Kohlenstoffstahl: Eigenschaften, Wärmebehandlung und Anwendung

Definition von Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl ist eine Legierung aus Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C) mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,008 % und 2,1 %. Daneben enthält er herstellungsbedingt Restelemente wie Phosphor, Schwefel, Silizium und Mangan.

Eigenschaften und Einsatzbereiche

Kohlenstoffstahl wird in großem Umfang im Maschinenbau und im Bauwesen eingesetzt. Er ist der mit Abstand meistproduzierte Werkstoff und im Vergleich zu anderen Metallen preisgünstig. Typische Stähle weisen einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,05 % und 1,5 % auf. Die Zugfestigkeit liegt bei 32 bis 60 kg/mm², die Streckgrenze bei 17 bis 27 kg/mm².

Definitionen im Fe-C-Diagramm

• Untereutektoidische Stähle: Stähle mit weniger als 0,8 % Kohlenstoff
• Eutektoidische Stähle: Stähle mit etwa 0,8 % Kohlenstoff
• Übereutektoidische Stähle: Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,8 % und 2,1 %

Gefügebestandteile

• Ferrit (α-Eisen): Kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur (BCC), magnetisch, mit praktisch keiner Kohlenstofflöslichkeit. Ferrit ist weich und unterhalb von 910 °C stabil.
• Austenit (γ-Eisen): Kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur (kfz), nicht magnetisch, löst bis zu 2 % Kohlenstoff in fester Lösung. Austenit ist im Temperaturbereich zwischen 910 °C und 1390 °C stabil.
• Zementit: Chemische Verbindung (Eisencarbid, Fe₃C) mit 93,33 % Fe und 6,67 % C. Zementit ist sehr hart und spröde.
• Perlit: Gemisch aus Ferrit und Zementit.
• Martensit: Übersättigter fester Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen. Er entsteht durch schnelles Abkühlen von Austenit.
• Bainit: Gefüge aus Ferrit und sehr feinen Carbiden (Zementit). Seine Bildung hängt von der Abkühlgeschwindigkeit und der Legierungszusammensetzung ab.

ZTU-Schaubilder

Die ZTU-Schaubilder (Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubilder) werden durch metallographische Untersuchungen erstellt. Dazu werden mehrere kleine Proben eines eutektoiden Stahls auf verschiedene Temperaturen erhitzt und für unterschiedliche Zeiten gehalten. Anschließend wird mikroskopisch der Beginn und das Ende der Umwandlungen bestimmt.

Einflussfaktoren auf die Schaubilder

• Chemische Zusammensetzung: Im Allgemeinen verzögern legierungstechnische Elemente und ein höherer Kohlenstoffgehalt die Umwandlung des Austenits. Die Kurve verschiebt sich nach rechts, was die Bildung von Martensit begünstigt.
• Korngröße: Je größer das Korn, desto längere Zeit benötigt die Umwandlung. Eine größere Korngröße verschiebt die Kurve nach rechts.
• Homogenität des Austenits: Eine höhere Homogenität verschiebt die Kurve nach rechts.

Wärmebehandlungen für Kohlenstoffstähle

A) Glühen

Beim Glühen wird der Stahl austenitisiert (ca. 50 °C oberhalb von A₃ bzw. A₁) und anschließend langsam abgekühlt, wodurch sich die normalen Umwandlungsprodukte bilden.

• Ziele: Abbau von Spannungen aus mechanischer Bearbeitung, Senkung der Härte, Erhöhung der Duktilität, Beseitigung einer groben Textur sowie Aufhebung der Auswirkungen vorangegangener Wärmebehandlungen.

B) Normalisieren

Beim Normalisieren wird der Stahl austenitisiert (ca. 50 °C oberhalb von A₃ bzw. A_cm) und anschließend an ruhender Luft abgekühlt. Die Umwandlungsprodukte entsprechen denen des Glühens, die Körnung ist jedoch feiner.

• Ziele: Dieselben wie beim Glühen; zusätzlich eine Verbesserung der Kornfeinung und damit der mechanischen Eigenschaften gegenüber dem Glühen.

C) Härten

Beim Härten wird der Stahl austenitisiert (ca. 50 °C oberhalb von A₃ bzw. A₁) und so schnell abgekühlt, dass normale Umwandlungsprodukte vermieden werden.

• Ziele: Gewinnung von Martensit mit hoher Härte und Zugfestigkeit, geringer Zähigkeit und Vorhandensein innerer Restspannungen.

D) Anlassen

Beim Anlassen wird der gehärtete Stahl auf eine bestimmte Temperatur unterhalb des kritischen Bereichs erwärmt und anschließend abgekühlt. Es erfolgt unmittelbar nach dem Härten, um dessen Spannungen und Sprödigkeit zu korrigieren.

• Ziele: Gewinnung von angelassenem Martensit mit etwas geringerer Härte, höherer Zähigkeit und Abbau von Restspannungen.

E) Martempern

Das Martempern entspricht dem Härten. Vor Beginn der Martensitbildung wird der Abkühlvorgang jedoch für einige Sekunden unterbrochen, bis die Temperatur von Kern und Oberfläche des Werkstücks gleich sind.

• Ziele: Gewinnung von Martensit mit geringeren Eigenspannungen und einer geringeren Verzugsgefahr.

F) Bainitisieren

Das Bainitisieren ist eine isotherme (nicht kontinuierliche) Abkühlbehandlung. Der Stahl wird austenitisiert (ca. 50 °C oberhalb von A₃ bzw. A₁) und rasch auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt, um normale Umwandlungsprodukte zu vermeiden. Anschließend wird er bei dieser Temperatur isotherm gehalten und danach an ruhender Luft abgekühlt.

• Ziele: Gewinnung von Bainit mit guten mechanischen Eigenschaften und ohne Restspannungen (geeignet für Stähle mit mehr als 0,5 % C oder Mn).

Thermochemische Behandlungen für Fe-C-Legierungen

Thermochemische Behandlungen dienen der Randschichthärtung durch eine gezielte chemische Veränderung der Oberfläche.

• A) Aufkohlen (Einsatzhärten): Kohlenstoff wird in die Oberfläche eines Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eingebracht. Anschließend wird der Stahl gehärtet, um Martensit an der Oberfläche zu bilden.
• B) Nitrieren: Der Stahl wird bei Temperaturen von 600 °C bis 700 °C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erwärmt. Dabei bilden sich komplexe Nitride, die an der Oberfläche eine hohe Härte erzeugen.
• C) Nitrocarburieren (Carbonitrieren in Salzbädern): Der Stahl wird bei geeigneter Temperatur in einer geschmolzenen Cyanidsalzschmelze erwärmt, wodurch die Oberfläche mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert wird. Anschließend erfolgt eine Abschreckung in Wasser.
• D) Carbonitrieren: Der Stahl wird in einer kohlenstoff- und stickstoffabgebenden Atmosphäre erwärmt.
• E) Borieren: Durch Einbringen von Bor entsteht an der Oberfläche eine Eisenboridschicht.

Anwendung von Kohlenstoffstählen

Die Eigenschaften von Kohlenstoffstählen hängen von der chemischen Zusammensetzung, der Wärmebehandlung und der Abkühlgeschwindigkeit ab. Wichtige Einflussgrößen sind die Schweißbarkeit, das Verhalten bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie die Korrosionsbeständigkeit. Man unterscheidet zwischen niedrig-, mittel- und hochkohlenstoffhaltigen Stählen, etwa Baustählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder Werkzeugstählen mit hohem Kohlenstoffgehalt.