A36 vs A992 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einleitung
ASTM A36 und ASTM A992 gehören zu den am häufigsten spezifizierten Baustählen im Bauwesen und der schweren Metallverarbeitung. Ingenieure und Einkaufsteams wägen oft Abwägungen zwischen Kosten, Streckgrenze und Zugfestigkeit, Schweißbarkeit und Zähigkeit ab, wenn sie zwischen diesen Werkstoffen wählen. Typische Anwendungskontexte sind die Spezifikation von Stützen und Breitflanschprofilen für Gebäude (bei denen höhere Streckgrenzen und planbares Verhalten im Vordergrund stehen) gegenüber Blechen, Winkeln und allgemeinen Baustahlelementen, bei denen Kosten und breite Verfügbarkeit wichtiger sind.
Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass A992 ein moderner, kontrolliert fester, niedrig legierter Baustahltyp ist, der für Breitflanschprofile und Anwendungen mit hoher Streckgrenze optimiert wurde; A36 ist ein älterer Kohlenstoffbaustahl für allgemeine Zwecke mit niedrigerer Mindeststreckgrenze und einfacherer Chemie. Daher wird A992 häufig für tragende Bauprofile bevorzugt, während A36 weiterhin weit verbreitet für Bleche, Stäbe und allgemeine Strukturanwendungen genutzt wird.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM/ASME:
- A36 — „Standard Specification for Carbon Structural Steel“ (häufig verwendet für Bleche, Profile, Stäbe und Sektionen).
- A992 — „Standard Specification for Structural Steel Shapes“ (speziell für Tragwerksprofile wie Breitflanschträger und Stützen konzipiert).
- EN (Europa): weitgehend vergleichbare Stähle sind die S275-/S355-Familien (eine direkte 1:1-Entsprechung besteht jedoch nicht).
- JIS / GB: andere nationale Normen klassifizieren vergleichbare Stähle in Familien von unlegierten oder niedrig legierten Baustählen; eine direkte Äquivalenz muss anhand der Chemie und mechanischen Eigenschaften geprüft werden.
Klassifikation: - A36 — Kohlenstoffbaustahl. - A992 — HSLA-ähnlicher Baustahl (niedrig legiert, mikrolegiert/kontrollierte Chemie Baustahl).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische chemische Zusammensetzung (Gew.-%). Die angegebenen Werte stellen repräsentative Grenzwerte oder typische Bereiche dar, wie sie in der Praxis verwendet werden; stets mit dem Walzzeugnis oder der jeweiligen Norm für das spezifische Herstellungslos abgleichen.
| Element | A36 (typisch laut gängiger Praxis) | A992 (typisch gemäß ASTM A992) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | ≤ ~0,25–0,29 (max) | ≤ ~0,23 (max) |
| Mn (Mangan) | ~0,8–1,2 | bis ~1,35 (kontrolliert) |
| Si (Silizium) | ≤ ~0,40 | ≤ 0,40 |
| P (Phosphor) | ≤ 0,04 | ≤ 0,035 |
| S (Schwefel) | ≤ 0,05 | ≤ 0,040 |
| Cr (Chrom) | nicht absichtlich zugesetzt (Spuren) | nicht absichtlich zugesetzt (Spuren) |
| Ni (Nickel) | nur Spuren | nur Spuren |
| Mo (Molybdän) | nur Spuren | nur Spuren |
| V (Vanadium) | Spuren / nicht spezifiziert | begrenzte Mikrolegierung erlaubt (kontrollierte Mengen) |
| Nb (Niob) | Spuren / nicht spezifiziert | kann in kleinen kontrollierten Mengen enthalten sein |
| Ti (Titan) | Spuren / nicht spezifiziert | kann in kleinen kontrollierten Mengen enthalten sein |
| B (Bor) | nur Spuren | nur Spuren |
| N (Stickstoff) | nur Spuren | kontrolliert (beeinflusst Effektivität der Mikrolegierungen) |
