Ist Kohlenstoffstahl besser als Baustahl? Unterschiede geklärt

Oder sind sie dasselbe?

Ist Kohlenstoffstahl besser als Baustahl? Trickfrage! Baustahl ist eine Art von Kohlenstoffstahl. Das Element Kohlenstoff ist in jedem Stahl vorhanden. Immer dann, wenn Kohlenstoff das Hauptlegierungselement ist, gilt die Legierung als Kohlenstoffstahl. „Niedrigkohlenstoffstahl“ ist ein anderer Name für Baustahl. Es gibt andere Kohlenstoffstähle mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten. Welcher besser ist, hängt von der Anwendung ab, für die der Stahl verwendet wird.

Jährlich werden über 1,5 Milliarden Tonnen Stahl produziert, um Produkte so vielfältig wie Nähnadeln und Träger für Wolkenkratzer herzustellen. Kohlenstoffstähle sind die am häufigsten verwendeten Stahllegierungen und machen in den USA ca. 85 % der gesamten Produktion aus. Der Kohlenstoffgehalt des Produkts liegt im Bereich von 0–2 %. Dieser Kohlenstoff beeinflusst die Mikrostruktur des Stahls und verleiht ihm legendäre Festigkeit und Zähigkeit. Diese Legierungen enthalten auch geringe Mengen an Mangan, Silicium und Kupfer. Baustahl ist ein kommerzieller Begriff für niedrigkohlenstoffhaltigen Stahl, wobei der Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,04–0,3 % liegt.

Kategorien von Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl kann je nach chemischer Zusammensetzung und Eigenschaften des Produkts kategorisiert werden. Baustahl fällt auch in die Kategorie des niedrigkohlenstoffhaltigen Stahls, da er einen ähnlichen Kohlenstoffgehalt aufweist. Unlegierter Kohlenstoffstahl kann in vier Kategorien eingeteilt werden:

1. Niedrigkohlenstoffstahl oder Baustahl

Niedrigkohlenstoffstahl hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,04–0,3 % und ist die gängigste Güte von Kohlenstoffstahl. Baustahl gilt ebenfalls als niedrigkohlenstoffhaltiger Stahl, da er als Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt von 0,05–0,25 % definiert ist. Baustahl ist duktil, hoch formbar und kann für Karosserieteile, Bleche und Drahtprodukte verwendet werden. Am oberen Ende des niedrigen Kohlenstoffgehaltsbereichs und mit Zugabe von Mangan bis zu 1,5 % sind die mechanischen Eigenschaften für Stanzteile, Schmiedeteile, nahtlose Rohre und Kesselbleche geeignet.

2. Mittelkohlenstoffstahl

Mittelkohlenstoffstahl hat einen Kohlenstoffbereich von 0,31–0,6 % und einen Manganbereich von 0,6–1,65 %. Dieser Stahl kann wärmebehandelt und abgeschreckt werden, um Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften weiter anzupassen. Beliebte Anwendungen sind Wellen, Achsen, Zahnräder, Schienen und Eisenbahnräder.

3. Hochkohlenstoffstahl

Hochkohlenstoffstahl hat einen Kohlenstoffbereich von 0,6–1 % mit 0,3–0,9 % Mangan. Die Eigenschaften von Hochkohlenstoffstählen machen sie für Federn und hochfeste Drähte geeignet. Diese Produkte können nicht geschweißt werden, es sei denn, ein detailliertes Wärmebehandlungsprogramm ist im Schweißverfahren enthalten. Hochkohlenstoffstahl wird für Schneidwerkzeuge, hochfeste Drähte und Federn verwendet.

4. Ultrahochkohlenstoffstähle

Ultrahochkohlenstoffstahl hat einen Kohlenstoffbereich von 1,25–2 % und gilt als experimentelle Legierung. Anlassen kann einen Stahl mit großer Härte erzeugen, der für Anwendungen wie Messer, Achsen oder Stempel nützlich ist.

Herstellung von Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl und Baustahl werden in drei Stufen hergestellt:

1. Primäre Stahlerzeugung
2. Sekundäre Stahlerzeugung
3. Gießen

Diesen folgen verschiedene Veredelungstechniken, die einen direkten Einfluss auf die endgültigen Produkteigenschaften haben.

