Bearbeitung von Kohlenstoffstahl: Eigenschaften, Prozesse und Anwendungen

Stangen aus Kohlenstoffstahl

Die Bearbeitung von Kohlenstoffstahl erfordert Kenntnisse über die Kohlenstoffstahllegierung und ihre Eignung für die kundenspezifische Stahlbearbeitung. Es handelt sich um eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0.05 % bis 2.1 % (bezogen auf das Gesamtgewicht). Das mechanische Verhalten und die Materialeigenschaften von Kohlenstoffstahl hängen vom Kohlenstoffgehalt der Legierung ab, der sich direkt auf die Bearbeitbarkeit auswirkt.

Kohlenstoffstahl mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt ist weicher und im Allgemeinen leichter zu bearbeiten. Kohlenstoffstähle mit hohem Kohlenstoffgehalt sind hingegen schwieriger zu bearbeiten und erfordern Spezialwerkzeuge, weisen aber eine höhere Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit auf. Die Wahl des Kohlenstoffgehalts und der Bearbeitungsmethode des legierten Stahls kann die Werkzeugstandzeit und damit die Genauigkeit von präzisionsgefertigten CNC-Bauteilen aus Kohlenstoffstahl beeinflussen. Weiterlesen:Legierter Stahl vs. Kohlenstoffstahl

Was ist Kohlenstoffstahl?

Stahlstangen schneiden

Kohlenstoffstahl besteht aus Eisen und Kohlenstoff und wird je nach Kohlenstoffgehalt in drei Hauptkategorien eingeteilt. Niedrigkohlenstoffstahl hat einen Kohlenstoffgehalt von 0.3 % und weniger, mittelkohlenstoffhaltiger Stahl liegt zwischen 0.3 % und 0.6 % und hochkohlenstoffhaltiger Stahl über 0.6 %.

Es enthält keine absichtlich hinzugefügten Legierungselemente wie Chrom, was es von Legierungen unterscheidet. Spurenelemente wie Mangan, Schwefel, Phosphor und Silicium sind enthalten. Der im Stahl vorhandene Kohlenstoffgehalt hat direkten Einfluss auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Materials, wie z. B. Festigkeit, Härte und Duktilität.

Kohlenstoffstahl wandelt sich bei der Wärmebehandlung von Austenit in Martensit um. Dadurch lassen sich seine Eigenschaften gezielt einstellen. Kohlenstoffarme Stähle wie AISI 1018 sind gut schweißbar und umformbar. Kohlenstoffreiche Stähle wie AISI 1095 bieten hingegen eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Langlebigkeit. Kohlenstoffstahl wird durch das Schmelzen von Eisenerz zusammen mit Kohlenstoff in Hochöfen hergestellt. Der flüssige Stahl wird anschließend gegossen und gewalzt, um Bleche oder Blöcke aus Kohlenstoffstahl zu erhalten.

Niedriglegierter Kohlenstoffstahl besitzt ein Ferrit-Perlit-Gefüge, während höherlegierter Kohlenstoffstahl ein Perlit-Zementit-Gefüge aufweist. Der Unterschied im Gefüge beeinflusst direkt die Stahleigenschaften wie Dehnung und Festigkeit.

Bearbeitungseigenschaften von Kohlenstoffstahl

Zugprüfkörper

Kohlenstoffstahl eignet sich aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften hervorragend für die spanende Bearbeitung und ist daher für eine Vielzahl industrieller Bauteile geeignet. Bearbeiteter Kohlenstoffstahl zeichnet sich durch exzellente Oberflächengüte und Langlebigkeit aus. Einige Materialeigenschaften, die Kohlenstoffstahl zur idealen Wahl für die spanende Bearbeitung machen, sind nachfolgend aufgeführt:

Härte

Kohlenstoffstähle weisen eine Härte von 125 HB bis über 300 HB auf. Härtere Werkstoffe verformen sich bei der Bearbeitung tendenziell weniger. Weichere Stähle, wie beispielsweise AISI 1010, lassen sich mit höheren Schnittgeschwindigkeiten bearbeiten, führen aber zu Aufbauschneiden, während für die Bearbeitung härterer Stähle Spezialwerkzeuge erforderlich sind.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit von kohlenstoffarmem Stahl kann zwischen 370 MPa und 1500 MPa bei kohlenstoffreichem Stahl liegen. Eine höhere Zugfestigkeit bedeutet eine bessere Bauteilhaltbarkeit, erschwert aber auch die Bearbeitung.

