenschaften an individuelle Anforderungen anpassen. Weder niedrig- noch hochgekohlte Stähle besitzen diese Fähigkeit, weil:

• Niedrigkohlenstoffhaltige Stähle enthalten nicht genügend Kohlenstoff für eine effektive Härtung.
• Hochkohlenstoffstähle enthalten einen Überschuss an Kohlenstoff und werden daher bei der Behandlung sehr spröde und neigen zu Rissen.

Mittelkohlenstoffstahl hingegen enthält einen moderaten Kohlenstoffanteil, und die daraus resultierende Mikrostruktur ist für die Phasenumwandlung, die während der Wärmebehandlung auftritt, äußerst günstig. Bei sachgemäßer Wärmebehandlung erreichen mittelgekohlte Stähle Festigkeitswerte, die mit denen hochgekohlter Stähle vergleichbar sind, bieten aber eine höhere Endhärte und Verschleißfestigkeit. Vor allem aber behalten sie eine gute Zähigkeit und weisen ein sehr geringes Rissrisiko auf. Durch die gezielte Steuerung der Wärmebehandlungsparameter lassen sich zudem kundenspezifische Leistungsanforderungen erfüllen, was mittelgekohlten Stahl zu einem äußerst nützlichen Werkstoff für die kundenspezifische Metallbearbeitung macht.

Materialeigenschaften von mittelgekohltem Stahl

Die einzigartigen Materialeigenschaften von mittelgekohltem Stahl beruhen nicht nur auf der Menge an Kohlenstoff, sondern auch auf dessen Verteilung innerhalb der Eisenmatrix. Es handelt sich nicht um ein einfaches, geordnetes Muster von Kohlenstoffatomen innerhalb der Mehrheit der Eisenatome. 

Mikrostruktur von mittelgekohltem Stahl

Mittelkohlenstoffstahl besteht bei Raumtemperatur nicht aus einer einzigen, homogenen Phase. Sein Mikrogefüge besteht aus einem Gemisch zweier Phasen, nämlich Ferrit und Perlit. 

• Ferritphase: Eine weiche und duktile Phase. Ferrit ist für die Duktilität des Gesamtmaterials verantwortlich.
• Perlitphase: Perlit ist ein Schichtgefüge aus Ferrit und Eisencarbid (Zementit). Kohlenstoff ist ausschließlich im Eisencarbid vorhanden. Perlit trägt maßgeblich zur Festigkeit und Härte des Stahls bei.

Nach der obigen Erklärung sollte klar sein, warum die Festigkeit mit steigendem Kohlenstoffgehalt zunimmt. Dies erklärt auch, warum mittelgekohlter Stahl von Natur aus fester ist als niedriggekohlter Stahl, aber dennoch weniger spröde als hochgekohlter Stahl.

Wie verändert die Wärmebehandlung das Mikrogefüge?

Wärmebehandlungsofen

Durch Wärmebehandlung lässt sich die innere Struktur von mittelgekohltem Stahl weiter modifizieren, um kundenspezifische Eigenschaften zu erzielen. Vereinfacht ausgedrückt, wird im Folgenden erläutert, was bei der Wärmebehandlung von mittelgekohltem Stahl geschieht.

• HEATING / HEIZEN wandelt die Mikrostruktur in eine einzige, einheitliche Phase um. In diesem Stadium werden Kohlenstoffatome aus ihren eingeschlossenen Phasen freigesetzt und können sich innerhalb der Struktur neu verteilen.
• Einweichen Bei der oben genannten Temperatur kann sich der Kohlenstoff im Stahl vollständig lösen und gleichmäßig verteilen. Die Haltezeit ist von großer Bedeutung, da sie einer der wichtigsten Steuerungsparameter des Prozesses ist.
• Abschrecken Beim Abschrecken werden die Kohlenstoffatome abrupt eingeschlossen, ohne dass ausreichend Zeit zur korrekten Neuanordnung bleibt. Dadurch bildet sich eine andere Phase, nämlich Martensit. Martensit besitzt eine deutlich härtere und festere innere Struktur.
• Anlassen Der letzte Schritt ist das Wiedererwärmen bei niedriger Temperatur, wodurch übermäßige Sprödigkeit reduziert wird. Dadurch wird auch ein erheblicher Teil der Zähigkeit wiederhergestellt, während gleichzeitig ein Großteil der gewonnenen Festigkeit erhalten bleibt.

