Was ist 1018 Stahl? Eigenschaften, Zusammensetzung, Anwendungen und technische Auswahlhilfe

Wenn Ingenieure und Hersteller einen Werkstoff benötigen, der verlässlich, kostengünstig und vielseitig einsetzbar ist, entscheiden sie sich in der Regel für Stahl 1018. 1018 ist ein kohlenstoffarmer Stahl (oft auch als Weichstahl bezeichnet). Er wird nicht ausgewählt, weil er eine herausragende Eigenschaft aufweist, die ihn besonders auszeichnet, sondern weil er eine gute Kombination aus Zerspanbarkeit, Schweißbarkeit und mechanischer Beständigkeit bietet, die einem breiten Spektrum industrieller Anforderungen gerecht wird.

In der Fertigung eignet sich 1018-Kohlenstoffstahl gut für die Bearbeitung mit CNC, das Bohren, Drehen und Fräsen. Er weist einen niedrigen Kohlenstoffgehalt auf, was bedeutet, dass sich Späne stabil ablösen, Werkzeuge weniger schnell verschleißen und eine gute Oberflächengüte erzielt wird, ohne dass spezielle Werkzeuge oder aggressive Schnittparameter erforderlich sind. Gleichzeitig lässt er sich mit gängigen Verfahren wie MIG und WIG problemlos schweißen, sodass er für Baugruppen, Rahmen und Teile verwendet werden kann, die nach der Bearbeitung verbunden werden müssen.

Man sollte bedenken, dass 1018 keine “generische” oder leichtfertige Materialwahl ist. Ingenieure entscheiden sich bewusst dafür, wenn sie keine hohe Festigkeit, extreme Härte oder fortschrittliche Legierungseigenschaften benötigen. 1018er-Stahl eignet sich besser für Wellen, Halterungen, Platten und Konstruktionsteile, bei denen Kostenkontrolle, Maßhaltigkeit und Fertigungseffizienz wichtiger sind als maximale mechanische Eigenschaften.

Dieser Leitfaden beleuchtet den Stahl 1018 aus drei verschiedenen Blickwinkeln: die Grundlagen des Werkstoffs, sein Verhalten während der Fertigung und die Gründe für seine Auswahl bei technischen Projekten. Dies soll Konstrukteuren, Ingenieuren und Beschaffungsteams helfen, nicht nur zu verstehen, was dieser Stahl ist, sondern auch, wann und warum sein Einsatz sinnvoll ist.

Was ist 1018-Stahl? – Normen und Definitionen für Stahlsorten

Die weltweit am häufigsten verwendete kaltgewalzte Stahlsorte ist der Stahl 1018. Das AISI/SAE-Klassifizierungssystem für Kohlenstoffstahl enthält eine Definition dafür.

• “10”: Das bedeutet, dass es sich bei dem Stahl um unlegierten Kohlenstoffstahl handelt, der keine wesentlichen Legierungselemente enthält.

• “18” bedeutet, dass der Kohlenstoffgehalt bei etwa 0,18% liegt.

1018 ist definitiv Weichstahl, da er einen so niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweist. “Weichstahl” bedeutet im Ingenieurwesen nicht, dass die Qualität minderwertig ist. Vielmehr bezieht sich der Begriff auf Stähle, die so hergestellt werden, dass sie duktil, formbar und schweißbar bleiben – was bei hochkohlenstoffhaltigen Sorten nicht der Fall ist, da diese spröde sind.

Internationale Normen und ihre Entsprechungen

1018 entspricht in etwa diesen Standards für die internationale Beschaffung:

• UNS: G10180

• ASTM: A108 (Norm für kaltgefertigte Stahlstangen, Kohlenstoff- und legierter Stahl)

• EN / DIN: C15E / 1,1141

• JIS: S15C oder S20C

Technischer Einblick: 1018 unterscheidet sich von Baustahlsorten wie A36 dadurch, dass es durch seine Streckgrenze definiert ist. Dadurch lassen sich Teile mit engen Toleranzen leichter bearbeiten, da sein Verhalten stabiler und besser vorhersehbar ist.

Die chemische Zusammensetzung von Stahl der Güte 1018 und ihre Bedeutung für den Maschinenbau

Um zu verstehen, warum sich 1018 so verhält, wie es sich verhält, muss man sich mit Chemie auskennen. Es bedarf einer “reinen” Chemie mit wenigen Verunreinigungen, um sicherzustellen, dass der Verarbeitungsprozess stets gleich bleibt.

