Was ist Hochkohlenstoffstahl? Eigenschaften und Unterschiede zwischen SK2, SK4, SK5 und SK7

Was ist Hochkohlenstoffstahl? Zunächst: Wie der Kohlenstoffgehalt die Eigenschaften von Stahl verändert

Das Fazit vorweg: SK2 ist nicht in jedem Lieferzustand zwangsläufig härter als ein fertiges Produkt aus SK4. Güte, chemische Zusammensetzung, Lieferzustand und Wärmebehandlung von Hochkohlenstoffstahl müssen gemeinsam bewertet werden; die Zahl hinter SK allein reicht nicht aus.

Hochkohlenstoffstahl ist eine nach dem Kohlenstoffgehalt definierte Kategorie von Kohlenstoffstählen, keine einzelne Güte und auch weder Edelstahl noch ein Stahl, der „von Natur aus bereits sehr hart“ ist. Technische Unterlagen ordnen Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,60 % oder mehr üblicherweise dem Bereich der Hochkohlenstoffstähle zu. Die Abgrenzung ist jedoch je nach Norm und Branchenquelle nicht vollständig einheitlich; auch für die Obergrenze können unterschiedliche Kriterien gelten. Bei Beschaffung oder Verarbeitung sollten daher weiterhin die anzuwendende Norm und das Materialzeugnis geprüft werden.

Die Wirkung von Kohlenstoff im Stahl zeigt sich zunächst in der Härtbarkeit. Im Vergleich zu Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt können Stähle mit mittlerem oder hohem Kohlenstoffgehalt nach einer geeigneten Wärmebehandlung in der Regel eine höhere Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit erreichen. Mit weiter steigendem Kohlenstoffgehalt nehmen jedoch Duktilität und Zähigkeit häufig ab, und das Material reagiert empfindlicher auf Stöße, Biegung und Kerben an Kanten. Der Kohlenstoffgehalt führt somit nicht zu einer einseitigen Leistungssteigerung, sondern zu einem Zielkonflikt zwischen Verschleißbeständigkeit sowie Umformbarkeit und Rissbeständigkeit.

Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt lassen sich in der Regel leichter schweißen, stanzen und biegen; Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt bieten einen gewissen Ausgleich zwischen Festigkeit und Verarbeitbarkeit. Hochkohlenstoffstähle eignen sich dagegen besser für Bauteile, bei denen Schneidhaltigkeit, Kontaktverschleißfestigkeit oder eine elastische Reaktion erforderlich sind. Hochkohlenstoffstahl ohne Härten, Anlassen oder eine andere vorgeschriebene Wärmebehandlung kann sich jedoch tatsächlich in einem Lieferzustand befinden, der für Zerspanung oder Umformung geeignet ist. Beim Vergleich von SK2, SK4, SK5 und SK7 sollte der Schwerpunkt daher auf „Zusammensetzungsabstufung plus Zustandsunterschieden“ liegen und nicht auf einer Härterangliste, die von den Prozessbedingungen losgelöst ist.

Welche Eigenschaften hat Hochkohlenstoffstahl? Zielkonflikt zwischen Härte, Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit

Der Vorteil von Hochkohlenstoffstahl besteht nicht darin, „von Natur aus sehr hart“ zu sein, sondern darin, nach einer geeigneten Wärmebehandlung eine hohe Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu erreichen. Ein höherer Kohlenstoffgehalt erhöht in der Regel die Härtbarkeit und macht das Material besser geeignet, Kantenverschleiß, Reibverschleiß oder lokale Kontaktbelastungen zu widerstehen. Bei Klingen, verschleißfesten Werkzeugen und ähnlichen Anwendungen steht genau diese Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung und Verschleiß im Vordergrund.

Eine höhere Härte von Hochkohlenstoffstahl bedeutet auch weniger Zähigkeit und Umformreserve

Selbst bei gleichen Wärmebehandlungsbedingungen geht eine weitere Steigerung von Härte und Verschleißfestigkeit in der Regel mit einer Abnahme von Duktilität, Schlagzähigkeit und Rissbeständigkeit einher. Bei plötzlichen Stößen, Kerbspannungen oder wiederholter Biegung müssen bei Hochkohlenstoffstahl Ausbrüche an der Schneide, Brüche und Ermüdungsrisse stärker berücksichtigt werden. Auch Schweißen, Stanzen, Tiefziehen und Biegen mit großen Verformungen sind schwieriger als bei Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Bei der Werkstoffauswahl sollte daher nicht nur gefragt werden, „welcher Werkstoff härter ist“, sondern auch, ob das Bauteil gleichmäßigem Verschleiß oder vielmehr Stößen, elastischer Verformung und wiederholten Belastungen ausgesetzt ist.

