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Der ideale Kohlenstoffgehalt: Festigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit
Wie sich der Kohlenstoffgehalt nichtlinear auf die Festigkeit auswirkt
Eines der charakteristischen Merkmale von Stahl ist sein Kohlenstoffgehalt. Bis zu einem Kohlenstoffgehalt von 0,25 % steigt die Festigkeit nahezu linear mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt an. Allerdings wird die Zunahme der Zugfestigkeit des Stahls bei weiterer Erhöhung des Kohlenstoffgehalts nahezu exponentiell. Ein Beispiel hierfür ist der Vergleich zwischen Stahl mit 0,10 % Kohlenstoff und Stahl mit 0,40 % Kohlenstoff: Die Zugfestigkeit des Stahls mit 0,40 % Kohlenstoff ist nahezu doppelt so hoch wie die des Stahls mit 0,10 % Kohlenstoff (ASM International, Metals Handbook, 2023). Dies lässt sich auf grundlegende Veränderungen in der Mikrostruktur des Stahls zurückführen; gleichzeitig kann dies jedoch zu einer erhöhten Sprödigkeit führen, was während der Fertigung ein erhebliches Risiko darstellt.
Der Grund für die Abnahme von Duktilität und Schweißbarkeit oberhalb eines Kohlenstoffgehalts von 0,25 %
Die Verformbarkeit und Schweißbarkeit nehmen oberhalb eines Kohlenstoffgehalts von 0,25 % stark ab, da sich bevorzugt Zementit (Fe3C) an den Korngrenzen ausscheidet. Dies reduziert die Versetzungsbewegung erheblich und verringert auch die Bruchdehnung um etwa 40–60 %, was zu einem sehr spröden Stahl führt. Diese Sprödigkeit bedeutet, dass die Kaltumformbarkeit des Stahls eingeschränkt ist und der Stahl während des Schweißprozesses einer hohen Rissneigung ausgesetzt ist. Eine schnelle Abkühlung in der wärmeeinflussten Zone (HAZ) während des Schweißens kann zudem zur Bildung eines sehr harten, unvergüteten Martensits führen – ein Problem insbesondere bei dickwandigen Bauteilen und Verbindungen. Aus diesem Grund sehen die Normen für Baustähle (ASTM A36 und A572) einen maximalen Kohlenstoffgehalt von jeweils 0,26 % und 0,23 % vor, um die erzielbare Festigkeit zu optimieren und gleichzeitig die Schweißbarkeit sowie die Verformbarkeit des Stahls zu bewahren.
Praxisrelevante Kompromisse zwischen Festigkeit und Verarbeitbarkeit bei AISI 1018 im Vergleich zu AISI 1045
Eigenschaften AISI 1018 (0,18 % C) AISI 1045 (0,45 % C) Kompromisswirkung
Zugfestigkeit 64.000 psi 91.000 psi 42 % Festigkeitssteigerung
Bruchdehnung 15 % 12 % 20 % Duktilitätsminderung
Schweißbarkeit Ausgezeichnet Erfordert Vorwärmung Höhere Fertigungskosten
Biegeradius 0,5t 2t Eingeschränkte Umformbarkeit
Das ausgewogene Profil von AISI 1018 unterstützt komplexe Kaltumformung und hochintegrale Schweißverbindungen – wodurch es sich ideal für Automobilhalterungen und Strukturrahmen eignet.
Im Gegensatz dazu ist AISI 1045 besser für Wellen- und Zahnradanwendungen geeignet. AISI 1045 bietet eine höhere Härte für verbesserten Verschleißschutz; obwohl seine Duktilität geringer ist, lässt sie sich durch spanende Bearbeitung und Wärmebehandlung steuern; Feldschweißungen sind nicht zu empfehlen.
