Kohlenstoffstahl kann je nach seinem Kohlenstoffgehalt in drei Haupttypen unterteilt werden: Niederkohlenstoffstahl, Mittelkohlenstoffstahl und Hochkohlenstoffstahl. Aufgrund der Unterschiede im Kohlenstoffgehalt zeigt jeder Typ von Kohlenstoffstahl auch erhebliche Unterschiede in seiner Organisationsstruktur, mechanischen Eigenschaften, Fertigungstechnologie usw. Es ist jedoch entscheidend für uns, das richtige Material auszuwählen, um die Unterschiede zwischen Niederkohlenstoffstahl, Mittelkohlenstoffstahl und Hochkohlenstoffstahl zu verstehen.
Was ist Kohlenstoffstahl?
Kohlenstoffstahl, auch bekannt als Kohlenstoffstahl, ist ein Stahlmaterial mit Eisen als Hauptelement, einer bestimmten Menge an Kohlenstoff (in der Regel weniger als 2,11 %), aber ohne die Zusatzung großer Mengen anderer Legierungselemente. Kohlenstoffstahl ist das grundlegendste und am häufigsten verwendete Stahlmaterial. Je nach unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt kann Kohlenstoffstahl in niedrigkohlenstoffigen Stahl, mittelkohlenstoffigen Stahl und hochkohlenstoffigen Stahl unterteilt werden. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto größer sind die Festigkeit und Härte des Stahls, aber die Duktilität und Zähigkeit verringern sich entsprechend. Je niedriger der Kohlenstoffgehalt, desto besser sind die Widerstandsfähigkeit und das Schweißeigenschaften des Stahls.

Einteilung von Kohlenstoffstahl:
Die Einteilung von Kohlenstoffstahl basiert hauptsächlich auf seinem Kohlenstoffgehalt. Nach internationalen und nationalen gebräuchlichen Standards wird Kohlenstoffstahl wie folgt klassifiziert:
- Niedrigkohlenstoffstahl: Der Kohlenstoffgehalt liegt normalerweise zwischen 0,04 % und 0,25 %;
- Mittelkohlenstoffstahl: Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,25 % und 0,60 %;
- Hochkarbonstahl: Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,60 % und 1,00 %.
Obwohl die Einteilung hauptsächlich auf dem Kohlenstoffgehalt basiert, werden in spezifischen Anwendungen auch der Gehalt an anderen Elementen (wie Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor usw.) sowie die Verwendung und die mechanischen Eigenschaften des Stahls berücksichtigt.
Was ist der Unterschied zwischen Niedrigkohlenstoffstahl, Mittelkohlenstoffstahl und Hochkohlenstoffstahl?
Ihre Unterschiede zeigen sich hauptsächlich in den folgenden 5 Aspekten, wie unten dargestellt:
1. Chemische Zusammensetzung:
Der direkteste Unterschied zwischen Niedrigkohlenstoffstahl, Mittelkohlenstoffstahl und Hochkohlenstoffstahl zeigt sich in ihrer chemischen Zusammensetzung. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Härte und Festigkeit des Stahls zu, aber seine Zugfestigkeit und Schweißbarkeit verringern sich.
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Niedrigkohlenstoffstahl: Neben dem niedrigen Kohlenstoffgehalt enthält er oft eine kleine Menge an Silizium (0,17~0,37 %), Mangan (0,35~0,65 %) usw., um seine Festigkeit und Bearbeitbarkeit zu verbessern. Aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts hat er gute Verformbarkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit.
- Mittlerer Kohlenstoffstahl: Der Kohlenstoffgehalt beträgt normalerweise zwischen 0,25 % und 0,60 % und enthält außerdem verstärkende Elemente wie Mangan (0,50 %~1,65 %). Seine mechanischen Eigenschaften sind relativ gut und er eignet sich für Wärmebehandlung. Im Vergleich zu Niedrigkohlenstoffstahl hat er höhere Festigkeit und Härte, aber seine Zähigkeit ist geringer.
- Hochkohlenstoffstahl: Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,60 % und 1,00 %. Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts wird seine Gehärtungshärte und Verschleißwiderstand deutlich verbessert, aber seine Schweiß- und Bearbeitbarkeit sind schlecht.
2. Mechanische Eigenschaften:
In Bezug auf mechanische Eigenschaften sind die Unterschiede zwischen diesen drei Stahltypen besonders offensichtlich. Zu den mechanischen Eigenschaften gehören Zugfestigkeit, Fliessgrenze, Dehnung, Schlagwiderstand, Härte usw.
- Niedrigkohlenstoffstahl: Die Zugfestigkeit liegt normalerweise zwischen 370~500MPa, die Fliessgrenze zwischen 200~300MPa und die Dehnung beträgt mehr als 25%. Seine herausragenden Merkmale sind gute Zähigkeit und starke Duktilität, er eignet sich für Umformverfahren wie Pressen und Ziehen.
- Mittlerer Kohlenstoffstahl: Nach Erhitzen und Kühlen kann die Zugfestigkeit 600~800MPa erreichen, die Fliessgrenze liegt zwischen 400~600MPa und die Dehnung zwischen 15%~20%. Er hat gute allgemeine mechanische Eigenschaften und ist insbesondere für die Herstellung von Bauteilen geeignet.
- Hochkarbonstahl: Die Zugfestigkeit kann über 900~1300 MPa erreichen, aber die Dehngrenze beträgt normalerweise weniger als 10 % und die Schlagwiderstandsfähigkeit ist schlecht. Nach Erhitzen und Rücken kann er eine extrem hohe Härte erreichen, wodurch er ein ideales Material für Schneidwerkzeuge und Formen ist.