Tabelle 1: Gemeinsame chemische Zusammensetzung (wt%)

Warum ein niedriger Kohlenstoffgehalt wichtig ist

Der Kohlenstoffgehalt von 0,18% ist für die meisten Fertigungsverfahren der ideale Bereich:

• Ideal zum Schweißen: Ein niedriger Kohlenstoffgehalt verringert die Wahrscheinlichkeit der Bildung von sprödem Martensit in der Wärmeeinflusszone (HAZ), sodass kein Vorheizen erforderlich ist.

• Es ist immer noch duktil genug, um gebogen, gewalzt oder gesenkt zu werden, ohne zu brechen.

• Einsatzhärtungspotenzial: Es lässt sich nicht vollständig durchhärten (Abschrecken und Anlassen), eignet sich jedoch hervorragend für das Aufkohlen, wodurch eine harte, verschleißfeste Außenschicht entsteht, während der Kern zäh bleibt.

Was ist eine Ferrit-Perlitt-Mikrostruktur?

Die Mikrostruktur von 1018er Stahl ist der beste Weg, um als Ingenieur zu verstehen, wie er sich verhält.
1018 setzt sich bei Raumtemperatur aus folgenden Bestandteilen zusammen:

• Ferrit: (Die hellen Körner) Reines Eisen. Es ist weich, biegsam und magnetisch. Daraus besteht der größte Teil der Matrix.

• Perlit: (die dunklen Körner) Schichten aus Zementit (Eisenkarbid) und Ferrit. Das verleiht ihm Festigkeit.

Es ist nur wenig Perlit vorhanden, da der Kohlenstoffgehalt gering ist. Diese Struktur, die größtenteils aus Ferrit besteht, erklärt, warum 1018

• Leicht zerspanbar: Durch das weiche Ferrit entstehen leicht Späne.

• Nicht spröde: Anstatt sich auszubreiten, neigen Risse dazu, sich im weichen Ferrit abzuschwächen.

In der Kälte zeichnen vs. in der Hitze rollen

Das Verarbeitungsverfahren beeinflusst die Funktionsweise der Kornstruktur:

• Warmgewalztes 1018: Die Körner sind alle gleich groß (zufällig). Das bedeutet weniger Belastung, aber auch eine größere Toleranz bei den Maßen.

• Kaltgezogenes 1018: Die Kristallkörner werden in Ziehrichtung länger. Durch diese Kaltverfestigung werden die Streckgrenze und die Oberflächenhärte deutlich erhöht und die Maßgenauigkeit (Geradheit und Durchmesser) verbessert. Kaltgezogene Stangen werden meist für die spanende Bearbeitung verwendet.

Physikalische Eigenschaften von Stahl der Güteklasse 1018

Ingenieure entscheiden sich selten für 1018 bei Anwendungen, bei denen das Material stark beansprucht wird. Es wird gewählt, weil es bei Anwendungen mit geringer bis mittlerer Beanspruchung zuverlässig ist.

Typische Werte für mechanische Eigenschaften (kaltgezogen)

Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften

Wichtiger Konstruktionsaspekt: Durch Kaltziehen ist die Streckgrenze fast 50% höher als beim Warmwalzen. Geben Sie immer „Cold Finished (CF) 1018“ an, wenn Sie eine Welle fertigen, die eine hohe Biegefestigkeit aufweisen muss.

Physikalische Merkmale

• Die Dichte: 7,87 g/cm³

• Elastizitätsmodul: 200 GPa (29.000 ksi). Beachten Sie, dass 1018 genauso steif ist wie hochfeste legierte Stähle. Eine Änderung der Stahlform führt nicht zu einer Verringerung der Durchbiegung; dies lässt sich nur durch die Verwendung eines festeren Stahls erreichen.

Wie einfach sich das Material bearbeiten lässt und wie es mit CNC funktioniert

Viele Menschen sind der Meinung, dass 1018 einer der am einfachsten zu bearbeitenden Stähle ist. Er dient den meisten Menschen als Maßstab, an dem sie andere Stähle messen.

Warum sich 1018 einfach bearbeiten lässt

• Stabile Chipbildung: Durch die Ferrit-Perlit-Struktur brechen Späne recht gut ab, allerdings können sie im Vergleich zu bleihaltigen Stählen wie 12L14 etwas “zäh” sein.

• Nicht scheuernd: Dadurch verschleißen die Werkzeuge nicht so schnell. Standard-Schnellarbeitsstahl (HSS) oder unbeschichtete Hartmetallwerkzeuge haben eine lange Lebensdauer.

• Konsistenz: Im Gegensatz zu A36 ist diese Güte chemisch genau definiert, sodass Zerspaner nicht auf “harte Stellen” im Werkstoff stoßen.

