Ist Kohlenstoffstahl besser als Baustahl?

Oder sind sie gleich?

Ist Kohlenstoffstahl besser als Baustahl? Fangfrage! Weichstahl ist eine Art Kohlenstoffstahl. Das Element Kohlenstoff ist in allen Stählen vorhanden. Wenn dieser Kohlenstoff das Hauptlegierungselement ist, wird die Legierung als Kohlenstoffstahl angesehen. "Kohlenstoffarmer" Stahl ist ein anderer Name für Weichstahl. Es gibt andere Kohlenstoffstähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt. Welche besser ist, hängt von der Anwendung ab, für die der Stahl verwendet wird.

Über 1,5 Milliarden Tonnen Stahl werden jedes Jahr produziert, um so unterschiedliche Produkte wie Nähnadeln und Strukturträger für Wolkenkratzer herzustellen. Kohlenstoffstähle sind die am häufigsten verwendeten Stahllegierungen und machen etwa 85 % der gesamten Produktion in den USA 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, Silizium und Kupfer. Flussstahl ist ein kommerzieller Begriff für kohlenstoffarmen Stahl, bei dem der Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,04–0,3 % liegt.

Kohlenstoffstahlkategorien

Kohlenstoffstahl kann je nach chemischer Zusammensetzung und Eigenschaften des Produkts kategorisiert werden. Flussstahl fällt ebenfalls unter die Kategorie kohlenstoffarmer Stahl, da er einen ähnlichen Kohlenstoffgehalt aufweist. Unlegierter Kohlenstoffstahl ist frei von Legierungen und kann in vier Kategorien eingeteilt werden:

1. Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder Weichstahl

Kohlenstoffarmer Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,04–0,3 % und ist die häufigste Kohlenstoffstahlsorte. Flussstahl wird auch als kohlenstoffarmer Stahl angesehen, da er einen niedrigen Kohlenstoffgehalt von 0,05–0,25 % aufweist. Flussstahl ist duktil, gut formbar und kann für Automobilkarosserieteile, Platten und Drahtprodukte verwendet werden. Am oberen Ende des niedrigen Kohlenstoffgehaltsbereichs und mit der Zugabe von Mangan von bis zu 1,5 % sind die mechanischen Eigenschaften für Stanzteile, Schmiedeteile, nahtlose Rohre und Kesselbleche geeignet.

2. Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt

Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt hat einen Kohlenstoffbereich von 0,31–0,6 % und einen Manganbereich von 0,6–1,65 %. Dieser Stahl kann wärmebehandelt und abgeschreckt werden, um die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften weiter einzustellen. Beliebte Anwendungen sind Wellen, Achsen, Zahnräder, Schienen und Eisenbahnräder.

3. Kohlenstoffstahl

Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hat einen Kohlenstoffbereich von 0,6–1 % mit einem Mangangehalt von 0,3–0,9 %. Die Eigenschaften von Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt machen sie zur Verwendung als Federn und hochfeste Drähte geeignet. Diese Produkte können nicht geschweißt werden, es sei denn, das Schweißverfahren enthält ein detailliertes Wärmebehandlungsprogramm. Kohlenstoffstahl wird für Schneidwerkzeuge, hochfeste Drähte und Federn verwendet.

4. Stähle mit ultrahohem Kohlenstoffgehalt

Ultrahochkohlenstoffstahl hat einen Kohlenstoffbereich von 1,25–2% und ist als experimentelle Legierung bekannt. Durch das Anlassen kann ein Stahl mit einem hohen Härtegrad hergestellt werden, der für Anwendungen wie Messer, Achsen oder Stempel nützlich ist.

Herstellung von Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl und Weichstahl werden in drei Stufen hergestellt:

1. Primäre Stahlerzeugung
2. Sekundäre Stahlerzeugung
3. Casting

Darauf folgen verschiedene Veredelungstechniken, die sich direkt auf die Eigenschaften des Endprodukts auswirken.

1. Primäre Stahlerzeugung

Stahl kann entweder aus 100 % recyceltem Material oder aus einer Kombination aus recyceltem Material und neuem Stahl hergestellt werden. Frischstahl wird in einem Hochofen aus Eisenerz, Koks (hergestellt aus Kohle) und Kalk hergestellt. Die Rohstoffe werden oben in den Ofen gegeben, der bei 3000 °F betrieben wird. Wenn das Eisenerz schmilzt und sich mit dem brennenden Koks vermischt, wird Kohlenstoff in das geschmolzene Produkt freigesetzt. Verunreinigungen werden durch Kalk in einer Schlacke an der Oberfläche absorbiert, die vom flüssigen Stahl abgeschöpft werden kann. Das Produkt enthält in diesem Stadium etwa 4 % Kohlenstoff und weist noch einige vorhandene Verunreinigungen auf. Geschmolzener Neustahl wird in den Basis-Sauerstoffofen (BOF) überführt, der bereits recycelten Schrott enthält. Reiner Sauerstoff wird durch den flüssigen Stahl geblasen, um den überschüssigen Kohlenstoff zu oxidieren, wodurch ein fertiges Produkt mit bis zu 1,5 % Kohlenstoffgehalt entsteht.