Streckgrenze

Die Streckgrenze ist die Grenze, ab der plastische Verformung auftritt. Kohlenstoffstähle weisen eine Streckgrenze von 250 bis 800 MPa auf. Bei der Bearbeitung kann es zu Kaltverfestigung kommen, wenn die Bearbeitungskräfte diese Grenze überschreiten. In solchen Fällen sind angepasste Vorschubgeschwindigkeiten erforderlich.

Dehnung und Duktilität

Bei kohlenstoffarmem Stahl liegt die Bruchdehnung zwischen 20 % und 40 %, bei kohlenstoffreichem Stahl sogar unter 10 %. Die höhere Dehnung von kohlenstoffarmem Stahl führt zu längeren, durchgehenden Spänen, während der sprödere kohlenstoffreiche Stahl segmentierte Späne erzeugt. 

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffstählen liegt bei etwa 50 W/m·K. Ihre Wärmeabgabe während der Bearbeitung ist mäßig und muss reguliert werden. Eine mangelhafte Wärmeableitung kann zu einer thermischen Ausdehnung der Werkstoffe führen und Toleranzen sowie die Dimensionsstabilität beeinträchtigen.

Dichte und Modul

Die Dichte von Kohlenstoffstahl liegt bei etwa 7.85 g/cm³, und der Elastizitätsmodul beträgt 200 GPa, was für eine ausreichende Steifigkeit sorgt, um auch bei großen Bauteilen eine Durchbiegung zu ermöglichen. Die folgende Tabelle fasst typische Eigenschaften gängiger Kohlenstoffstahlsorten zusammen:

Werkzeugarten, die Kohlenstoffstahl schneiden können 

Bearbeitung von Schaftfräsern

Die Werkzeugauswahl ist bei der Bearbeitung von Kohlenstoffstahl von großer Bedeutung. Durch die Wahl des richtigen Werkzeugs lassen sich höhere Präzision und Effizienz erzielen sowie Parameter wie Wärmeentwicklung und Kaltverfestigung optimieren. Einige gängige Werkzeuge sind im Folgenden aufgeführt:

• Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl (HSS).HSS-Werkzeuge bestehen aus Wolfram, Molybdän und Vanadium, was die Zähigkeit erhöht und so für sauberere Schnitte sorgt. Sie werden üblicherweise für die Bearbeitung von Materialien mit geringer bis hoher Festigkeit eingesetzt. mittelkohlenstoffhaltige Stähle mit Geschwindigkeiten von bis zu 30 m/min. Sie eignen sich nicht für kohlenstoffreiche Prozesse, da sie aufgrund der Wärmeentwicklung extrem schnell verschleißen.
• Typen & KörnungenDiese Werkzeuge basieren auf Wolframkarbid und verfügen über eine TiN- oder TiAlN-Beschichtung zur Verbesserung ihrer Verschleißfestigkeit. Dies ist unerlässlich für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (100–200 m/min) aller Kohlenstoffstähle. Dadurch wird eine verbesserte Oberflächengüte erzielt und die Durchbiegung reduziert.
• Keramische WerkzeugeKeramische Werkzeuge weisen eine sehr hohe Härte von ca. 2000 HV und Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 300 m/min auf. Sie bestehen typischerweise aus Aluminiumoxid-Nitrid-Verbundwerkstoffen, die sich hervorragend für die Zerspanung eignen. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt (für Trockenschnitt), da sie die Wärmeentwicklung regulieren können.  
• Beschichtete Hartmetall-WendeschneidplattenDiese Wendeschneidplatten verfügen über eine CVD- oder PVD-Beschichtung ähnlich TiCN, wodurch ihre Standzeit unter abrasiven Bedingungen um das 2- bis 3-Fache verlängert wird. Sie werden häufig beim Drehen und Fräsen von mittelgekohlten Stählen eingesetzt.
• Werkzeuge aus kubischem Bornitrid (CBN)CBN ist nach Diamant das zweithärteste Material und eignet sich hervorragend zum Hartdrehen von wärmebehandelten Kohlenstoffstählen (45–65 HRC). Es benötigt nur wenig Kühlmittel und ermöglicht Bearbeitungsgeschwindigkeiten von bis zu 200 m/min.
• Vollhartmetall-FräserHartmetall-Schaftfräser werden für tiefe Schnitte verwendet und verfügen über eine spezielle Spiralform, die Vibrationen minimiert.
• Wendeschneidplatten-FräserSie sind mit Hartmetalleinsätzen ausgestattet, die einen schnellen Austausch und vielseitige Einsatzmöglichkeiten beim Planfräsen von Kohlenstoffstahlplatten ermöglichen.
• Bohrer mit Hartmetallspitzen: Konzipiert für die Lochbearbeitung, mit Kühlmittelbohrungen zum Abtransport der Späne und zur Kühlung der Schnittzone in Kohlenstoffstahl.
• Gewindebohrer und MatrizenGewindebohrer und Schneideisen werden typischerweise aus hochfestem Edelstahl (HSS) und Hartmetall für Gewindeschneidarbeiten hergestellt. Sie verfügen über Beschichtungen, um Fressen in duktilen, kohlenstoffarmen Stählen zu verhindern.

