Kohlenstoffstahl im Vergleich zu Edelstahl

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Was bedeutet Kohlenstoffstahl eigentlich?

„Kohlenstoffstahl“ hat zwei Bedeutungen – eine technische Definition und eine allgemeinere Klassifizierung. Die technische Definition ist ganz klar:Laut American Iron and Steel Institute (AISI) muss ein Stahl folgende Standards erfüllen, um der technischen Definition von Kohlenstoffstahl zu entsprechen:

1. Für Chrom, Kobalt, Kolumbium [Niob], Molybdän, Nickel, Titan, Wolfram, Vanadium oder Zirkonium oder jedes andere Element, das hinzugefügt werden muss, um den gewünschten Legierungseffekt zu erzielen, ist kein Mindestgehalt festgelegt oder erforderlich.
2. Wenn der angegebene Mindestwert für Kupfer 0,40 % nicht überschreitet
3. Wenn der für eines der folgenden Elemente angegebene Höchstgehalt die angegebenen Prozentsätze nicht überschreitet:Mangan 1,65, Silizium 0,60, Kupfer 0,60.
   

Die technische Definition ist zwar komplex, läuft aber auf eine einfache Einschränkung hinaus:Echte Kohlenstoffstähle dürfen fast keine Legierungselemente enthalten, sodass sie hauptsächlich aus zwei Materialien bestehen:Eisen und Kohlenstoff. Der Kohlenstoffgehalt kann variieren und es gibt einige akzeptable Legierungsmaterialien, aber diese Stähle sind einfach.

Neben der genauen Definition wird der Begriff Kohlenstoffstahl auch für die breite Gruppe der legierten Stähle verwendet, die keine rostfreien Stähle sind. Im Gegensatz zu Kohlenstoffstählen können niedriglegierte Stähle geringe Mengen verschiedenster Legierungselemente enthalten und können so für eine breitere Anwendungsvielfalt angepasst werden. Diese Stähle erfüllen zwar nicht die technischen Anforderungen von Kohlenstoffstahl, bedeuten aber die größere Kluft bei Stahl:Edelstahl gegenüber allem anderen.

Karbonstahl (per Definition)

Einfach ausgedrückt ist Kohlenstoffstahl per Definition extrem einfach. Es ist Eisen mit etwas Kohlenstoff und begrenzten Legierungselementen. Darüber hinaus ist jeder Stahl, der Legierungselemente erfordert (wie zum Beispiel 4140 und 4340), nicht Kohlenstoffstähle. Innerhalb der Definition von Kohlenstoffstahl können Materialien entweder als kohlenstoffarmer Stahl oder als kohlenstoffreicher Stahl definiert werden. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sind sehr verbreitet, während Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt nur in hochfesten, nicht korrosiven Umgebungen verwendet werden. 1020 Steel, ein kohlenstoffarmer Stahl, ist heute einer der beliebtesten Stähle.

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Kohlenstoffstahl hat je nach Kohlenstoffgehalt unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sind schwächer und weicher, lassen sich jedoch leicht bearbeiten und schweißen; während kohlenstoffreicher Stahl fester, aber deutlich schwerer zu verarbeiten ist. Alle Kohlenstoffstähle sind anfällig für Rost, was sie für den Einsatz in einer Vielzahl von Endanwendungen ungeeignet macht. Insgesamt ist Kohlenstoffstahl ausgezeichnet, wenn Sie nach einem kostengünstigen Metall suchen, aber im Allgemeinen nicht für hochwertige oder hochpräzise Fertigungsvorgänge geeignet sind.

Niedriglegierte Stähle (manchmal als Kohlenstoffstähle bezeichnet)

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

Legierte Stähle werden durch die primären Legierungsmaterialien (zusätzlich zu Kohlenstoff) definiert. 4140, einer der am häufigsten verwendeten legierten Stähle, ist ein legierter Chrom-Molybdän-Stahl. Dies bedeutet, dass die primären Legierungselemente Chrom (das die Korrosionsbeständigkeit erhöht) und Molybdän (das die Zähigkeit erhöht) sind. Daher wird 4140 in Anwendungen mit hohem Verschleiß und erhöhten Temperaturen eingesetzt.

Legierte Stähle sind heute einer der am häufigsten verwendeten Stähle in der Industrie. Sie sind bearbeitbar, kostengünstig, leicht verfügbar und besitzen gute mechanische Eigenschaften. Wenn ein Teil nicht korrosionsbeständig sein muss, bieten niedriglegierte Stähle das beste Preis-Leistungs-Verhältnis.