Hochkohlenstoffstahl ist nicht gleich Edelstahl – Korrosionsschutz muss separat ausgelegt werden

Hochkohlenstoffstähle enthalten in der Regel nicht genügend korrosionsbeständige Legierungselemente wie Chrom; der Kohlenstoffgehalt allein verleiht keine Rostbeständigkeit. In feuchten Umgebungen kann dennoch Rost entstehen. Je nach Einsatzbedingungen sollten Rostschutzöl, Oberflächenbehandlung, Verpackung und Lagerverwaltung vorgesehen werden. Die endgültigen Eigenschaften hängen außerdem von der Stahlsorte, den Querschnittsabmessungen, dem Lieferzustand sowie dem Abschreck- und Anlassverfahren ab; bei nicht wärmebehandeltem Material kann die Härte des Fertigerzeugnisses nicht direkt aus der Bezeichnung des Hochkohlenstoffstahls abgeleitet werden.

Welche Unterschiede gibt es beim Kohlenstoffgehalt von SK2, SK4, SK5 und SK7?

Gemäß gängigen Referenzdaten nach JIS G 3311 liegt der wichtigste Unterschied zwischen SK2, SK4, SK5 und SK7 zunächst in der Abstufung des Kohlenstoffgehalts: SK2 weist den höchsten und SK7 den niedrigsten Gehalt auf. Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst üblicherweise das Härtungspotenzial, die Härte und die Verschleißfestigkeit, aber die SK-Ziffern stellen keine einfache Rangfolge der Härte dar. Die tatsächlichen Eigenschaften hängen außerdem vom Lieferzustand, den Querschnittsabmessungen, der Wärmebehandlung und den Prüfbedingungen ab.

Diese Werte stellen Referenzbereiche unter bestimmten Normen und Datenbedingungen dar und sollten nicht als Ersatz für ein Materialzeugnis dienen. Unterschiedliche Normversionen, Abmessungen, Werkstoffbezeichnungen sowie Zustände wie geglüht, kaltgewalzt oder gehärtet können zu Abweichungen bei den tatsächlichen Ergebnissen führen. Daher sollten bei der Auswahl von kohlenstoffreichem Stahl zunächst die anwendbare Norm und die chemische Zusammensetzung bestätigt werden. Anschließend sind Zielhärte, Belastung, Stoßbeanspruchung und Umformverfahren zu berücksichtigen. Die Eigenschaften des fertigen Produkts dürfen nicht allein anhand der Reihenfolge der Werkstoffbezeichnungen vermutet werden.

Wie unterscheiden sich die Eigenschaften und Anwendungen von SK2, SK4, SK5 und SK7?

Unter gleichen Wärmebehandlungsbedingungen tendieren SK2 und SK4 eher zu hoher Härte und Verschleißbeständigkeit, während SK5 einen Kompromiss zwischen Härte, Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit darstellt. Bei SK7 stehen dagegen eine gewisse Biegefähigkeit und eine geringere Neigung zur Rissbildung vergleichsweise stärker im Vordergrund. Dies ist jedoch lediglich der Ausgangspunkt für die Werkstoffauswahl; die Ziffern der Werkstoffbezeichnung dürfen nicht unmittelbar als Rangfolge der Endhärte betrachtet werden.

Bei Klingen oder Schneidkanten, die ihre Schneidfähigkeit erhalten müssen, stehen in der Regel zunächst die Härte und Verschleißfestigkeit von SK2 und SK4 im Mittelpunkt. Wenn das Bauteil jedoch wiederholter Biegung, einer Vorspannung bei der Montage oder leichten Stößen ausgesetzt ist, kann eine zu hohe Härte das Risiko von Ausbrüchen an der Schneidkante und Brüchen erhöhen. SK5 gilt häufig als ausgewogene Wahl unter den hochgekohlten Werkzeugstählen, während SK7 möglicherweise besser für dünne Bleche oder elastische Strukturen geeignet ist, die durch Biegen umgeformt werden müssen.

