Der Kohlenstoffgehalt in Stahl – Ein entscheidender Faktor für die Materialeigenschaften

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Festigkeit und Härte des Stahls zu. Dies macht ihn ideal für Anwendungen, die eine hohe Belastbarkeit erfordern, wie z. B. Werkzeugstähle oder Bauteile in Maschinen. Ab einem Kohlenstoffgehalt von 2 % wird das Material als Gusseisen und nicht mehr als Stahl bezeichnet. Gusseisen weist eine hohe Festigkeit auf, lässt sich jedoch nicht mehr plastisch umformen, also schmieden oder walzen.

Die Duktilität, also die Fähigkeit eines Materials, sich plastisch zu verformen, nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt ab. Dies kann die Verarbeitung erschweren und die Bruchgefahr erhöhen. Duktile Werkstoffe sind z. B. im Bauwesen oder der Automobilindustrie wichtig. So soll sich ein Auto bei einem Unfall plastisch verformen und dabei Energie aufnehmen, anstatt spröde zu reißen.

Nicht jeder Stahl lässt sich schweißen. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Schweißbarkeit tendenziell ab, wobei Stähle bis zu einem Kohlenstoffanteil von ca. 0,20 % als schweißbar gelten. Dies liegt daran, dass der Stahl durch die zunehmende Härte anfälliger für Rissbildungen wird. Für eine genaue Beurteilung der Schweißbarkeit wird das Kohlenstoffäquivalent (Equivalent carbon content, CEV) genutzt, eine Vergleichsgröße zur Auskunft über die Schweißeignung von Stählen, die auch den Einfluss von weiteren Legierungselementen berücksichtigt.

Mehr als die Hälfte der weltweit produzierten Stähle sind Baustähle. Diese werden vor allem für den Bau von Gebäuden und Maschinen verwendet, bei denen keine speziellen Anforderungen vorliegen, z. B. in Bezug auf Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit. Baustähle haben häufig sehr niedrige Kohlenstoffgehalte und weisen demnach eine gewisse Duktilität auf. Im Normalfall kann sich Baustahl um ca. 25 % verformen, bevor er reißt. Im Bauwesen ist das wichtig, damit zu große Spannungen auf Bauteilen durch eine Verformung ersichtlich werden können. 

Edelstahl ist ein Sammelbegriff für legierte oder unlegierte Stähle mit einem hohen Reinheitsgrad. Als Legierungsbestandteile für besondere Anforderungen wie z. B. Korrosionsbeständigkeit werden häufig Stahlveredler wie Chrom oder andere Elemente eingesetzt. Dementsprechend weisen Edelstähle einen niedrigen Kohlenstoffgehalt aus. Ein Beispiel für den Einfluss von Kohlenstoff auf die Materialeigenschaften sind die Edelstähle AISI 316 und AISI 316L, die sich nur anhand ihres Kohlenstoffgehaltes unterscheiden. 316L enthält weniger Kohlenstoff (das „L“ steht für „low carbon“) und weist somit eine bessere Schweißbarkeit und weniger interkristalline Korrosion auf.

Duplex-Stähle zählen zu den rost- und säurebeständigen Stahlarten und vereinen die Eigenschaften von rostfreien Chrom-Stählen und rostfreien Chrom-Nickel-Stählen. Dementsprechend enthalten sie nur sehr wenig Kohlenstoff. Relevanter als der Kohlenstoffgehalt ist beim Duplex-Stahl allerdings die Legierung mit Stickstoff (bis zu 0,3 %) – das macht den Unterschied zwischen einem hochlegierten Stahl und Duplex-Stahl aus. Der Stickstoff wirkt als Aushärtungselement und erhöht die mechanische Festigkeit. Außerdem verbessert Stickstoff die Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion.

Gusseisen ist eine Eisenlegierung mit einem hohen Anteil von Kohlenstoff (> 2,06 %), der diesen Werkstoff von Stahl unterscheidet. Gusseisen ist aufgrund des Kohlenstoffanteils hart und spröde und kann daher nicht geschmiedet werden. Es hat allerdings einen deutlich geringeren Schmelzpunkt als Stahl und wird daher in Form gegossen. Gusseisen kann im Vergleich zu Stahl mehr Verunreinigungen enthalten uns ist somit eher günstiger als Stahl.