3. Wärmebehandlungseigenschaften:
Wärmebehandlung ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Eigenschaften von Stahl. Nieder-, Mittel- und Hochkarbonstähle reagieren unterschiedlich auf die Wärmebehandlung.
- Niedercarbonstahl: Aufgrund seines niedrigen Kohlenstoffgehalts kann seine Härte durch Wärmebehandlung nicht erheblich verbessert werden. Er verwendet hauptsächlich Kaltbearbeitung und Carburizing-Behandlung, um die Oberflächenhärte zu erhöhen. Nach dem Annealen kann das Material weicher gemacht werden, um nachfolgende Bearbeitungen zuzulassen.
- Mittleres Kohlenstoffstahl: Geeignet für Erhitzen und Abschrecken, das heißt, Erhitzen und Abschrecken, um die Struktur zu kontrollieren und das erforderliche Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit zu erhalten. Es ist das bevorzugte Material zur Herstellung von Automobil- und Eisenbahnkomponenten.
- Hochkarbonstahl: Die Wirkung der Wärmebehandlung ist am stärksten. Hochkarbonstahl kann durch Erhitzen eine hohe Härte erreichen und durch Abschrecken seine Zähigkeit einstellen. Er wird verwendet, um hochfestige und verschleißfeste Teile wie Federn, Messer und Meßwerkzeuge herzustellen.
4. Schweig- und Verarbeitungseigenschaften:
Schweig- und Verarbeitungseigenschaften beeinflussen direkt die Fertigungskosten und den Gebrauch des Stahls.
- Niederer Kohlenstoffstahl: Er hat ausgezeichnete Schweißeigenschaften und Kalteformbarkeit und kann mit einer Vielzahl von Methoden geschweißt werden. Er wird in der Baubranche und in der Maschinenbauindustrie weit verbreitet eingesetzt.
- Mittleres Kohlenstoffstahl: Er hat durchschnittliche Schweissbarkeit und ist während des Schweißens anfällig für Risse. Er erfordert in der Regel Vorheizen und Nachbehandlung, um die Qualität des Schweißens zu verbessern. Seine Bearbeitbarkeit ist auch etwas schlechter als bei Niederkohlenstoffstahl.
- Hochkohlenstoffstahl: schlechte Schweissbarkeit, anfällig für Hartigkeitsrisse, normalerweise nicht für das Schweißen geeignet. Während der Bearbeitung neigen sie auch zu Rissen und Splittern, was den Einsatz spezieller Werkzeuge und Kühlmethoden erfordert.
5. Anwendungen:
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften unterscheiden sich auch die Verwendungen der drei Stahlarten erheblich.
- Niederkohlenstoffstahl: hauptsächlich für Baustrukturen (wie Stäbe, Profilstahl), Maschinenbauteile (wie Schrauben, Muttern) und Autokarosserien verwendet.
- Mittleres Kohlenstoffstahl: hauptsächlich zur Herstellung von tragenden Strukturteilen wie Zahnrädern, Wellen, Kolbenstangen, Kranarmen usw. verwendet.
- Hochkarbonstahl: hauptsächlich zur Herstellung verschleißfester und hochfestiger Werkzeuge wie Messer, Messwerkzeuge, Federn, Kugellager usw. verwendet.
Gängige Stähle:
In der chinesischen GB-Norm und der amerikanischen ASTM-Norm haben Stähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt ihre typischen Repräsentanten:
- Niedrigkohlenstoffstahl: Q235 (China), A36 (USA), SS400 (Japan)
- Mittlerer Kohlenstoffstahl: 45# Stahl (China), 1045 Stahl (USA), S45C (Japan)
- Hochkohlenstoffstahl: T8, T10 Stahl (China), 1095 Stahl (USA), SK85 (Japan)
Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenbehandlung:
Kohlenstoffstahl selbst besitzt keine gute Korrosionsbeständigkeit, daher muss er in der Regel mit einer Oberflächenbehandlung kombiniert werden, wenn er angewendet wird.
- Nieder-kohlenstoffstahl: Es werden oft Verfahren wie Wärmegalvanisieren, Elektrogalvanisieren, Kunststoffbeschichtung und andere verwendet, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, und sie werden weit verbreitet in Outdoor- oder feuchten Umgebungen eingesetzt.
- Mittlerer Kohlenstoffstahl und hochkohlenstoffiger Stahl: Aufgrund ihrer hohen Festigkeit werden sie oft in industriellen Anlagen eingesetzt, wobei der Fokus mehr auf Öl-Dichtungen, Anti-Rost-Beschichtungen oder Phosphatisierungslösungen liegt, anstatt auf tägliche Belastungsumgebungen.
Es sollte beachtet werden, dass Stähle mit hoher Kohlenstoffmenge eher zu Oxidation neigen, insbesondere während des Schweißens und der Wärmebehandlung. Deshalb wird hochkohlenstoffiger Stahl normalerweise vor und nach der Verwendung mit einer Schutzschicht überzogen oder thermisch behandelt, um Korrosion zu verhindern.
Fazit:
Obwohl niedrigkohlenstoffiger Stahl, mittlerer Kohlenstoffstahl und hochkohlenstoffiger Stahl zur Kohlenstoffstahlreihe gehören, haben die drei aufgrund des unterschiedlichen Kohlenstoffgehalts jeweils eigene charakteristische Unterschiede in mechanischen Eigenschaften, Bearbeitbarkeit, Schweifbarkeit, Wärmebehandlungseigenschaften und Einsatzgebieten. Die vernünftige Auswahl und Anwendung dieser drei Stahlarten ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Qualität von Ingenieurprodukten, die Kontrolle der Herstellungskosten und die Verlängerung der Lebensdauer.
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