Recycelter Stahlschrott kann ohne Zugabe von Neustahl in einem Elektrolichtbogenofen wiederaufbereitet werden. Hochleistungs-Lichtbögen schmelzen das Metall bei Temperaturen von bis zu 3000 °F. Während der Stahlschrott schmilzt, können dem Ofen bis zu seiner Kapazität weitere Schrottchargen hinzugefügt werden. Sobald ein flaches Bad aus geschmolzenem Stahl erreicht ist, wird Sauerstoff auf die gleiche Weise wie der BOF durchgeblasen. In beiden Fällen wird geschmolzener Stahl zur weiteren Verarbeitung aus dem Ofen in Pfannen oder Stahlbäder gegossen, während die Verunreinigungen enthaltende Oberflächenschlacke entfernt wird.

2. Sekundärstahlerzeugung

Die Marktnachfrage nach höherwertigen Stahlprodukten und gleichbleibenden Eigenschaften hat die Entwicklung sekundärer Stahlherstellungsverfahren vorangetrieben.

Elektrolichtbogenofen

Die Stahlzusammensetzung wird in einem Elektrolichtbogenofen durch Hinzufügen oder Entfernen einzelner Komponenten oder durch Manipulation der Temperatur verändert.

• Rühren
  Elektromagnetische Felder werden verwendet, um turbulente Strömungen in der Pfanne zu induzieren. Dieses Verfahren trennt leicht nichtmetallische Einschlüsse, die an der Oberfläche schwimmen, und gewährleistet gleichzeitig eine homogene Mischung und Zusammensetzung des Stahls.
• Pfannenofen
  Die Pfanne fungiert als sekundärer Elektrodenofen, der eine präzise Temperaturkontrolle und das dosierte Einspritzen von Legierungskomponenten ermöglicht.
• Pfanneneinspritzung
  Am Boden des Stahlbades wird Inertgas eingeblasen. Wenn sich das Gas erwärmt und durch die Stahlschmelze aufsteigt, wird ein Rühreffekt erzielt.
• Entgasung
  Entfernt Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff und reduziert gleichzeitig den Schwefelgehalt des Produkts. Verschiedene Techniken zum Entgasen von geschmolzenem Stahl, einschließlich Vakuum, Inertgasinjektion und Temperaturkontrolle.
• Anpassung der Zusammensetzung (versiegeltes Argonblasen mit Sauerstoffblasen – CAS-OB)
  Das Rühren wird durch Injizieren von Argongas in das abgedichtete Stahlbad erreicht. Eine Schnorchelanordnung verhindert, dass die Schlacke gestört wird, während der Wasserstoffgehalt reduziert wird und Oxideinschlüsse an die Oberfläche geschwommen werden. Sauerstoff wird dem Bad durch eine Lanze zugeführt und Aluminium wird durch den Schnorchel hinzugefügt, was eine verbesserte Temperaturkontrolle und eine genaue Endzusammensetzung ergibt.

Desoxidieren von Stahl

Ein kritischer Aspekt der Sekundärstahlerzeugung ist die Entfernung von Sauerstoff. Das Vorhandensein von Sauerstoff in geschmolzenem Stahl, wenn er sich zu verfestigen beginnt, führt zu einer Reaktion mit Kohlenstoff, um Kohlenmonoxidgas freizusetzen. Die Kontrolle der Desoxidation kann verwendet werden, um die Eigenschaften des Endprodukts und damit die Eignung des Stahls für verschiedene Anwendungen zu verändern.