Die endgültige Eignung hängt außerdem von Querschnittsabmessungen, Belastung, Stoßeinwirkung, Biegerichtung, Lieferzustand und Wärmebehandlungsverfahren ab. Derselbe Werkstoff kann sich im geglühten, kaltgewalzten oder gehärteten und angelassenen Zustand deutlich unterschiedlich verhalten. Daher sollte zunächst das Versagensbild des Bauteils bestimmt und anschließend SK2, SK4, SK5 oder SK7 ausgewählt werden; die Bestätigung sollte anhand des Werkszeugnisses und tatsächlicher Härtedaten erfolgen.

Warum unterscheidet sich die Härte von hochgekohltem Stahl derselben Sorte? Der Einfluss von Wärmebehandlung und Lieferzustand

Die Werkstoffsorte beschreibt nur den Bereich der chemischen Zusammensetzung und steht nicht unmittelbar für die Härte des Fertigprodukts. Auch SK5 kann als Bandstahl in geglühtem, kaltgewalztem, vollhartem oder gehärtetem und angelassenem Zustand geliefert werden; diese Zustände entsprechen unterschiedlichen Gefügen, Eigenspannungen und Bearbeitungseigenschaften. Glühen senkt in der Regel die Härte und erleichtert das Schneiden, Stanzen und Biegen. Kaltwalzen erhöht Festigkeit und Härte, kann jedoch auch die Richtungsabhängigkeit und das Risiko von Rissen bei der Umformung verstärken.

Der Lieferzustand von hochgekohltem Stahl verändert Härte und Bearbeitungsaufwand

Am Beispiel von Referenzdaten für ein bestimmtes kaltgewalztes Bandmaterial liegt SK5 im geglühten Zustand bei etwa 150—190 HV, im leicht gewalzten oder Dressierzustand bei etwa 170—210 HV, im Walzzustand bei etwa 240—280 HV und im vollharten Zustand bei etwa 260—300 HV. Bei SK7 kann sich die Härte dagegen von etwa 140—180 HV im geglühten Zustand bis auf etwa 250—290 HV im vollharten Zustand verändern. Diese Werte dienen nur als Beispiel für die Beurteilung eines bestimmten Materialzustands. Sie dürfen nicht auf alle Bleche, Stäbe oder wärmebehandelten Teile übertragen werden und sollten ohne entsprechende Grundlage auch nicht eigenständig in HRC umgerechnet werden.

Welche Probleme lösen Glühen, Kaltwalzen sowie Härten und Anlassen jeweils?

Wenn das Bauteil anschließend umfangreich zerspant, gestanzt oder gebogen werden muss, sollte zunächst geprüft werden, ob ein für die Bearbeitung geeigneter geglühter oder weicherer Lieferzustand vorliegt. Die gewünschten Eigenschaften können dann durch eine nachfolgende Wärmebehandlung erzielt werden. Der kaltgewalzte Zustand eignet sich für Bandmaterial, das eine gewisse Festigkeit und Maßbeständigkeit erfordert; allerdings können die Werkzeugbelastung, die Gratbildung und das Risiko von Biegerissen zunehmen. Der vollharte oder gehärtete und angelassene Zustand wird eingesetzt, wenn im Endzustand eine hohe Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit gefordert sind. Die Härte ist dann in der Regel höher, während die Zähigkeit abnehmen und das Risiko von Ausbrüchen steigen kann. Die endgültige Beurteilung sollte sich auf das Werkszeugnis, die tatsächliche Härte, die Querschnittsabmessungen und die Wärmebehandlungsaufzeichnungen stützen und nicht nur auf die Werkstoffsorte SK2, SK4, SK5 oder SK7.

Was ist bei der Bearbeitung und beim Biegen von hochgekohltem Stahl zu beachten?

Der Bearbeitungsaufwand von hochgekohltem Stahl hängt zunächst vom Lieferzustand ab und nicht ausschließlich von der Werkstoffsorte SK2, SK4, SK5 oder SK7. Geglühte oder weichere Zustände eignen sich in der Regel besser zum Zuschneiden, Drehen, Fräsen und zur Umformung durch Stanzen. Wenn das Material bereits kaltverfestigt oder gehärtet und angelassen ist, steigt die Werkzeugbelastung; außerdem nehmen die Risiken von Ausbrüchen, Vibrationen und Maßänderungen zu. Schnittparameter, Schneidkanten und Steifigkeit der Spannung sollten anhand der tatsächlichen Härte festgelegt werden.