CNC-Bearbeitung von Kohlenstoffstahl

Bei der Bearbeitung von Kohlenstoffstahl kommen CNC-Systeme zum Einsatz, die Material von einem massiven Metallblock abtragen, um ein Werkstück zu formen. Das CNC-Programm optimiert die Werkzeugwege und gewährleistet so Präzision und gleichbleibende Ergebnisse. CNC-Bearbeitungen nutzen Hartmetallwerkzeuge zum Materialabtrag und Kühlmittel zur Temperaturregulierung und Späneabfuhr. Der CNC-Prozess variiert je nach Kohlenstoffstahlart, und die Zerspanungsmechaniker verwenden unterschiedliche Schnittparameter für eine effektive Bearbeitung von Kohlenstoffstahl. 

• Typische Parameter (Hartmetallwerkzeuge, mittelgekohlter Stahl wie AISI 1045)Die Schnittgeschwindigkeiten liegen zwischen 100 und 200 m/min (328–656 SFM) bei einem Vorschub von 0.1–0.3 mm/Zahn und einer Schnitttiefe von 1–5 mm. Zur Temperaturregulierung während des Bearbeitungsprozesses wird ein Kühlstrom verwendet.

CNC-Fräsen von Kohlenstoffstahl

CNC-gefrästes Kohlenstoffstahlteil

CNC-Fräsen ist ein computerprogrammiertes subtraktives Verfahren, bei dem Fräser mit mehreren Spitzen zum Einsatz kommen, um verschiedene Merkmale wie Konturen und Nuten herzustellen. Das Verfahren ermöglicht auch das Schruppen, um den Großteil des Materials abzutragen und dem Werkstück Form zu geben, gefolgt von Schlichtbearbeitungen zur Erzielung der Maßgenauigkeit. Gleichlauffräsen wird bevorzugt, da es im Vergleich zum Gegenlauffräsen bessere Ergebnisse liefert. 

CNC-Drehen von Kohlenstoffstahl

CNC-Drehmaschinenbearbeitung

Beim CNC-Drehen wird ein Werkstück relativ zu einem stationären Schneidwerkzeug rotiert, um eine zylindrische Form zu erzeugen. Dieses Verfahren wird zur Herstellung verschiedener Merkmale wie Bohrungen und Gewinde eingesetzt. 

Der Einsatz eines positiven Spanwinkels bei Schneidwerkzeugen ermöglicht eine effektive Spankontrolle, die für die Schlichtbearbeitung entscheidend ist. Der Zerspanungsprozess beginnt mit der Schruppbearbeitung, gefolgt von einer zweiten Schlichtbearbeitung, um sicherzustellen, dass die Teile den Spezifikationen entsprechen.

4 Achse CNC Bearbeitung

CNC-Bearbeitung in 4 Achsen

Die 4-Achs-CNC-Bearbeitung kombiniert eine Rotationsachse (typischerweise die A-Achse) mit den standardmäßigen linearen Achsen X, Y und Z. Dadurch kann das Werkstück gedreht werden, um mehrere Seiten zu bearbeiten, ohne es neu positionieren zu müssen. Diese Maschine ist speziell für die Herstellung von Bauteilen aus Kohlenstoffstahl mit komplexen Formen wie Nockenwellen, spiralförmigen Nuten und Bauteilen mit umlaufendem Profil konzipiert.

Mehrachsige CNC-Bearbeitung

Die mehrachsige CNC-Bearbeitung (5 Achsen oder mehr) ist ein modernes Bearbeitungsverfahren, das die gleichzeitige Bewegung der Werkstücke entlang der drei linearen und zwei rotatorischen Achsen ermöglicht. Dadurch werden mehrere Aufspannungen vermieden und die Fertigung komplexer Geometrien in einer einzigen Aufspannung ermöglicht. Die mehrachsige CNC-Bearbeitung ermöglicht die Herstellung von Hinterschnitten und zusammengesetzten Winkeln sowie gekrümmten Oberflächen mit hoher Präzision.

