Kohlenstoffstahl und Edelstahl im Vergleich

Was bedeutet Kohlenstoffstahl eigentlich?

„Kohlenstoffstahl“ hat zwei Bedeutungen: eine technische Definition und eine eher allgemeine Klassifizierung. Die technische Definition ist sehr eindeutig: Laut des American Iron and Steel Institute (AISI) muss ein Stahl die folgenden Normen erfüllen, um die technische Definition von Kohlenstoffstahl zu erfüllen:

• Für Chrom, Kobalt, Columbium (Niob), Molybdän, Nickel, Titan, Wolfram, Vanadium, Zirkonium oder jedes andere Element, das für die gewünschten Eigenschaften der Legierung hinzugefügt werden muss, ist kein Mindestgehalt angegeben oder erforderlich.
• Der angegebene Mindestwert für Kupfer beträgt nicht mehr als 0,40 Prozent
• Der angegebene Höchstgehalt für jedes der folgenden Elemente darf die angegebenen Prozentsätze nicht überschreiten: Mangan 1,65, Silizium 0,60, Kupfer 0,60.
  

Auch wenn die technische Definition komplex ist, kann sie auf eine einzige Einschränkung reduziert werden: Echte Kohlenstoffstähle dürfen fast keine Legierungselemente enthalten und bestehen in erster Linie aus zwei Materialien: Eisen und Kohlenstoff. Der Kohlenstoffgehalt kann variieren und es gibt einige zulässige Legierungsstoffe, aber hierbei handelt es sich um einfache Stähle.

Zusätzlich zu dieser genauen Definition wird der Begriff Kohlenstoffstahl auch für die breite Gruppe der legierten Stähle verwendet, bei denen es sich nicht um Edelstahl handelt. Im Gegensatz zu Kohlenstoffstählen können niedriglegierte Stähle geringe Mengen unterschiedlicher Legierungselemente enthalten. Dadurch können Sie für eine größere Palette von Anforderungen individuell angepasst werden. Diese Stähle erfüllen zwar nicht die technischen Anforderungen an Kohlenstoffstahl, aber sie repräsentieren eine Art Unterscheidung im Bereich Stahl: Edelstahl gegenüber allen anderen.

Kohlenstoffstahl und Edelstahl im Vergleich (gemäß Definition)

Kohlenstoffstahl ist per Definition ein sehr einfacher Stahl. Es handelt sich um Eisen mit Kohlenstoff und einem begrenzten Gehalt von Legierungselementen. Außerdem sind alle Stahlarten, für die Legierungselemente notwendig sind (z. B. 4140 und 4340) keine Kohlenstoffstähle. Innerhalb dieser Definition von Kohlenstoffstahl können die Materialien entweder als kohlenstoffarmer oder kohlenstoffreicher Stahl definiert werden. Kohlenstoffarme Stähle werden sehr häufig verwendet, während kohlenstoffreiche Stähle nur in Bereichen verwendet werden, in denen hochfeste und korrosionsbeständige Materialien erforderlich sind. 1020 Stahl ist ein kohlenstoffarmer Stahl, der weit verbreitet ist und heute in großen Mengen hergestellt wird.

Kohlenstoffstahl hat je nach Kohlenstoffgehalt unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Kohlenstoffarme Stähle sind schwächer und weicher, können aber einfach bearbeitet und geschweißt werden, während kohlenstoffreiche Stähle stärker, aber wesentlich schwerer zu bearbeiten sind. Alle Kohlenstoffstähle sind rostanfällig, weshalb sie für viele Endanwendungen nicht geeignet sind. Insgesamt ist Kohlenstoffstahl ein gutes, preiswertes Metall, aber im Allgemeinen nicht für qualitativ hochwertige oder hochpräzise Fertigungsverfahren geeignet.

Niedriglegierte Stähle (manchmal auch als Kohlenstoffstähle bezeichnet)

Niedriglegierte Stähle enthalten ein oder mehrere Legierungselemente (z. B. Chrom, Kobalt, Niob, Molybdän, Nickel, Titan, Wolfram, Vanadium oder Zirkonium), um die Materialeigenschaften von herkömmlichen Kohlenstoffstählen zu verbessern. Sie sind oft stärker, steifer und etwas korrosionsbeständiger als herkömmliche Kohlenstoffstähle.

Legierte Stähle werden durch die primär verwendeten Legierungsmaterialien definiert (zusätzlich zum Kohlenstoff). 4140, einer der am häufigsten verwendeten legierten Stähle, ist ein Chrom-Molybdän-Legierungsstahl. Das bedeutet, dass die hauptsächlich verwendeten Legierungselemente Chrom (zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit) und Molybdän (zur Erhöhung der Härte) sind. Deshalb eignet sich 4140 für Anwendungen mit hohem Verschleiß und hohen Temperaturen.