Auswirkungen der Legierung auf das Werkstoffverhalten: - Kohlenstoff und Mangan bestimmen hauptsächlich Festigkeit und Härtbarkeit: höherer Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, verschlechtert jedoch die Schweißbarkeit und Umformbarkeit. - Silizium entoxidiert und beeinflusst leicht die Festigkeit; zu viel Si kann die Schweißbarkeit und Oberflächenqualität beeinträchtigen. - Phosphor und Schwefel werden niedrig gehalten, um Zähigkeit zu bewahren und die Schweißbarkeit zu verbessern. - A992 verwendet kontrollierte Chemie und kleine Mikrolegierungszusätze (V, Nb, Ti in kontrollierten Mengen), um die Streckgrenze zu erhöhen und die Zähigkeit zu verbessern, ohne den Kohlenstoffgehalt stark zu erhöhen; dies ermöglicht eine höhere Festigkeit bei akzeptabler Schweißbarkeit und Zähigkeit — dies ist die HSLA-Strategie.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Walzprozessierung: - A36: hergestellt als warmgewalzter Stahl, Normalglühen ist in der Norm nicht vorgeschrieben; Mikrostruktur besteht im Allgemeinen aus Ferrit und Perlit mit grobkörnigem Ferrit, abhängig von Walzen und Abkühlung. Keine absichtliche Mikrolegierung. - A992: hergestellt durch kontrolliertes Walzen und thermisches Management mit möglicher Mikrolegierung; Mikrostruktur besteht aus feinkörnigem Ferrit mit fein verteilten Ausscheidungen der Mikrolegierungselemente, die Streckgrenze und Zähigkeit erhöhen.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Beide Werkstoffe werden typischerweise im as-rolled-Zustand für Tragwerksformen geliefert. Eine Einsatzhärtung oder Anlassen (Quench-and-Temper) ist für beide Werkstofftypen bei Standardtragwerksprofilen nicht üblich. - Normalglühen (Erwärmen und kontrolliertes Abkühlen) kann die Korngröße verfeinern und die Zähigkeit verbessern, wird aber bei kommerziellen Profilen meist nicht nach dem Walzen durchgeführt. - Einsatzhärtung oder andere thermomechanische Behandlungen sind für A36 oder A992 untypisch bzw. nicht erforderlich; solche Behandlungen würden das Material in eine andere Werkstoffklasse (z. B. vergüteter niedrig legierter Stahl) einordnen. - Thermomechanisches Walzen plus Mikrolegierung bei A992 führt zu feinerer Kornstruktur und besserer Zähigkeit bei gleicher Festigkeit im Vergleich zu A36, das konventionell gewalzt wird.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische mechanische Eigenschaften (Werte sind repräsentative Mindestwerte oder typische Bereiche; für vertragsspezifische Werte bitte Norm oder Walzzeugnis konsultieren).
| Eigenschaft | A36 (typisch) | A992 (typisch) |
|---|---|---|
| Streckgrenze | 36 ksi (≈ 250 MPa) (Mindestwert) | 50 ksi (≈ 345 MPa) (Mindestwert für Profile) |
| Zugfestigkeit | 58–80 ksi (≈ 400–550 MPa) typischer Bereich | ~65–90 ksi (≈ 450–620 MPa) typischer Bereich |
| Bruchdehnung (bei 50 mm) | ~20% ( abhängig von Dicke) | ~18% (abhängig von Profil und Dicke) |
| Kerbschlagzähigkeit | Nicht einheitlich spezifiziert; typischerweise geringer als bei A992 bei niedrigen Temperaturen | Kontrolliert, um verbesserte Kerbschlagzähigkeit bei tieferen Temperaturen für Bauanwendungen zu gewährleisten |
| Härte | Typisch im Bereich von unlegiertem Stahl (HB ~120–160) | Etwas höher aufgrund von Mikrolegierung und kontrollierter Verarbeitung |
Interpretation: - A992 ist konstruktionsbedingt stärker (höhere Mindeststreckgrenze und höhere Zugfestigkeitsziele), was leichtere und steifere Tragwerksmitglieder bei gleichen Lasten ermöglicht. - A992 bietet typischerweise eine bessere Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit als A36 aufgrund der Mikrolegierung und kontrollierten Walzung; A36 ist bei niedrigen bis mittleren Festigkeiten duktiler. - Bei gleichen Querschnittsflächen tragen A992-Profile höhere Lasten oder ermöglichen Gewichtseinsparungen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffäquivalent und der Mikrolegierung ab. Zwei nützliche Indizes sind nachfolgend dargestellt.