Großteilfertigung

Ein Großteil der Fertigung mit CNC-Maschinen besteht in der Herstellung von Teilen mit Abmessungen von mehr als 1–2 Metern. Große Teile werden mithilfe von Portalsystemen und Maschinen mit großem Verfahrweg bearbeitet. Die Teile werden mit robusten Vorrichtungen gehalten, und etwaige Spannungsverformungen werden durch Spannungsarmglühen ausgeglichen, um Verzerrungen oder ungleichmäßigen Materialabtrag zu verhindern.

Herausforderungen bei der Bearbeitung von Kohlenstoffstahl

Fertiges Stahlteil

Die Bearbeitung von Kohlenstoffstahl birgt, wie bei jedem anderen Werkstoff, spezifische Herausforderungen und Schwierigkeiten, die bewältigt werden müssen. Diese Hürden lassen sich durch Parameteroptimierung überwinden. Einige häufige Hürden sind im Folgenden aufgeführt:

Werkzeugverschleiß

Werkzeugverschleiß ist ein häufiges Problem bei der maschinellen Bearbeitung. Er wird üblicherweise durch abrasive Kohlenstoffpartikel verursacht, die den Flanken- und Kolkverschleiß beschleunigen, insbesondere bei hochkohlenstoffhaltigen Werkstoffen, die schwerer zu bearbeiten sind. Um diesem Problem zu begegnen, werden Hartmetalle beschichtet, um ihre Haltbarkeit zu verbessern. Allerdings ist eine Überwachung erforderlich, um Ausfälle zu verhindern und eine erfolgreiche Bearbeitung zu gewährleisten. 

Hitzeerzeugung

Die beim Bearbeitungsprozess entstehende Hitze kann bis zu 800 °C erreichen, was zu Wärmeausdehnung und Verformung des Werkstücks führen kann. Die Temperatur wird durch den Einsatz von Kühlmitteln und niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten reguliert.

Kaltverfestigung

Kaltverfestigung tritt auf, wenn das Material seine Elastizitätsgrenze überschreitet. Die Verformung führt zu einer Oberflächenverfestigung, wodurch mehr Schnittkraft benötigt wird. Eine geringere Vorschubgeschwindigkeit und ein schärferes Schneidwerkzeug können die Kaltverfestigung reduzieren, die Oberflächen weich halten und präzise Ergebnisse ermöglichen.

Chipkontrolle

Stähle mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt, die eine höhere Duktilität aufweisen, erzeugen längere Späne, die zu Verwicklungen führen können. Spanbrecher und Hochdruckkühlmittel unterstützen den Späneabtransport und gewährleisten so einen sicheren Prozess.

Probleme mit der Oberflächenbeschaffenheit

Vibrationen und ungleichmäßige Kräfte verursachen schlechte Oberflächengüten und hohe Ra-Werte. Steife, korrekt montierte Werkzeuge sowie eine ausgewogene Einrichtung und geeignete Fixierung, abhängig von Form und Geometrie des Werkstücks, reduzieren dieses Problem.

Dimensionsstabilität

Das wiederholte Erhitzen und Abkühlen eines Materials führt zu Spannungen und Verformungen. Glühen eignet sich hervorragend, um Spannungen abzubauen und das Material vor der Bearbeitung zu stabilisieren.

Gängige CNC-gefertigte Teile aus Kohlenstoffstahl

• Bolzen und BefestigungselementeGewindekomponenten aus AISI 1045, die eine hohe Zugfestigkeit für strukturelle Baugruppen bieten.
• Tragwellen: Hergestellt aus AISI 1018, bietet es Torsionsfestigkeit in Antriebssträngen.
• GetriebeAus mittelgekohltem Stahl gefräst, wärmebehandelt für Verschleißfestigkeit in Getrieben
• Stifte und DübelPräzisionsgeschliffen für die Ausrichtung in Maschinen.
• Wand- und Deckenhalterungen: Vorgeformt für die Montage, wobei die Duktilität zum Biegen nach der Bearbeitung genutzt wird.
• Röhren: Gefertigt für optimale Fluidsteuerung, mit engen Toleranzen für die Abdichtung.
• FlanscheFür die Rohrverbindungen gedreht, um Ebenheit zu gewährleisten.
• Buchsen: Gebohrt für Lageranwendungen, zur Reduzierung der Reibung.
• FedernAus hochkohlenstoffhaltigem Draht gewickelt, bietet es Elastizität.
• Messer und KlingenGeschärft aus AISI 1095 für Schneidwerkzeuge.