Werkzeug- und Bearbeitungskosten bei verschiedenen Kohlenstoffstahlqualitäten
Höhere Kohlenstoffgehalte = stärkere Werkzeugabnutzung + langsamere Schnittgeschwindigkeit
Werkzeug- und Maschinenkosten sind stets mit dem Kohlenstoffgehalt im Stahl verbunden und davon beeinflusst. Ein höherer Kohlenstoffgehalt bedeutet größere Härte; größere Zähigkeit wiederum führt zu langsameren Schnittgeschwindigkeiten und erhöhtem Werkzeugverschleiß. Bei Kohlenstoffstählen mit mehr als 0,30 % Kohlenstoff müssen die Schnittgeschwindigkeiten um 25–30 % gegenüber niedriglegierten Kohlenstoffstählen (z. B. AISI 1018) reduziert werden. Dadurch entstehen längere Spindellaufzeiten sowie höhere Kosten für den Austausch verschlissener Werkzeuge. All diese Faktoren wirken sich in Hochvolumen-Fertigungsumgebungen erheblich aus und führen zu signifikant höheren Kosten.
Karbidabscheidung erhöht die Kosten für die Präzisionsbearbeitung
Die Karbidabscheidung nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt zu und führt zu ultraharten Fe₃C-Partikeln, die als Mikroabrasive gegen Schneidkanten wirken. Die Bearbeitung von AISI 1045 im Vergleich zu AISI 1018 erhöht die Werkzeugwechselfrequenz um 40–50 %; zusätzlich steigern Umrüstzeiten und Nachbearbeitungsschritte (z. B. Spannungsarmglühen nach der Bearbeitung) die Kosten weiter. Das Gesamtergebnis ist eine Kostensteigerung von 18–22 % pro bearbeitetem Teil – eine Beobachtung, die von Zulieferern der Tier-1-Stufe für die Automobil- und Industriemaschinenbranche gemacht wurde. Allein dieser Unterschied rechtfertigt eine Optimierung des Kohlenstoffgehalts vor dem Festlegen des Designs für Produktionsvolumina von mehr als 10.000 Einheiten pro Jahr.
Fertigungskosten bei Kohlenstoffstahl
Die einfache Rohstoffbasis und die energieeffizienten Verfahren führen dazu, dass Kohlenstoffstahl rund 90 % der weltweiten Stahlproduktion ausmacht.
Die Zusammensetzung des Kohlenstoffstahls (Eisen + Kohlenstoff) führt zu einem effizienten Stahlherstellungsprozess. Das Fehlen strategischer Legierungselemente (wie Nickel oder Molybdän) sowie komplexer Raffinationschritte (wie Vakuum-Entgasung) bewirkt im Vergleich zu Edelstählen und Werkzeugstählen eine Energieeinsparung von 15–20 % pro Tonne Produktion (World Steel Association, 2022). Die Recyclingfähigkeit von Stahl bietet zudem einen wirtschaftlichen Vorteil – nicht nur für die Umwelt: Zur Wiederverwertung von Stahl wird Schrott eingeschmolzen, wofür lediglich 25 % der Energie benötigt wird, die bei der Primärproduktion aus Erz erforderlich wäre.
Preisvergleich: Kohlenstoffstahl vs. Edelstahl vs. Aluminium
Kohlenstoffstahl kostet mit rund 720 US-Dollar pro Tonne 60–70 % weniger als Edelstahl (2.500–3.000 US-Dollar/Tonne) und Aluminium (2.200–2.600 US-Dollar/Tonne). Dieser Preisunterschied ist auf die spezifische Rohstoffzusammensetzung sowie auf die ausgereifte, weltweit verteilte Infrastruktur zurückzuführen, die sich über Jahrzehnte hinweg optimiert hat. In nicht korrosiven und nicht ästhetisch anspruchsvollen Anwendungen (z. B. bei Gebäuderahmen, Maschinenfundamenten, Fahrwerkchassis usw.) ist Kohlenstoffstahl seit jeher – und bleibt auch weiterhin – die Standardwahl zur Optimierung der Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO), solange der Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,10–0,25 % liegt, um Schweißbarkeit und Umformbarkeit zu gewährleisten.