1. Primäre Stahlerzeugung

Stahl kann entweder zu 100 % aus recyceltem Material oder aus einer Kombination von recyceltem Material und Primärstahl hergestellt werden. Primärstahl wird im Hochofen aus Eisenerz, Koks (aus Kohle produziert) und Kalk hergestellt. Die Rohstoffe werden oben in den Ofen gegeben, der bei 3000 °F (ca. 1650 °C) arbeitet. Während das Eisenerz schmilzt und sich mit dem brennenden Koks vermischt, wird Kohlenstoff in das flüssige Produkt freigesetzt. Verunreinigungen werden vom Kalk in eine Schlacke an der Oberfläche aufgenommen, die vom flüssigen Stahl abgeschöpft werden kann. Das Produkt in diesem Stadium enthält ca. 4 % Kohlenstoff und hat noch einige Verunreinigungen. Flüssiger Primärstahl wird in den Basissauerstoffofen (BOF) überführt, der bereits recycelten Schrott enthält. Reiner Sauerstoff wird durch den flüssigen Stahl geblasen, um den überschüssigen Kohlenstoff zu oxidieren, was ein Endprodukt mit bis zu 1,5 % Kohlenstoffgehalt ergibt.

Recycelter Stahlschrott kann ohne Zugabe von Primärstahl im Lichtbogenofen wiederaufbereitet werden. Hochleistungs-Lichtbögen schmelzen das Metall bei Temperaturen bis zu 3000 °F. Während der Stahlschrott schmilzt, können weitere Schrottchargen bis zur Kapazität des Ofens hinzugefügt werden. Sobald ein flaches Bad aus flüssigem Stahl erreicht ist, wird Sauerstoff auf die gleiche Weise wie im BOF eingeblasen. In beiden Fällen wird flüssiger Stahl aus dem Ofen in Pfannen oder Stahlbäder für die weitere Verarbeitung abgestochen, während die an der Oberfläche befindliche, verunreinigungshaltige Schlacke entfernt wird.

2. Sekundäre Stahlerzeugung

Marktanforderungen nach höherwertigen Stahlprodukten und konsistenten Eigenschaften haben die Entwicklung sekundärer Stahlerzeugungsprozesse vorangetrieben.

Lichtbogenofen

Die Stahlzusammensetzung wird im Lichtbogenofen durch Hinzufügen oder Entfernen einzelner Komponenten oder durch Manipulation der Temperatur verändert.

• Rühren
  Elektromagnetische Felder induzieren turbulente Strömungen in der Pfanne. Diese Methode trennt nichtmetallische Einschlüsse leicht, die an die Oberfläche steigen, während sie eine homogene Mischung und Zusammensetzung des Stahls sicherstellt.
• Pfannenofen
  Die Pfanne fungiert als sekundärer Elektrodenofen und ermöglicht präzise Temperaturkontrolle und dosierte Injektion von Legierungskomponenten.
• Pfanneneinblasung
  Inertes Gas wird in den Boden des Stahlbads eingeblasen. Wenn das Gas sich erwärmt und durch den flüssigen Stahl aufsteigt, wird ein Rühreffekt erzielt.
• Entgasen
  Entfernt Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, während auch der Schwefelgehalt des Produkts reduziert wird. Verschiedene Techniken zum Entgasen von flüssigem Stahl umfassen Vakuum, Inertgaseinblasung und Temperaturkontrolle.
• Zusammensetzungsanpassung (CAS-OB)
  Rühren wird durch Einblasen von Argongas in das abgedichtete Stahlbad erreicht. Ein Schnorchel-Arrangement verhindert, dass die Schlacke gestört wird, während der Wasserstoffgehalt reduziert und Oxid-Einschlüsse an die Oberfläche gebracht werden. Sauerstoff wird durch eine Lanze zugeführt und Aluminium durch den Schnorchel hinzugefügt, was eine erhöhte Temperaturkontrolle und genaue Endzusammensetzung ermöglicht.

Entoxidation von Stahl

Ein kritischer Aspekt der sekundären Stahlerzeugung ist die Entfernung von Sauerstoff. Die Anwesenheit von Sauerstoff in flüssigem Stahl beim Beginn der Erstarrung führt zu einer Reaktion mit Kohlenstoff und Freisetzung von Kohlenmonoxidgas. Die Kontrolle der Entoxidation kann genutzt werden, um die Eigenschaften des Endprodukts zu verändern und damit die Eignung des Stahls für verschiedene Anwendungen.

• Randzone-Stähle (Rimming steels)
  Randzone-Stähle sind nicht oder nur teilweise entoxidierte Stähle. Hohe Mengen an Kohlenmonoxid entstehen während der Erstarrung, was gute Oberflächenqualität ergibt, aber viele Lunker aufweist.
• Abgedeckte Stähle (Capped steels)
  Abgedeckte Stähle folgen zunächst dem gleichen Muster wie Randzone-Stähle, aber nach etwa einer Minute wird die Form abgedeckt, um die Kohlenmonoxidbildung zu unterdrücken.
• Halbberuhigte Stähle (Semi-killed steels)
  Halbberuhigte Stähle wurden vor dem Gießen in die Form teilweise entoxidiert und haben meist einen Kohlenstoffgehalt von 0,15–0,3 %.
• Beruhigte Stähle (Killed steels)
  Beruhigte Stähle wurden vollständig entoxidiert, sodass während der Erstarrung überhaupt keine Kohlenmonoxidbildung stattfindet. Das Endprodukt hat eine homogene Struktur und keine Lunker. Aluminium wird in die Pfanne oder Form als primäres Entoxidationsmittel gegeben, um die Kohlenmonoxidbildung zu „beruhigen“; es gibt jedoch Anwendungen, wo die Zugabe von Aluminium zum Endprodukt unerwünscht ist. Alternativen zu Aluminium sind Ferrolegierungen von Mangan und Silicium oder Calciumsilicid.