Bei einigen Wärmebehandlungsverfahren werden mehrere Stufen kontrollierten Erhitzens und anschließenden Abkühlens durchgeführt, wobei Prozessparameter wie Temperatur, Zeit und Abschreckmedium variiert werden können, um spezifische Eigenschaften zu erzielen.

Mechanische Eigenschaften von mittelgekohltem Stahl

Mittelgekohlter Stahl ist aufgrund seiner Zusammensetzung als Stahl mit sehr ausgewogenen mechanischen Eigenschaften beliebt. Sollten Festigkeit und Härte weiter erhöht werden müssen, lässt sich dies durch Wärmebehandlungen erreichen, wobei akzeptable Werte für Duktilität und Zähigkeit erhalten bleiben.

Stärke und Härte

Mittelkohlenstoffstahl bietet gute Festigkeit und Härte und erfüllt in der Regel die Anforderungen an Bauteile mit mittlerer Belastung und Verschleißfestigkeit. Die durchschnittlichen Festigkeits- und Härtewerte von mittelkohlenstoffhaltigem Stahl (im normalisierten oder warmgewalzten Zustand) sind nachfolgend aufgeführt. Diese Werte können je nach Stahlsorte und Verarbeitungsverfahren leicht variieren.

• Zugfestigkeit: 550 - 850 MPa
• Streckgrenze: 350 - 600 MPa
• Brinellhärte: 170 – 230 HB (kann auf 280 – 300+ HB erhöht werden) (nach Wärmebehandlung)

AISI 1045-Stahl ist die gängigste Sorte mittelgekohlter Stähle. Er weist im Allgemeinen eine Zugfestigkeit von etwa 635 MPa auf, die durch Wärmebehandlung auf Werte um 900 MPa gesteigert werden kann. Dadurch eignet er sich für Schrauben und Wellen aus mittelgekohltem Stahl im Automobilbereich.

Duktilität

Klavierhammer-Baugruppe

Obwohl die Duktilität mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt abnimmt, behalten Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt in der Regel eine brauchbare Flexibilität bei. 15–25 % Bruchdehnung Dieser Wert wird im Allgemeinen als ausreichend angesehen, um sich unter unerwarteten Belastungen sicher zu verformen, anstatt plötzlich zu brechen.

Zähigkeit

Mittelgekohlte Stähle weisen im normalisierten Zustand eine gute Zähigkeit auf. Übermäßiges Härten oder das vollständige Auslassen des Anlassens können die Schlagzähigkeit jedoch drastisch verringern. Daher sind kontrollierte und korrekte Wärmebehandlungszyklen von großer Bedeutung.

Physikalische Eigenschaften von mittelgekohltem Stahl

Ein weiterer großer Vorteil von mittelgekohltem Stahl liegt in seinen idealen physikalischen Eigenschaften für die Herstellung von Industriebauteilen. Er ist eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen, die Festigkeit und ein vorhersehbares Temperaturverhalten erfordern.

Tabelle 3: Physikalische Eigenschaften von mittelgekohltem Stahl

Güteklassen und Normen für mittelgekohlten Stahl

Stangen aus mittelgekohltem Stahl

Mittelkohlenstoffstahl ist in einer breiten Palette genormter Güteklassen erhältlich, die für spezifische Anforderungen an Festigkeit, Zähigkeit und Bearbeitbarkeit ausgelegt sind. Diese Güteklassen weisen einen ähnlichen Kohlenstoffgehalt auf, unterscheiden sich jedoch hauptsächlich in Zusammensetzung, Verarbeitung und Wärmebehandlung. Das Verständnis dieser Unterschiede ist entscheidend für die Auswahl der richtigen Güteklasse für leistungskritische und kundenspezifisch gefertigte Bauteile.

AISI 10xx-Serie (AISI 1045 Stahl und andere gängige Güteklassen)

Die gängigsten mittelgekohlten Stähle gehören zur AISI 10xx-Serie. Die Bezeichnung ist einfach zu verstehen: Die ersten beiden Ziffern stehen für die Stahlsorte, die letzten beiden für den Kohlenstoffgehalt. Beispiel: AISI 1045 Stahl.