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - A36 hat typischerweise einen etwas höheren Kohlenstoffgehalt als A992, was das Kohlenstoffäquivalent erhöht und somit das Risiko von Kaltbrüchen in dicken Abschnitten oder bei bestimmten Schweißverfahren steigern kann. - Das geringere Kohlenstoffniveau und die kontrollierte Mikrolegierung bei A992 machen diesen Baustahl in der Regel mindestens ebenso schweißbar wie A36 bei gängigen Schweißverfahren, vorausgesetzt, es werden bei dicken Abschnitten entsprechende Vorwärme und Nachkühlkontrollen angewendet. Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) können lokal die Härtbarkeit erhöhen, weshalb bei sehr dicken Querschnitten oder stark eingespannten Schweißnähten auf Vorwärmung und kontrolliertes Abkühlen zu achten ist. - Das Konzept des Kohlenstoffäquivalents (wie oben) sollte zur Bewertung spezifischer Chargen und Dicken sowie zur Auswahl von Vorwärme-/Nachwärmebehandlung, Schweißzusatzwerkstoff und Schweißverfahrensspezifikation (WPS) verwendet werden. - Bei kritischen oder dicken Schweißnähten ist die Anwendung qualifizierter WPS sowie die Kontrolle von Wasserstoff, Vorwärmung und Zwischentemperaturmanagement essenziell.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder A36 noch A992 sind rostfreie Stähle; beide erfordern Oberflächenschutzmaßnahmen zur Korrosionsbeständigkeit.
- Gängige Schutzmaßnahmen: Feuerverzinkung (Zn-Beschichtung), organische Beschichtungen (Lacke, Epoxidprimer), Metallisierung (Zink- oder Aluminiumspritzbeschichtung) sowie Opfer- oder Barriersysteme für atmosphärische oder marine Umgebungen.
7. Fertigung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit
- Schneiden: Beide Güten lassen sich ähnlich gut durch Autogen-, Plasma- und Brennschneiden sowie Schleifbandsägen bearbeiten; A992 kann aufgrund höherer Festigkeit etwas stärkeren Werkzeugverschleiß zeigen.
- Biegen/Formen: Aufgrund der niedrigeren Streckgrenze von A36 ist es etwas leichter zu biegen ohne Federwirkung; bei A992 führt die höhere Streckgrenze zu stärkerem Rückfedern und erfordert gegebenenfalls höhere Umformkräfte oder größere Biegeradien.
- Zerspanbarkeit: Beide Stähle sind mit gängigen Werkzeugen zerspanbar; die höheren Festigkeiten und Mikrolegierungs- Ausscheidungen bei A992 können die Werkzeugstandzeit marginal im Vergleich zu A36 verringern.
- Oberflächenbehandlung: Beide Varianten eignen sich gleichermaßen für Lackierung und Beschichtungen; der gelegentlich vorhandene Oberflächenzunder (Skala) vom Warmwalzen muss bei der Vorbehandlung berücksichtigt werden.