3. Gießen

Traditionelle Gießmethoden beinhalten das Anheben der Pfanne per Kran, damit flüssiger Stahl in einzelne Formen auf Schienenwagen gegossen werden kann. Barrenformen sind leicht konisch, um das Entfernen der Barren nach der Erstarrung zu erleichtern. Barren werden in Einweichgruben überführt, wo sie für das Warmwalzen wiedererhitzt werden.

Stranggießmaschinen ermöglichen das kontinuierliche Gießen von flüssigem Stahl in Formen, die für die nachgelagerte Verarbeitung besser geeignet sind. Pfannen werden auf eine erhöhte Plattform gehoben, wo sie den flüssigen Stahl in einen Verteiler (Tundish) entleeren, der die Gießmaschine speist. Flüssiger Stahl wird vom Verteiler in eine wassergekühlte Form mit beweglichem Bodenblech geleitet. Während die Stahlhaut erstarrt, wird die Platte langsam abgesenkt, sodass mehr flüssiger Stahl in die Form eintreten kann. Stahl wird in Stranggießmaschinen zu Brammen, Blöcken oder Knüppeln geformt. Das erstarrte Produkt wird von Walzen gezogen, bevor es am Ende der Maschine gerichtet und geschnitten wird. Dieser Prozess kann Tage oder Wochen ununterbrochen fortgesetzt werden.

Veredelung von Kohlenstoffstahl

Nach Abschluss des Herstellungsprozesses von Kohlenstoffstahl wird er durch Walzen, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung oder nachgelagerte sekundäre Verarbeitung veredelt.

Produktwalzen

Massive gegossene Barren müssen in nützlichere Formen und Größen gewalzt werden wie sie durch Stranggießen produziert werden. Stahl wird von rotierenden Walzen komprimiert und gezogen. Die Walzen rotieren schneller als der Stahl beim Eintritt in die Maschine, wodurch der Stahl vorgeschoben und komprimiert wird.

Warmumformen

Stahl wird über die Rekristallisationstemperatur erhitzt, um das Gussgefüge aufzulösen. Dies ergibt eine gleichmäßigere Korngröße und gleichmäßige Verteilung des Kohlenstoffs im Stahl.

Kaltumformen

Kaltumformen erfolgt unter der Rekristallisationstemperatur. Dieser Prozess erhöht die Festigkeit durch Kaltverfestigung um bis zu 20 %, verbessert die Oberfläche und ermöglicht engere Toleranzen. Stahl verlässt den Walzprozess als Halbzeuge in Form von Blöcken, Knüppeln oder Brammen, je nach endgültigen Abmessungen. Ein Block ist eine sehr dicke rechteckige Platte, ein Knüppel hat ähnliche Dicke, aber schmalere Breite, und eine Bramme ist ein dünneres und breiteres Produkt.

Halbzeuge werden in einem Walzwerk weiter zu Zwischenprodukten verarbeitet, um sie für die Fertigung und Endbearbeitung durch nachgelagerte Unternehmen vorzubereiten.

KALTUMFORMPRODUKTE UND ANWENDUNGEN
Produkte	Anwendungen
Blöcke (Blooms)	Konstruktive Anwendungen
Schienen (Railings)	Leitplanken, Handläufe, individuelle Geländer
Walzstangen (Rolled bars)	Maschinenbau, Bauwesen
Bleche (Plates) (Dicke über 1/4 Zoll)	Schwerindustrie, Kessel, Brücken, Industriebehälter, Tanks, Schiffe
Bänder (Sheets) (Dicke unter 1/4 Zoll)	Autokarosserien, Haushaltsgeräte, Büromaschinen, Getränkedosen
Runde/quadratische Stäbe	Baugerüste, Streben, Wellen, Achsen

Sobald der Stahl das Walzwerk verlässt, nutzen nachgelagerte Unternehmen verschiedene sekundäre Verarbeitungstechniken, um Korrosion zu verhindern und die Eigenschaften des Metalls zu verbessern. Die vorherrschende Technik dafür ist die Wärmebehandlung.

Wärmebehandlung

Zweck der Wärmebehandlung von Stahl ist die Manipulation seiner mechanischen Eigenschaften durch Veränderung der Kohlenstoffverteilung im Produkt und der inneren Mikrostruktur. Bei der Manipulation der mechanischen Eigenschaften von Stahl führt eine Erhöhung der Duktilität zu einer Verringerung von Härte und Festigkeit und umgekehrt.