• Rimmingstähle
  Rimmingstähle sind nicht desoxidierte oder teilweise desoxidierte Stähle. Während der Erstarrung werden hohe Konzentrationen an Kohlenmonoxid erzeugt, was zu einer guten Oberflächenqualität führt, jedoch mit dem Vorhandensein vieler Lunker.
• Verkappte Stähle
  Verkappte Stähle folgen anfangs dem gleichen Muster wie das Rimming, aber nach etwa einer Minute wird die Form verschlossen, um die Bildung von Kohlenmonoxid zu unterdrücken.
• Halbberuhigte Stähle
  Halbberuhigte Stähle wurden vor dem Gießen in die Form teilweise desoxidiert und haben normalerweise einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,15–0,3 %.
• Getötete Stähle
  Beruhigte Stähle wurden vollständig desoxidiert, so dass während der Erstarrung überhaupt keine Bildung von Kohlenmonoxid auftritt. Das fertige Produkt hat eine homogene Struktur und keine Lunker. Aluminium wird als primäres Desoxidationsmittel in die Pfanne oder Form gegeben, um die Bildung von Kohlenmonoxid zu „töten“. es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die Zugabe von Aluminium zum fertigen Produkt unerwünscht ist. Alternativen zu Aluminium sind Ferrolegierungen aus Mangan und Silizium oder Kalziumsilizid.

3. Casting

Herkömmliche Gießverfahren beinhalten das Anheben der Gießpfanne mit einem Kran, damit geschmolzener Stahl in einzelne Formen gegossen werden kann, die auf Schienenfahrzeugen montiert sind. Barrenformen sind leicht verjüngt, um das Entfernen der Barren nach dem Erstarren zu erleichtern. Die Barren werden in Haltegruben überführt, wo sie für das Warmwalzen erneut erhitzt werden.

Gießmaschinen ermöglichen das kontinuierliche Gießen von geschmolzenem Stahl in Formen, die besser für die Weiterverarbeitung geeignet sind. Pfannen werden auf eine erhöhte Plattform gehoben, wo sie den geschmolzenen Stahl in einen Tundish entleeren, der die Gießmaschine speist. Geschmolzener Stahl wird aus dem Tundish in eine wassergekühlte Kokille mit beweglicher Bodenplatte geleitet. Während sich die Stahlhaut verfestigt, wird die Platte langsam abgesenkt, sodass mehr geschmolzener Stahl in die Form eintreten kann. In einer Stranggießmaschine wird Stahl zu Brammen, Vorblöcken oder Knüppeln geformt. Das erstarrte Produkt wird von Walzen gezogen, bevor es am Ende der Maschine gerichtet und geschnitten wird. Dieser Vorgang kann Tage oder Wochen ohne Unterbrechung andauern.

Veredelung von Kohlenstoffstahl

Nachdem der Herstellungsprozess von Kohlenstoffstahl abgeschlossen ist, wird er durch Walzen, Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung oder nachgelagerte Weiterverarbeitung fertiggestellt.

Produktrollen

Massive Gussbarren müssen in nützlichere Formen und Größen gewalzt werden, wie sie durch kontinuierliches Gießen hergestellt werden. Stahl wird komprimiert und durch rotierende Walzen gezogen. Die Walzen drehen sich schneller als der Stahl, wenn er in die Maschine eintritt, wodurch der Stahl nach vorne geschoben und komprimiert wird.

Warmumformung

Stahl wird über die Rekristallisationstemperatur erhitzt, um die Mikrostruktur im Gusszustand aufzubrechen. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Korngröße und einer gleichmäßigeren Kohlenstoffverteilung im Stahl.

Kaltumformung

Die Kaltumformung erfolgt unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Dieser Prozess erhöht die Festigkeit durch Kaltverfestigung um bis zu 20 %, verbessert gleichzeitig die Oberflächengüte und ermöglicht engere Toleranzen. Aus dem Walzprozess geht Stahl je nach Endabmessung als Halbzeug in Form von Vorblöcken, Knüppeln oder Brammen hervor. Ein Vorblock ist eine sehr dicke rechteckige Bramme, ein Knüppel hat eine ähnliche Dicke, aber eine geringere Breite, und eine Bramme ist ein dünneres und breiteres Produkt.

Halbzeuge werden in einem Walzwerk zu Zwischenprodukten weiterverarbeitet, um sie für die Fertigung und Endverarbeitung durch nachgelagerte Unternehmen vorzubereiten.

KALTUMFORMPRODUKTE UND ANWENDUNGEN

PRODUKTE

ANWENDUNGEN

Blüht

Strukturelle Anwendungen

Geländer

Leitplanken
Handläufe
Benutzerdefinierte Geländer

Gerollte Stäbe

Maschinenbau
Konstruktion

Platten (Dicke über 1/4 Zoll)

Schwere Fertigung
Kessel
Brücken
Industrieschiffe
Panzer
Schiffe

Blätter (Dicke unter 1/4 Zoll)

Karosserien
Haushaltsgeräte
Büroausstattung
Getränkedosen

Rund-/Vierkantstangen

Konstruktionsrahmen
Zahnspange
Wellen
Achsen

Sobald der Stahl das Walzwerk verlässt, wenden nachgelagerte Unternehmen verschiedene Sekundärverarbeitungstechniken an, um Korrosion zu verhindern und die Eigenschaften des Metalls zu verbessern. Die vorherrschende Technik hierfür ist die Wärmebehandlung.