Legierte Stähle sind die in der heutigen Industrie am häufigsten verwendeten Stahlsorten. Sie sind maschinell bearbeitbar, preisgünstig, leicht verfügbar und besitzen gute mechanische Eigenschaften. Wenn ein Teil nicht korrosionsbeständig sein muss, bieten niedrig legierte Stähle das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

Die Eigenschaften von legiertem Stahl, die Vorteile in der Bearbeitung mit herkömmlichen Methoden bieten, machen ihn für den 3D-Druck weniger geeignet. Da dieser Stahl leicht zu bearbeiten und billig zu beschaffen ist, ist der 3D-Druck von Metall aufgrund der höheren Teilekosten nicht rentabel. Auch wenn es einige Metalldruckereien gibt, die niedrig legierte Stähle wie 4140 anbieten, sind diese eher selten zu finden.

Edelstähle

Edelstähle zeichnen sich durch eine Schlüsseleigenschaft des Materials aus: eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, die durch den hohen Chromgehalt (>10,5 Massenprozent) und den niedrigen Kohlenstoffgehalt (<1,2 Massenprozent) entsteht. Abgesehen von der Korrosionsbeständigkeit können die mechanischen Eigenschaften dieser Stähle stark variieren.

Austenitische Edelstähle sind die am weitesten verbreitete Sorte Edelstahl. Sie sind korrosionsbeständig, lassen sich leicht bearbeiten und leicht schweißen, können jedoch nicht wärmebehandelt werden. 303 und 304 sind die gebräuchlichsten austenitischen Edelstähle, und 316L ist eine Variante mit optimierter Korrosionsbeständigkeit. Diese Stähle werden sehr häufig verwendet, und da sie witterungsbeständig sind, können sie fast überall eingesetzt werden. Da diese Stähle teurer sind, kann der Metall-3D-Druck für diese Teile eine praktikable Herstellungsmethode sein.

Martensitische Edelstähle haben bessere mechanische Eigenschaften als austenitische Stähle, sind dafür aber weniger verformbar. Dieser Stahlgruppe fehlt die allgemeine Vielseitigkeit der austenitischen Stähle. Die hochfeste Härte, gepaart mit einer Korrosionsbeständigkeit, die weitaus besser als die der niedrig legierten Stählen ist, macht sie jedoch für alle hochfesten Teile geeignet, die sich in einer oxidierenden Umgebung befinden. Darüber hinaus können martensitische Stähle wärmebehandelt werden, um die Härte, Festigkeit und Steifigkeit weiter zu erhöhen.

17-4 PH ist ein besonders nützlicher martensitischer Edelstahl, der durch eine Wärmebehandlung eine Vielzahl von Materialeigenschaften erhält. Aufgrund seiner hohen Härte und extrem geringen Bearbeitbarkeit ist es oft günstiger, ihn in 3D zu drucken, als ihn mühsam zu bearbeiten. Wenn Sie mehr über den 3D-Druck von Metallteilen erfahren möchten, sehen Sie sich den Markforged Metal X an.

Kohlenstoffstahl und Edelstahl im Vergleich: Abschließende Beurteilung

Die Debatte über Kohlenstoffstahl und Edelstahl ist etwas komplizierter als ursprünglich angenommen, da sich Kohlenstoffstahl auf zwei verschiedene Sorten von Stahl beziehen kann, nämlich auf den traditionellen Kohlenstoffstahl und den niedriglegierten Stahl.

Im Vergleich zu kohlenstoffarmem Stahl bietet nichtrostender Edelstahl eine deutliche Verbesserung der Festigkeit, Härte und vor allem der Korrosionsbeständigkeit. Kohlenstoffreicher Stahl besitzt eine Festigkeit, die der von Edelstahl ähnlich und sogar manchmal höher ist. Dennoch ist er im Bereich der Produktion weitgehend ein Nischenmaterial. Im Gegensatz zu Kohlenstoffstahl kann Edelstahl in korrosiven oder feuchten Umgebungen verwendet werden, ohne zu oxidieren. Allerdings ist Kohlenstoffstahl wesentlich günstiger als Edelstahl und besser für große Bauteile wie Rohre, Träger und gewalzte Stahlbleche geeignet.

Niedriglegierter Stahl besitzt viele Eigenschaften, die besser als die von Kohlenstoffstahl sind, allerdings ist er nicht sehr korrosionsbeständig. Da viele Materialeigenschaften jenen von Edelstahl gleichen, werden Legierungen wie 4140 und 4340 häufig bearbeitet und in vielen Anwendungen eingesetzt, wo Korrosionsbeständigkeit kein entscheidendes Kriterium ist. Edelstahl ist ein hochwertigeres Material, das sich besser für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Qualität der Teile eignet.