Schneiden, Scheren und Kantenbearbeitung von hochgekohltem Stahl

Grate und Ausbrüche an der Schnittfläche dürfen nicht vernachlässigt werden. Bei dünnen Bändern oder elastischen Teilen können die Gratrichtung, ein Kantenabfall und selbst kleinste Ausbrüche als Ausgangspunkte für Risse dienen. Falls erforderlich, sollten Entgraten, Kantenverrundung oder eine Feinbearbeitung vorgesehen und die Schnittflächenqualität am Erstteil geprüft werden. Gewaltsames Stanzen im gehärteten Zustand kann den Verschleiß des Stempels beschleunigen und sogar zu lokalen Ausbrüchen führen. Wenn das Verfahren es zulässt, sollte die Umformung in der Regel zunächst in einem leichter bearbeitbaren Zustand erfolgen, gefolgt von der Wärmebehandlung.

Biegerichtung, Biegeradius und Rissrisiko bei hochgekohltem Stahl

Kaltgewalztes kohlenstoffreiches Stahlband weist eine Walzrichtung auf, die die Rissneigung beim Biegen beeinflusst. Ein zu kleiner Biegeradius, Grate an den Kanten oder eine Biegung, deren Außenseite genau durch eine Scherschneidkerbe verläuft, erhöhen das Rissrisiko zusätzlich. Die Beurteilung darf nicht allein auf der Aussage beruhen, dass sich „SK7 besser biegen lässt als SK5“; vielmehr sind auch die Dicke, die Härte, die Walzrichtung und der Biegewinkel zu berücksichtigen. Zeichnungen oder Verfahrensdokumente sollten die Walzrichtung, den inneren Biegeradius, die Kantenbearbeitung und das Prüfverfahren eindeutig festlegen und durch eine Erstmusterprüfung oder Biegeproben verifiziert werden.

• Den zur Werkstoffbezeichnung gehörenden Standard, den Lieferzustand und die tatsächliche Härte bestätigen; die Werkstoffbezeichnung darf nicht als Ersatz für das Werkszeugnis verwendet werden.
• Walzrichtung, Gratrichtung und Anforderungen an die Entgratung angeben, insbesondere bei Dünnblechen, Bändern und Teilen, die wiederholt gebogen werden.
• Die Biegeaußenseite, die Lochränder und die Scherflächen einer Sicht- oder Vergrößerungsprüfung unterziehen; bei Bedarf eine zusätzliche Rissprüfung durchführen.
• Wenn nach dem Härten eine Feinbearbeitung erforderlich ist, Verformungs- und Schleifaufmaß für die Wärmebehandlung vorsehen und die kritischen Maße erneut prüfen.

Welche Parameter müssen vor der Auswahl von SK2, SK4, SK5 und SK7 bestätigt werden?

Bei der Auswahl einer kohlenstoffreichen Stahlsorte sollte man nicht zuerst auf die Zahl hinter SK schauen und daraus rückschließend auf die Härte schließen. Eine zuverlässigere Vorgehensweise ist: Zunächst die Funktion des Bauteils und die möglichen Versagensarten bestimmen, anschließend den Liefer- und Wärmebehandlungszustand festlegen und erst danach prüfen, ob SK2, SK4, SK5 oder SK7 geeignet ist.

• [object Object]
• [object Object]
• [object Object]
• [object Object]
• [object Object]
• [object Object]

Vor der endgültigen Beschaffung oder Bearbeitung sollten das Werkszeugnis und die entsprechenden Prüfdaten angefordert werden. Mindestens zu prüfen sind der Standard der Werkstoffbezeichnung, die chemische Zusammensetzung, der Lieferzustand, die Härte oder Festigkeit, die Abmessungen und die Walzrichtung. Die tatsächlichen Eigenschaften des Fertigteils hängen außerdem von den Querschnittsabmessungen und dem Wärmebehandlungsverfahren ab; das Ergebnis kann nicht allein anhand der Werkstoffbezeichnung zugesichert werden.

Häufige Fragen zu kohlenstoffreichem Stahl sowie SK2, SK4, SK5 und SK7

Die endgültigen Eigenschaften von kohlenstoffreichem Stahl lassen sich nicht allein anhand der Werkstoffbezeichnung beurteilen. Kohlenstoffgehalt, anwendbarer Standard, Lieferzustand und Wärmebehandlungszustand können die Härte, Zähigkeit und Bearbeitungsrisiken beeinflussen. Die folgenden Fragen erläutern die am häufigsten verwechselten Aspekte beim Vergleich der SK-Reihe.