Kohlenstoffgehalt und Stahleigenschaften: Die Kohlenstoffleiter

Die Leiter auf einen Blick

Kohlenstoffbereich	Charakter	Typische Anwendungen
Sehr niedrig — unter 0.10%	Weich, extrem umformbar, schweißt ohne Vorsichtsmaßnahmen	Tiefgezogenes Blech, Band, Draht, Nieten; interstitiell freie (IF) Stähle befinden sich am unteren Ende dieses Bereichs
Niedrig — 0.10–0.25%	Das schweißbare Arbeitstier für den Stahlbau: gute Duktilität, mäßige Festigkeit, begrenztes Ansprechen auf Härtung	Bauprofile und Blech (Bereich S235–S355), Rohr, allgemeine Fertigung
Mittel — 0.25–0.60%	Spricht stark auf Abschrecken und Anlassen an; der Maschinenbaubereich	Wellen, Zahnräder, Achsen: C45/1045 bei etwa 0.45%, 4140 bei etwa 0.40%
Hoch — 0.60–1.00%	Federn, Verschleißteile und Schneidkanten; Schweißen wird zu einem Spezialverfahren	Federstähle (etwa 0.5–0.8%), Schienenstähle, Drahtseil, Messer
Sehr hoch — über 1.00%	Maximales Karbidvolumen und Härte im abgeschreckten Zustand; spröde ohne sorgfältiges Anlassen	Werkzeug- und Formenstähle (D2 enthält etwa 1.5%), Feilen, Lagerringe bei etwa 1.0%

Was Kohlenstoff steuert

Härteobergrenze. Kohlenstoff setzt die maximale Härte, die ein Stahl bei vollständiger Abschreckung erreichen kann. Die Beziehung ist zunächst steil, dann sättigt sie: ein Stahl mit etwa 0.20% Kohlenstoff erreicht bestenfalls etwa 45 HRC, während einer mit etwa 0.60% Kohlenstoff die Mitte der 60er HRC erreichen kann. Jenseits von etwa 0.6–0.8% fügt zusätzlicher Kohlenstoff verschleißfeste Karbide hinzu, anstatt die Härte zu erhöhen.

Die Einhärtetiefe ist eine andere Frage. Wie tief diese Härte eindringt — die Härtbarkeit — wird mit Mangan, Chrom, Molybdän oder Spuren von Bor erkauft, nicht mit Kohlenstoff. Die beiden zu verwechseln ist ein klassischer Spezifikationsfehler: ein einfacher Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt kann in einem dicken Querschnitt wenige Millimeter unter der Oberfläche dennoch weich werden.

Schweißbarkeit verläuft umgekehrt. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt härtet die Wärmeeinflusszone stärker und reißt leichter. Die Industrie drückt dies mit dem Kohlenstoffäquivalent aus, am häufigsten mit der IIW-Formel CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Stähle mit niedrigem CE schweißen frei; wenn CE über etwa 0.40–0.45 steigt, werden Vorwärmung, kontrollierte Wärmeeinbringung und wasserstoffarme Praxis notwendig — weshalb Baustähle den Kohlenstoffgehalt deutlich innerhalb des niedrigen Bereichs begrenzen.

Zähigkeit und Duktilität nehmen die Leiter hinauf stetig ab: Dehnung und Kerbschlagarbeit bei gegebener Festigkeit sind in den Bereichen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt am höchsten, und Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt erkaufen ihre Härte mit Sprödigkeit, die das Anlassen dann zurückkaufen muss.

Eine Sprosse wählen

Die Arbeitsregel lautet, nicht mehr Kohlenstoff zu kaufen, als die Anwendung verbraucht. Geschweißte Konstruktionen bleiben niedrig; Teile, die durchgehärtet und angelassen werden, leben im mittleren Bereich; nur Teile, die mit Verschleiß oder Kantenlebensdauer bezahlt werden — Federn, Schienen, Werkzeuge — rechtfertigen die hohen Sprossen und ihre Fertigungskosten. Gütebezeichnungen schmuggeln die Antwort oft hinein: in Bezeichnungen wie C45, 1045 oder S45C ist die Zahl der nominale Kohlenstoffgehalt in Hundertstelprozent.