Die Eigenschaften, die die Herstellung von legiertem Stahl mit herkömmlichen Verfahren vorteilhaft machen, machen ihn für den 3D-Druck weniger wertvoll. Da es leicht zu bearbeiten und billig zu beschaffen ist, machen die höheren inhärenten Teilekosten des 3D-Metalldrucks den Druck wirtschaftlich untragbar. Einige Metalldruckereien bieten niedriglegierte Stähle wie 4140 an, aber sie sind im Allgemeinen selten.

Edelstahl

Nichtrostende Stähle vereinen sich um eine wesentliche Materialeigenschaft:ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, zurückzuführen auf einen hohen Chromgehalt (>10,5 Masse-%) und einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (<1,2 Masse-%). Abgesehen von der Korrosionsbeständigkeit können die mechanischen Eigenschaften dieser Stähle stark variieren.

Austenitische Edelstähle sind die am häufigsten verwendeten Edelstähle. Sie sind korrosionsbeständig und können sowohl leicht bearbeitet als auch geschweißt werden, können jedoch nicht wärmebehandelt werden. 303 und 304 sind die gebräuchlichsten Arten von austenitischen rostfreien Stählen, und 316L ist eine Variante, die die Korrosionsbeständigkeit maximiert. Diese Stähle werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet – da sie wetterfest sind, funktionieren sie fast überall. Aufgrund der höheren Kosten kann der Metall-3D-Druck eine praktikable Herstellungsmethode für diese Teile sein.

Martensitische Edelstähle bieten gegenüber austenitischen Stählen bessere mechanische Eigenschaften auf Kosten der Duktilität. Als Gruppe fehlt ihnen die allgemeine Vielseitigkeit austenitischer Stähle – ihre hochfeste Härte gepaart mit einer Korrosionsbeständigkeit, die niedriglegierten Stählen weit überlegen ist, macht sie jedoch für alle hochfesten Teile geeignet, die in einer oxidierenden Umgebung sind. Darüber hinaus können martensitische Stähle wärmebehandelt werden, um Härte, Festigkeit und Steifigkeit weiter zu erhöhen.

17-4 PH ist eine besonders nützliche Art von martensitischem Edelstahl, der wärmebehandelt werden kann, um eine Vielzahl von Materialeigenschaften zu erfüllen. Aufgrund seiner hohen Härte und der extrem geringen Bearbeitbarkeit ist der 3D-Druck oft billiger als die mühsame Bearbeitung. Wenn Sie mehr über den 3D-Druck von Metallteilen erfahren möchten, sehen Sie sich das Markforged Metal X an.

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Kohlenstoffstahl vs. Edelstahl:Endgültiges Urteil

Die Debatte zwischen Kohlenstoffstahl und Edelstahl ist etwas komplizierter als ursprünglich angenommen, da sich Kohlenstoffstahl auf zwei verschiedene Arten von Stahl beziehen kann:traditioneller Kohlenstoffstahl und niedriglegierter Stahl.

Im Vergleich zu kohlenstoffarmem Stahl bietet Edelstahl ein massives Upgrade in Bezug auf Festigkeit, Härte und vor allem Korrosionsbeständigkeit. Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt bietet eine Festigkeit, die mit Edelstahl konkurrieren kann und manchmal sogar übertrifft, aber in der Fertigungswelt ist er weitgehend ein Nischenmaterial. Im Gegensatz zu Kohlenstoffstahl kann Edelstahl in korrosiven oder feuchten Umgebungen oxidationsfrei überleben und gedeihen. Kohlenstoffstahl ist jedoch viel billiger als Edelstahl und eignet sich besser für große Strukturbauteile wie Rohre, Träger und gewalztes Stahlblech.

Niedriglegierter Stahl ist Kohlenstoffstahl in vielerlei Hinsicht überlegen, aber es fehlt ihm noch an Korrosionsbeständigkeit. Es kann die Materialeigenschaften von Edelstahl effektiv angleichen – daher werden Legierungen wie 4140 und 4340 häufig bearbeitet und in vielen Anwendungen eingesetzt, bei denen ein wenig Oxidation nicht schaden kann. Edelstahl ist ein höherwertiges Material, das besser in Industriebetrieben verwendet wird, wo die Teilequalität nicht beeinträchtigt werden kann.