Richtlinien für die CNC-Bearbeitung

• Drehen: Funktioniert gut bei mittleren Geschwindigkeiten. Wenn die Oberfläche reißt, weil sie zu klebrig ist, erhöhen Sie die Oberflächengeschwindigkeit (SFM) und stellen Sie sicher, dass der Radius an der Werkzeugspitze scharf ist.

• Bohren: Es lässt sich sehr leicht bohren. Bei tiefen Löchern empfiehlt es sich, im Stoßbohrverfahren zu arbeiten, um die immer wieder auftauchenden Späne zu entfernen.

• Kühlmittel: Ein gewöhnliches wasserlösliches Kühlmittel reicht aus, um die Wärme zu senken und Späne abzutransportieren.

Maßhaltigkeit Hinweis: Kaltgezogenes 1018 weist aufgrund des Ziehvorgangs Restspannungen auf. Wenn Sie eine Keilnut in eine lange Welle einfräsen, kann sich die Welle verbiegen, wenn sich die Spannungen lösen. Ziehen Sie für Wellen, die sehr präzise sein müssen, spannungsentlastetes Material oder das Drehen zwischen Spitzen in Betracht.

Was man beim Schweißen und bei der Fertigung beachten sollte

1018 gilt als “Freund des Schweißers”. Manche sagen, er sei der am besten schweißbare Kohlenstoffstahl auf dem Markt.

Warum es so gut zusammenhält

Der niedrige Kohlenstoffgehalt (<0,20%) verhindert, dass sich in der Schweißzone beim Abkühlen des Metalls harter, spröder Martensit bildet.

• Vorheizen: Bei Teilen mit einer Dicke von weniger als 2 Zoll ist dies in der Regel nicht erforderlich.

• Nicht erforderlich: Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT).

• Prozesse: Eignet sich hervorragend für das MIG-Schweißen (GMAW), das WIG-Schweißen (GTAW), das Stabelektrodenschweißen (SMAW) und das Autogenschweißen.

Tipps zum Zubereiten

• Biegen: Kaltgezogenes 1018-Stahl lässt sich schwerer biegen als warmgewalztes. Verwenden Sie warmgewalztes oder geglühtes Material, um Risse am Außenradius zu vermeiden, wenn Sie Biegungen mit engem Radius ausführen müssen.

• Beim Schweißen entsteht Wärme, wodurch sich die Form verändert. Starkes Schweißen auf einer Seite einer Platte kann zu Verformungen führen, da 1018 häufig in Bauformen verwendet wird, bei denen keine Spannungsentlastung erfolgt.

Verschiedene Methoden zur Wärmebehandlung von 1018-Stahl

1018 lässt sich nicht auf herkömmliche Weise (durch Abschrecken und Anlassen) “härten”, um einen festen Kern zu erhalten, ist jedoch das beste Material für die Oberflächenhärtung.

Aufkohlen (Härten der Oberflächenzone)

1018 enthält nicht genügend Kohlenstoff, um von selbst zu härten, daher muss der Oberfläche Kohlenstoff zugeführt werden.

1. Prozess: Erhitzen Sie das Bauteil in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre. Der Kohlenstoff dringt in die äußere Schicht des Gehäuses ein.

2. Abschrecken: Kühlen Sie das Bauteil schnell ab. Die Hülle, die viel Kohlenstoff enthält, wird sehr hart (Rc 55–60), während der Kern, der weniger Kohlenstoff enthält, zäh und elastisch bleibt.

Verwendung: Zahnräder, Stifte und Verschleißplatten, bei denen eine harte Oberfläche dem Verschleiß standhält und ein zäher Kern verhindert, dass das Bauteil bricht, wenn es auf etwas auftrifft.

Normieren vs. Glühen

• Glühen: Dadurch wird der Stahl so weich wie möglich, sodass er sich gut formen lässt.

• Normalisierung: Glättet die Kornstruktur und sorgt so für eine gleichmäßigere Beschaffenheit. Dies wird häufig bei 1018-Schmiedeteilen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Bearbeitung stets gleichbleibend erfolgt.

Häufige Anwendungsbereiche von 1018-Stahl in der Fertigung

1018 ist der “Allrounder” unter den Metallen.

• Wellen und Stifte Dies sind die häufigsten Anwendungsbereiche für kaltgezogene 1018-Stangen. Wellen für Pumpen, Motoren und Passstifte.

• Vorrichtungen und Halterungen: Diese werden in Maschinenwerkstätten häufig zur Herstellung von Grundplatten, Spannvorrichtungen und Einstellblöcken verwendet.