Anwendungen von Kohlenstoffstahl

Automobilindustrie

Die Automobilindustrie verwendet Kohlenstoffstahl zur Herstellung verschiedenster Bauteile, von Fahrgestellen und Motorblöcken bis hin zu Fahrwerkskomponenten. Dies liegt vor allem an der hervorragenden Haltbarkeit und den ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffstahl.

Bauwesen

Kohlenstoffstahl wird zur Herstellung von Bewehrungsstahl für Bauträger verwendet und sorgt so für eine hohe Stabilität von Gebäuden und Brücken. Auch Hochleistungsrohre werden aus Kohlenstoffstahl gefertigt, da dieser extrem hohen Drücken standhält. 

Maschinen und Anlagen

In wichtigen Industriezweigen eingesetzte Maschinenzahnräder, Wellen und Rahmen werden aus Kohlenstoffstahl gefertigt. Die Möglichkeit der maschinellen Bearbeitung ermöglicht die Herstellung von kundenspezifischen Teilen für Vorrichtungen und Sonderanfertigungen.

Öl un Gas

Rohre und Ventile, die im Öl- und Gassektor eingesetzt werden, müssen hohem Druck und rauen Umgebungsbedingungen standhalten. Kohlenstoffstahl bewährt sich unter solchen Bedingungen hervorragend und wird daher in der Industrie häufig verwendet.

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet es nur für Verbindungselemente und nicht kritische Strukturen oder Sekundärteile, die für ihre Funktionalität die spezifischen Eigenschaften von Kohlenstoffstahl erfordern.

Verbrauchsgüter

Carnonstahl wird in einer Vielzahl von Geräten und Werkzeugen, wie z. B. Mixern und Küchenmessern, verwendet, da er eine hohe Haltbarkeit bei geringen Kosten bietet.

Kundenspezifische Metallbearbeitung

Boda bietet Stahlservice Wir führen ein umfangreiches Sortiment an Metalllegierungen, inklusive Materialzertifikaten und transparenter Prozessabwicklung, für Kohlenstoffstahl, legierten Stahl und Edelstahl.  Die Standardtoleranzen für die CNC-Bearbeitung von Kohlenstoffstahlteilen liegen typischerweise bei ±0.025 mm, abhängig von der geometrischen Komplexität. Unser Ingenieurteam bietet Ihnen außerdem fachkundige Beratung und Unterstützung bei der Materialauswahl. 

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Fazit

Die Bearbeitung von Kohlenstoffstahl ist eine der am weitesten verbreiteten Fertigungstechniken und findet in verschiedenen Branchen Anwendung, von der Automobil- bis zur Schifffahrtsindustrie. Im Vergleich zu Alternativen ist Kohlenstoffstahl hinsichtlich Kosten und Verfügbarkeit einigen Metallen überlegen. Titan vs. StahlEs ist zuverlässig und effizient und daher bei Herstellern sehr beliebt. Es vereint Materialeigenschaften mit fortschrittlichen Verfahren und produziert zuverlässige Bauteile, die Maßstäbe in der Branche setzen.

FAQ 

Ist Kohlenstoffstahl bearbeitbar?

Ja, Kohlenstoffstahl ist bearbeitbar. Es gibt eine Vielzahl von Bearbeitungstechniken, die zur Herstellung von Teilen und Komponenten eingesetzt werden.

Ist Kohlenstoffstahl einfach herzustellen?

Ja, es ist einfach herzustellen, und Kohlenstoffstahl gilt als der bester Stahl für die BearbeitungModerne Fertigungsverfahren haben dies relativ vereinfacht, und die Herstellung erfolgt hauptsächlich durch Gießen oder Schmieden, abhängig von der Stahlsorte. 

Kann man Kohlenstoffstahl mit der CNC-Maschine bearbeiten?

Ja, man kann Kohlenstoffstahl CNC-bearbeiten, und präzisionsgefertigte CNC-bearbeitete Kohlenstoffstahlteile sind im Automobilbereich sehr beliebt.

Ist Kohlenstoffstahl gut zum Schneiden geeignet?

Kohlenstoffstahl wird häufig zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet, insbesondere hochkohlenstoffhaltige Sorten, die aufgrund ihrer verbesserten Härte ihre Schneide lange behalten. Obwohl legierte Stahlsorten kann auch für Anwendungen mit hoher Hitze- und Verschleißbeständigkeit ausgewählt werden.