• "10" steht für unlegierten Kohlenstoffstahl
• "45" steht für 0.45 % Kohlenstoff

Einige der gängigen Sorten von mittelgekohlten Stählen sind in Tabelle 4 aufgeführt. Von diesen ist AISI 1045 der am häufigsten verwendete Stahl, der in einer Vielzahl von Branchen Anwendung findet.

Tabelle 4: Gängige Stahlsorten mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und ihre Anwendungsbereiche

Ist AISI 4140 ein mittelgekohlter Stahl?

AISI 4140 ist technisch gesehen ein niedriglegierter Stahl. kein KohlenstoffstahlManchmal wird es unter mittelgekohltem Stahl aufgeführt, da es 0.38-0.43 % Kohlenstoff enthält, was es numerisch in den Bereich der mittelgekohlten Stähle einordnet.

AISI 4140 enthält Chrom (0.8–1.1 %) und Molybdän (0.15–0.25 %) als gezielte Legierungselemente. Daher zählt er zu den legierten Stählen und ist kein unlegierter Kohlenstoffstahl. AISI 4140 zeichnet sich durch hervorragende Härtbarkeit und Dauerfestigkeit aus und wird häufig für Kurbelwellen, Zahnräder und hochbelastete Wellen eingesetzt.

Internationale Entsprechungen der AISI-Stahlsorten für mittelgekohlten Stahl

Mittelkohlenstoffstähle der AISI 10xx-Reihe sind weltweit unter verschiedenen Bezeichnungen bekannt. Die Bezeichnungen können je nach Norm variieren, die Stahlsorten sind jedoch hinsichtlich Kohlenstoffgehalt und mechanischem Verhalten weitgehend gleichwertig.

Tabelle 5: Unterschiedliche Bezeichnungen für mittelgekohlten Stahl nach verschiedenen Normen

Wie wählt man die richtige Kohlenstoffstahlsorte aus?

Um einen geeigneten mittelgekohlten Stahl auszuwählen, ist ein klares Verständnis der technischen Anforderungen unerlässlich. Die Materialwahl erfordert eine eingehende Untersuchung des Bauteils, um klare Anforderungen, Grenzen, Umgebungsbedingungen und finanzielle Möglichkeiten zu ermitteln. Die wichtigsten Faktoren bei der Auswahl eines mittelgekohlten Stahls sind:

• Mechanische Belastungsanforderungen
• Anforderungen an Verschleiß und Oberflächenleistung
• Wandstärke und Härtbarkeit
• Fertigungs- und Verarbeitungsbeschränkungen
• Umwelt- und Servicebedingungen
• Kosten und Materialverfügbarkeit

Es wird dringend empfohlen, vor der endgültigen Auswahl Rat und Konsultationen von den entsprechenden Experten einzuholen.

Anwendungen von mittelgekohltem Stahl

Kfz-Antriebswelle

Die hervorragende Kombination der Eigenschaften von mittelgekohltem Stahl macht ihn bei Ingenieuren im Bauwesen, Maschinenbau und der Automobilindustrie sehr beliebt. Daher findet er breite Anwendung in Bauteilen, die mittleren bis hohen Belastungen, zyklischen Beanspruchungen und Verschleiß ausgesetzt sind. 

Wellen und Achsen

Aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit wird es häufig für Kfz-Wellen, Achswellen und Kraftübertragungswellen verwendet.

Zahnräder und Kupplungen

Wird als Werkstoff für Zahnräder, Ritzel und mechanische Kupplungen verwendet, die hohen Kontaktspannungen ausgesetzt sind. 

Geschmiedete Komponenten

Wird aufgrund seiner hohen Festigkeit, Schlagfestigkeit und Haltbarkeit häufig für Schraubenschlüssel, Stangen und Hammerköpfe verwendet.

Mechanische und Maschinenteile

Weit verbreitet in Kurbelwellen, Pleuelstangen und rotierenden Maschinenteilen, die unter zyklischen Betriebsbedingungen kombinierten Torsions- und Biegebelastungen ausgesetzt sind.

Bauwesen und Schwermaschinen

Schrauben, Bolzen, Hebezeuge und Strukturverbinder aus mittelgekohltem Stahl sind aufgrund ihrer hohen Belastbarkeit und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen Verschleiß sehr beliebt.