Wärmebehandlung

Der Zweck der Wärmebehandlung von Stahl besteht darin, seine mechanischen Eigenschaften zu manipulieren, indem die Kohlenstoffverteilung im Produkt und die innere Mikrostruktur verändert werden. Bei der Manipulation der mechanischen Eigenschaften von Stahl führt eine Erhöhung der Duktilität zu einer Verringerung der Härte und Festigkeit und umgekehrt.

Normalisierung

Stahl wird auf eine Temperatur von etwa 130 °F über der oberen kritischen Temperatur erhitzt. Die Temperatur wird gehalten, bis das gesamte Produkt gleichmäßig erhitzt ist, wonach es luftgekühlt wird. Dies ist die häufigste Form der Wärmebehandlung und verleiht dem Stahl eine hohe Festigkeit und Härte.

Glühen

Die Temperatur des Stahls wird vor dem Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 70°F pro Stunde für eine Stunde in den Zustand der festen Lösung angehoben. Es entsteht ein weicher und duktiler Stahl ohne Eigenspannungen.

Löschen

Ein ähnlicher Prozess wie das Normalisieren, aber das Abkühlen wird beschleunigt, indem der Stahl in Wasser, Salzlake oder Öl abgeschreckt wird. Das resultierende Produkt ist sehr hart – bis zu viermal härter als normalisierter Stahl – aber sehr spröde, wodurch es anfällig für Brüche und Risse ist. Aus diesem Grund folgt auf das Abschrecken auf eine vorgegebene Temperatur normalerweise eine kontrollierte Abkühlgeschwindigkeit bis auf Raumtemperatur in einem Prozess, der Anlassen oder Spannungsarmglühen genannt wird. Durch die Gestaltung der Temperatur- und Abkühlgeschwindigkeitsparameter während der Wärmebehandlung können die Eigenschaften des Stahls genau gesteuert werden.

Oberflächenbehandlung

Ungefähr ein Drittel des produzierten Stahls wird mit einer Oberflächenbeschichtung behandelt, um Korrosion zu verhindern, die Schweißbarkeit und Lackierbarkeit zu verbessern.

Feuerverzinkung

Galvanisieren ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Zinkoberflächenschicht auf Stahl. Der Stahl wird erhitzt, bevor er in ein Zinkbad eintritt, in dem flüssiges Zink die Oberfläche des Produkts überzieht. Die Dicke der Beschichtung wird mit Gasmessern kontrolliert. Um zu verhindern, dass die Zinkschicht reißt, wird der Zinklösung eine kleine Menge Aluminium zugesetzt.

Elektrolytische Verzinkung

Ein weiteres Verfahren zum Aufbringen einer Zinkschicht auf Stahlprodukte ist die elektrolytische Verzinkung. Zink wird auf der Oberfläche des Stahls abgeschieden, indem der Strom in einer Elektrolytlösung gesteuert wird. Diese Technik ermöglicht eine bessere Kontrolle der Beschichtungsdicke. Es kann auch verwendet werden, um unterschiedliche Beschichtungen mit unterschiedlichen Dicken auf beiden Seiten eines Produkts oder Zinklegierungsbeschichtungen aufzubringen, um die gewünschten Eigenschaften zu optimieren.

Nachgelagerte Sekundärverarbeitung

Nachgelagerte Unternehmen verarbeiten ihre Stahlrohstoffe zu fertigen Produkten weiter. Es werden verschiedene Verarbeitungstechniken verwendet, wie z. B. die spanende Bearbeitung, bei der Oberflächenmetall mit Werkzeugmaschinen gleichmäßig entfernt wird. Das Verbinden von Stahl ist ebenfalls üblich und verwendet verschiedene Schweißtechniken.

Recycling von Kohlenstoffstahl

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

Zu den Quellen für recycelten Stahl gehören Schrott aus Stahlwerken, Sekundärherstellern und Stahlprodukte am Ende ihres Produktlebenszyklus. Es gibt oft nicht genug recycelten Stahl, um den Produktionsbedarf zu decken, sodass bei der Herstellung von Endprodukten fast immer eine Kombination aus neuem und recyceltem Stahl verwendet wird.

Das Recycling von Stahl ist auch wirtschaftlich, da es die Kosten für fertige Produkte senkt. Aus diesem Grund hat sich die Stahlindustrie aktiv an der Förderung und Einrichtung von Recyclingnetzwerken beteiligt, um das Recycling von Altprodukten zu erleichtern.

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

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