• Schrauben mit geringer Festigkeit, Bolzen und Zugstangen sind Beispiele für Befestigungselemente.

• Konstruktionshalterungen: Zusammenverschweißte Befestigungshalterungen für Maschinen.

• Aufkohlung von Bauteilen: Günstige Ratschen, Zahnräder und Kettenräder.

Was sollten Sie wählen: Stahl 1018 oder A36?

Das ist der häufigste Fehler. A36 ist die Norm für Profilstahl wie I-Träger und Winkelprofile, während 1018 die Norm für Stabstahl ist.

Tabelle 3: Vergleich zwischen A36 und 1018

Die Regel für die Entscheidungsfindung:

• Bearbeiten Sie ein Teil, das sehr präzise sein muss, wie zum Beispiel eine Welle oder eine Schraube? -> Auswahl 1018.

• Schweißt du einen Tisch oder einen Rahmen? -> Wähle A36.

Wann Stahl der Güteklasse 1018 NICHT verwendet werden sollte: Konstruktionsbeschränkungen

1018 ist flexibel, hat aber auch seine Grenzen.

• Hohe Belastbarkeit erforderlich: Wenn Sie eine hohe Streckgrenze benötigen, aber nicht zu viel Volumen wollen, wechseln Sie zu 1045 (Mittellegierter Stahl) oder 4140 (legierter Stahl). 1018 wird sich einfach verbiegen.

• Durchhärten: 1018 kann nicht das gesamte Bauteil härten, sondern nur die Oberfläche. Verwenden Sie Werkzeugstahl oder 4140.

• Korrosionsbeständigkeit: 1018 rostet unter feuchten Bedingungen sofort. Wenn Sie es nicht lackieren oder beschichten können, verwenden Sie stattdessen Edelstahl 304 oder Aluminium.

• Hohe Ermüdungsbelastungen: 1018 ist keine gute Wahl für zyklisch beanspruchte Bauteile (wie Kurbelwellen), da es eine geringere Festigkeit und mehr Verunreinigungen aufweist.

Zusammenfassung: Was Ingenieure über den Stahl 1018 wissen sollten

Stahl der Güteklasse 1018 ist der sichere und kostengünstige Standard für die Konstruktion.

• Bearbeitbarkeit: Es ist der bewährte Standard für CNC-Drehen und -Fräsen.

• Herstellung: Das Schweißen ist ganz einfach und kommt ohne komplizierte Schritte aus.

• Oberflächenhärtung: Durch das Aufkohlen entstehen Bauteile, die sehr verschleißfest sind.

• Preis: Es ist eines der günstigsten Metalle, die man kaufen kann.

Bewährte Praxis: Verwenden Sie für Wellen, Bolzen und andere bearbeitete Teile kaltgezogene 1018-Stangen. Verwenden Sie warmgewalzte 1018-Stangen nur, wenn die Oberflächenbeschaffenheit keine Rolle spielt oder wenn Sie umfangreiche Schweißarbeiten vornehmen möchten. Wenn Sie eine höhere Festigkeit benötigen, verwenden Sie 1045 oder 4140.

FAQ

F: Kann man 1018-Stahl schweißen?
A: Ja, sehr gut. Da er einen geringen Kohlenstoffgehalt aufweist, gehört er zu den am einfachsten zu schweißenden Stählen. Für die meisten Anwendungen muss er weder vor noch nach dem Schweißen erwärmt werden.

F: Rostet der Stahl 1018?
A: Ja, sehr schnell. Es ist nicht rostbeständig. Um Rostbildung zu verhindern, muss es lackiert, pulverbeschichtet, verzinkt oder geölt werden.

F: Was ist der Unterschied zwischen 1018 und 1045?
A: Der Kohlenstoffgehalt. 1018 enthält etwa 0,18% Kohlenstoff und 1045 etwa 0,45% Kohlenstoff. 1045 ist fester und lässt sich durchgehend härten, ist jedoch schwieriger zu schweißen und zu bearbeiten.

F: Lässt sich 1018er-Stahl härten?
A: Man kann es nicht durchhärten (abschrecken und anlassen), da es nicht genügend Kohlenstoff enthält. Man kann es nur oberflächenhärten (aufkohlen), um die Oberfläche hart zu machen, während das Innere weich bleibt.

F: Ist 1018 besser als A36?
A: Ja, 1018 ist sauberer und gleichmäßiger bei der Bearbeitung. A36 ist in der Regel günstiger und für Schweißkonstruktionen, wie zum Beispiel die Herstellung eines Regals, völlig ausreichend.