Normalisieren

Stahl wird auf eine Temperatur ca. 130 °F (ca. 55 °C) über die obere kritische Temperatur erhitzt. Die Temperatur wird gehalten, bis das gesamte Produkt gleichmäßig erwärmt ist, woraufhin es an der Luft abkühlt. Dies ist die häufigste Form der Wärmebehandlung und verleiht Stahl hohe Festigkeit und Härte.

Weichglühen

Die Temperatur des Stahls wird für eine Stunde in den festen Lösungszustand gebracht, bevor er mit einer Rate von 70 °F (ca. 39 °C) pro Stunde abkühlt. Ein weicher und duktiler Stahl resultiert ohne innere Spannungen.

Abschrecken

Ein ähnlicher Prozess wie Normalisieren, aber die Abkühlung wird durch Abschrecken in Wasser, Sole oder Öl beschleunigt. Das resultierende Produkt ist sehr hart – bis zu viermal härter als normalisierter Stahl – aber sehr spröde, was es anfällig für Bruch und Risse macht. Aus diesem Grund wird das Abschrecken auf eine vorbestimmte Temperatur normalerweise von einer kontrollierten Abkühlrate bis zur Raumtemperatur in einem Prozess namens Anlassen oder Spannungsarmglühen gefolgt. Durch das Design der Temperatur- und Abkühlratenparameter während der Wärmebehandlung können die Eigenschaften des Stahls präzise gesteuert werden.

Oberflächenbehandlung

Etwa ein Drittel des produzierten Stahls wird mit einer Oberflächenbeschichtung behandelt, um Korrosion zu hemmen, Schweißbarkeit und Lackierbarkeit zu verbessern.

Feuerverzinken

Verzinken ist ein Prozess, bei dem eine Zinkoberflächenbeschichtung auf Stahl aufgebracht wird. Der Stahl wird vor dem Eintauchen in ein Zinkbad erhitzt, wo flüssiges Zink die Oberfläche des Produkts beschichtet. Die Schichtdicke wird mit Gasdüsen (Gas knives) kontrolliert. Um zu verhindern, dass die Zinkbeschichtung reißt, wird der Zinklösung eine kleine Menge Aluminium zugesetzt.

Elektrolytisches Verzinken

Ein weiterer Prozess zum Aufbringen einer Zinkbeschichtung auf Stahlprodukte ist das elektrolytische Verzinken. Zink wird durch Steuerung des Stroms in einer Elektrolytlösung auf die Stahloberfläche abgeschieden. Diese Technik ermöglicht eine bessere Kontrolle der Schichtdicke. Sie kann auch verwendet werden, um unterschiedliche Beschichtungen mit verschiedenen Dicken auf beiden Seiten eines Produkts aufzubringen oder Zinklegierungsbeschichtungen zur Optimierung der gewünschten Eigenschaften.

Nachgelagerte sekundäre Verarbeitung

Nachgelagerte Unternehmen verarbeiten ihre Stahlrohstoffe weiter zu Fertigprodukten. Verschiedene Verarbeitungstechniken werden verwendet, wie Zerspanen, bei dem gleichmäßig Oberflächenmetall mit Werkzeugmaschinen entfernt wird. Das Fügen von Stahl ist ebenfalls üblich und nutzt verschiedene Schweißtechniken.

Recycling von Kohlenstoffstahl

Metallrecycling ist eine Erfolgsgeschichte nachhaltigen Lebens und der Minimierung der Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt. Stahl ist das am meisten recycelte Material der Welt, mehr als alle anderen Materialien zusammen.

Quellen für recycelten Stahl sind Schrott aus Stahlwerken, nachgelagerte Hersteller und Stahlprodukte am Ende ihres Lebenszyklus. Es gibt oft nicht genug recycelten Stahl, um die Fertigungsnachfrage zu decken, daher ist in der Produktion von Fertigprodukten fast immer eine Kombination aus Primär- und Recyclingstahl enthalten.

Recycling von Stahl ist auch wirtschaftlich, da es die Kosten von Fertigprodukten senkt. Aus diesem Grund war die Stahlindustrie aktiv daran beteiligt, Recyclingnetzwerke zu fördern und zu etablieren, um es einfach zu machen, End-of-Life-Produkte zu recyceln.

Für weitere Informationen zu Stahl oder um ein Angebot für ein individuelles Projekt anzufordern, kontaktieren Sie uns bitte.

Verwandte Artikel:

• Stahlrohr: Eine Einführung
• Stahlklassifizierung
• Vollständiger Leitfaden zu Edelstahl
• Kohlenstoffstahl vs. Edelstahl
• Warm- vs. kaltgewalzter Stahl