Vorteile von mittelgekohltem Stahl

Ausgewogene mechanische Eigenschaften

Dank der hervorragenden Kombination der Eigenschaften von mittelgekohltem Stahl bietet er gleichzeitig gute Festigkeit und Zähigkeit. Dadurch eignet er sich hervorragend für tragende Bauteile, die eine hohe Verformungsbeständigkeit und Toleranz gegenüber dynamischen Belastungen erfordern.

Hohes Ansprechverhalten auf Wärmebehandlung

Dies ermöglicht es uns, die Materialeigenschaften während der Bearbeitung und Wärmebehandlung gezielt zu beeinflussen. Ein großer Vorteil dieser Eigenschaft ist, dass wir harte, verschleißfeste Oberflächen mit zähem Kern erhalten können. Diese finden breite Anwendung bei der Herstellung von Zahnrädern, Nocken und Bauteilen, die Ermüdungsbelastungen ausgesetzt sind.

Gute Bearbeitbarkeit im unbehandelten Zustand 

Mittelgekohlte Stähle sind vor der Wärmebehandlung gut zerspanbar. Daher können wir sie vor der abschließenden Wärmebehandlung problemlos in verschiedene Geometrien bearbeiten. Dies reduziert den Werkzeugverschleiß und die Fertigungskosten erheblich. Stahlwerkstoffe, die in der allgemeinen Bearbeitung verwendet werden.

Breite Verfügbarkeit und Standardisierung

Da die meisten mittelgekohlten Stähle weltweit standardisiert sind (z. B. sind AISI 1045 und C45 die gleiche Güteklasse nach verschiedenen Normen) und leicht zu beschaffen sind, werden die Materialauswahl, die Qualitätskontrolle und der Austausch sehr einfach.

Kosteneffizienz

Mittelgekohlter Stahl bietet hohe mechanische Festigkeit ohne den Zusatz teurer Legierungselemente. Daher wird er häufig für Bauteile in großen Stückzahlen eingesetzt, wo legierte Stähle unnötige Kosten und einen übermäßigen Konstruktionsaufwand verursachen würden.

Grenzen von mittelgekohltem Stahl

Geringere Duktilität im Vergleich zu kohlenstoffarmem Stahl

Die Umformbarkeit und Kaltumformung von Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt sind aufgrund ihres höheren Kohlenstoffanteils recht schwierig.

Mäßige Schweißbarkeit

Falls Schweißarbeiten erforderlich sind, muss das Material vorgewärmt und eine geeignete Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt werden, um Risse zu vermeiden.

Begrenzte Korrosionsbeständigkeit

Mittelgekohlter Stahl ist nicht die optimale Wahl, wenn Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund steht. Bei der Verwendung in korrosiven Umgebungen sind Beschichtungen oder geeignete Oberflächenschutzmaßnahmen unerlässlich. Alternativ empfiehlt sich die Verwendung von Stählen wie AISI 4140.

Gefahr der Sprödigkeit aufgrund unvollständiger Wärmebehandlung

Unzureichendes Anlassen oder das völlige Ignorieren des Anlassens kann zu übermäßiger Härte und einem Verlust der Zähigkeit führen, was das Risiko eines Sprödbruchs erhöhen kann.

Geringere Härtbarkeit als legierter Stahl 

Bei sehr dicken Querschnitten erreichen unlegierte Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt möglicherweise keine gleichmäßige Härte über den gesamten Querschnitt.

Kundenspezifische Metallbearbeitung 

Proleantech Wir bieten hochwertige Metallbearbeitung für kundenspezifische Teile und Präzisionskomponenten. Unser Angebot umfasst eine breite Palette an Werkstoffen und Stahlsorten, darunter auch mittelgekohlte Stähle. 

Warum mit Proleantech zusammenarbeiten?

• Erweiterte CNC-Bearbeitungsfunktionen
• Große Auswahl an Legierungen und Materialien
• Schnelle Bearbeitungszeiten und Unterstützung von Prototypen bis hin zur Serienfertigung
• Wettbewerbsfähige Preise

Holen Sie sich einen kostenloses Angebot Heute online!

Fazit

Mittelkohlenstoffstahl eignet sich hervorragend für Projekte, die Festigkeit, Zähigkeit und geringe Duktilität erfordern, beispielsweise für Antriebswellen und Achsen. Es gibt zahlreiche Sorten von Mittelkohlenstoffstahl, von denen einige durch Wärmebehandlung ihre Zähigkeit verbessern lassen.