Optimierung der Gesamtbetriebskosten mit einer Kohlenstoffstrategie
der Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,10–0,25 % stellt den optimalen Bereich hinsichtlich der Minimierung der Gesamtbetriebskosten (TCO) dar. Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,10–0,25 %, die die Streckgrenzenanforderungen nach ASTM A36/A572 (Streckgrenze 36–50 ksi) erfüllen, weisen zudem eine entsprechende Duktilität von 15 % auf und sind für Standard-Schweißverfahren wie Lichtbogenhandschweißen (SMAW) und Metalllichtbogenschweißen (GMAW) ohne Vorwärmung, Zwischentemperaturkontrolle oder Nachwärmung geeignet.
Unterhalb eines Kohlenstoffgehalts von 0,10 % werden die mit dem Werkstoff verbundenen Kosteneinsparungen ausgeglichen. Im Gegensatz dazu erhöht sich die erforderliche Materialdicke zur Erzielung der gewünschten Steifigkeit, was wiederum die Handhabungs- und Logistikkosten um 12–15 % steigert (aufgrund des höheren Materialgewichts). Oberhalb von 0,25 % fallen Zusatzkosten an.
– 18–22 % höhere Bearbeitungskosten aufgrund erhöhter Werkzeugverschleißkosten
– Kosten für Vor- und Nachwärmung vor dem Schweißen: zusätzliche 45–65 USD pro Tonne.
– Höhere Ausschussraten (Sprödigkeit) bis zum 3,2-Fachen des branchenüblichen Durchschnitts.
Hersteller, die innerhalb dieses Chemiebereichs arbeiten, erreichen 30 % schnellere Fertigungszyklen, eine Materialausnutzung von 92 % und – unter Einbeziehung der Beschaffungskosten (720 USD/Tonne), der Verarbeitung und des Recyclings – insgesamt 19 % Einsparungen bei den Gesamtbetriebskosten über einen Zeitraum von zehn Jahren im Vergleich zu Optionen außerhalb dieses Bereichs. Dies hat sich als Grundlage für schlankes strukturelles Fertigen erwiesen, vor allem bei der Herstellung von Werkzeugen für Airbus, bei der Fertigung von Windenergieanlagentürmen und im modularen Bauwesen.
Häufig gestellte Fragen
Welche Auswirkungen hat der Kohlenstoffgehalt auf Stähle?
Die Höhe des Kohlenstoffgehalts im Stahl bestimmt dessen Leistungsfähigkeit in Anwendungen sowie die allgemeine Verwendbarkeit des Stahls; dies wirkt sich auf Festigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit aus.
Was macht den Kohlenstoffgehalt von 0,10–0,25 % zur idealen Zone?
Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt in diesem Bereich sind oft die wirtschaftlichsten, da sie ein ausgewogenes Verhältnis aus Festigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit aufweisen und zudem günstigere Bearbeitungs- und Fertigungskosten verursachen.
Was macht Stahl teuer in der Bearbeitung?
Hochkohlenstoffstähle sind härter, und härtere Stähle führen zu einer schnelleren Werkzeugabnutzung sowie weniger effizienten Schnitten, was die Kosten für die spanende Bearbeitung von Stahl erhöht.
Wie hoch sind die Kosten für Kohlenstoffstahl im Vergleich zu vergleichbaren Werkstoffen wie Edelstahl und Aluminium?
Dies macht Kohlenstoffstahl zu einer der wirtschaftlichsten Optionen für Anwendungen, bei denen das Material keiner Korrosionsbeanspruchung ausgesetzt ist, da er etwa 720 USD pro Tonne kostet.
Welche negativen Folgen ergeben sich bei Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,25 %?
Eingeschränkte Schweißbarkeit, höhere Bearbeitungskosten, erhöhte Sprödigkeit und höhere Ausschussraten sind einige der negativen Folgen bei der Herstellung von Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,25 %.