8. Typische Anwendungen
| A36 — Typische Verwendung | A992 — Typische Verwendung |
|---|---|
| Allgemeine Baustahlplatten, U-Profile, Winkel, Stäbe, Leichtbaukonstruktionen, wenn Mindeststreckgrenze ausreichend und Kosten vorrangig sind | Riegel- und Säulenprofile für Baukonstruktionen, bei denen höhere Mindeststreckgrenzen und vorhersehbare Querschnittseigenschaften gefordert sind |
| Fertigung von Maschinenrahmen, nicht tragenden Bauteilen und sekundären Strukturelementen | Strukturelemente für mehrgeschossige Gebäude, erdbeben- und windbeanspruchte Bauweisen, Säulen und Balken für hohe Lasten |
| Verschiedene Bauteile, Fundamentplatten, Aussteifungen, Treppen und Laufstege | Primäre tragende Elemente, wenn Bauvorschriften oder Auslegung eine Mindeststreckgrenze von 50 ksi und verbesserte Zähigkeit verlangen |
Begründung der Auswahl: - Wählen Sie A992, wenn Bauvorschriften oder Berechnungen Stahl mit 50 ksi Mindeststreckgrenze vorsehen oder wenn Gewichtseinsparungen durch kleinere Querschnitte sinnvoll sind. - Wählen Sie A36 für kostengünstigere Platten, Winkel und allgemeine Profile, wenn 36 ksi Mindeststreckgrenze ausreichend ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: A992 ist in der Regel pro Tonne etwas teurer als A36, bedingt durch strengere Chemieparameter und den Einsatz für Profile; jedoch kann A992 durch die Nutzung kleinerer Querschnitte und geringeres Stahlgewicht die Gesamtkosten im Projekt senken.
- Verfügbarkeit: A36 ist allgegenwärtig bei Platten, Stäben und verschiedenen Profilen; A992 ist breit verfügbar für warmgewalzte Breitflanschprofile und die gängige Spezifikation für Baustahlprofile in Nordamerika.
- Produktformen: A36 wird häufig in Form von Platten, Stäben, Blechen und sonstigen Profilen geliefert; A992 wird speziell für warmgewalzte Baustahlprofile (Breitflansch) hergestellt und ist dort weit verbreitet.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Kurzer Vergleich
| Eigenschaft | A36 | A992 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut für gängige Fertigungen; CE bei dicken Querschnitten beachten | Gut, oft besser als A36 wegen geringerem C-Gehalt; Mikrolegierungen erfordern standardmäßige Schweißkontrollen |
| Festigkeit–Zähigkeit | Geringere Streckgrenze (36 ksi), annehmbare Zähigkeit | Höhere Streckgrenze (50 ksi), besseres Festigkeit–Zähigkeits-Verhältnis aufgrund kontrollierter Verarbeitung |
| Kosten | Geringer pro Tonne; sehr breit verfügbar | Leichter Aufpreis pro Tonne, kann aber durch kleinere Querschnitte und geringeres Gewicht Kosten sparen |
Empfehlungen: - Wählen Sie A36, wenn: - Das Design 36 ksi (250 MPa) Mindeststreckgrenze zulässt und Sie den niedrigsten Materialeinstandspreis oder Platten/Stäbe/Winkel für allgemeine Fertigungen benötigen. - Die Teile nicht primäre tragende Bauteile sind oder bei der Verwendung von Platten und Stäben, bei denen A36 Standard ist.
- Wählen Sie A992, wenn:
- Sie warmgewalzte Breitflanschprofile oder primäre Bauteile spezifizieren, für die 50 ksi (345 MPa) Mindeststreckgrenze und höhere Zähigkeit von Vorteil sind.
- Sie vorhersehbare, kontrollierte Materialeigenschaften für erdbeben- oder hochbeanspruchte Strukturen benötigen und Wert auf kleinere Querschnitte oder Gewichtseinsparung legen.
Abschließender Hinweis: Überprüfen Sie stets die maßgebliche Normenfassung sowie das Werkszeugnis für die jeweilige Charge, Dicke und Produktform. Für Schweißverfahren, dicke oder stark beanspruchte Verbindungen sowie Einsatz bei niedrigen Temperaturen sind die entsprechenden Kohlenstoffäquivalenzwerte zu ermitteln und die Schweißparameter entsprechend zu qualifizieren.