ABS A vs AH36 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
ABS A und AH36 sind zwei weit verbreitete Baustahlgüten im Schiffbau, die von Designern, Herstellern und Beschaffungsteams verwendet werden. Ingenieure wählen häufig zwischen ihnen, wenn sie Kosten, erforderliche Festigkeit, Schweißbarkeit und Einsatzbedingungen (zum Beispiel eine Lastendeckplatte, bei der Gewichtseinsparungen wichtig sind, im Vergleich zu einer Rumpfplatte, bei der Durchstoßzähigkeit und höhere zulässige Spannungen erforderlich sind) abwägen. Der wesentliche praktische Unterschied besteht in der Spezifikationsgüte und der minimalen mechanischen Leistung: ABS A ist eine konventionelle strukturelle (milde) Schiffplatte mit geringerer Mindestfestigkeit, während AH36 ein hochfester, schiffbaulicher Baustahl mit strengeren Zähigkeitsanforderungen ist und häufig dort verwendet wird, wo höhere zulässige Spannungen oder dünnere Querschnitte gewünscht sind. Diese Güten werden oft verglichen, da sie benachbarte Positionen in der Schiffbauhierarchie einnehmen und weil der Austausch der einen gegen die andere die Plattendicke, die Fertigungsparameter und die Kosten beeinflusst.
1. Normen und Bezeichnungen
- ABS A: Bezeichnung, die in den Regeln des American Bureau of Shipping (ABS) und in gleichwertigen Schiffbauspezifikationen verwendet wird. Vergleichbar mit allgemeinen strukturellen Schiffsstählen (oft in Übereinstimmung mit älteren „Grade A“-Bezeichnungen).
- AH36: Hochfester, normalisierter Schiffbaustahl, der in den ABS-Regeln und in ASTM A131 als Grade AH36 zu finden ist. Auch in anderen Klassifikations- und nationalen Normen für maritimen Stahl erwähnt.
- Entsprechende/ verwandte Normen:
- ASTM/ASME: ASTM A131 (AH36 ist eine definierte Güte); „Grade A“-Stähle sind in älteren oder gleichwertigen ASTM-Listen vertreten.
- EN: Europäische Schiffbaustähle verwenden Bezeichnungen wie S355G, S420G usw.; AH36 ist in Bezug auf die Festigkeit grob vergleichbar mit einigen S-Stahlgüten, aber die Zusammensetzungs-/Zähigkeitsanforderungen unterscheiden sich.
- JIS/GB: Nationale Normen bieten analoge Schiffsgüten; genaue Querverweise müssen gemäß den Projektspezifikationen überprüft werden.
- Klassifizierung der Stähle:
- Sowohl ABS A als auch AH36 sind Kohlenstoff-Mangan-Strukturstähle (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstahl) in der HSLA/strukturellen Familie, wenn sie mikrolegiert sind; AH36 ist die hochfeste strukturelle Güte.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsgrenzen (Gew.-%) an, die häufig in ABS/ASTM-Schiffplattenspezifikationen zitiert werden. Die Werte sind indikativ; genaue Grenzen hängen von der ausstellenden Norm, der Plattendicke und dem Lieferanten ab.
| Element | ABS A (typische Spezifikationsgrenzen, Gew.-%) | AH36 (typische Spezifikationsgrenzen, Gew.-%) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | ≤ 0.18–0.20 (max) | ≤ 0.16–0.18 (max) |
| Mn (Mangan) | 0.60–1.60 (Bereich) | 0.70–1.60 (Bereich) |
| Si (Silizium) | ≤ 0.50 (max) | ≤ 0.50 (max) |
| P (Phosphor) | ≤ 0.035–0.045 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| S (Schwefel) | ≤ 0.035–0.045 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| Cr (Chrom) | In der Regel ≤ 0.30 (Spur) | In der Regel ≤ 0.30 (Spur) |
| Ni (Nickel) | In der Regel ≤ 0.30 (Spur) | In der Regel ≤ 0.30 (Spur) |
| Mo (Molybdän) | Nicht typisch / Spur | Nicht typisch / Spur |
| V (Vanadium) | Spur, wenn mikrolegiert | Spur, wenn mikrolegiert |
| Nb (Niobium) | Typischerweise nicht spezifiziert / Spur | Kann in mikrolegierten AH36-Varianten vorhanden sein |
| Ti (Titan) | Spur (Entgasung) | Spur (Entgasung) |
| B (Bor) | Normalerweise nicht spezifiziert | Normalerweise nicht spezifiziert |
| N (Stickstoff) | Spur | Spur |
Hinweise: - AH36 wird häufig mit kontrollierter Chemie und manchmal Mikrolegierung (Nb, V, Ti) oder thermomechanischem Walzen hergestellt, um eine höhere Streckgrenze und verbesserte Zähigkeit bei geringeren Dicken zu erreichen. ABS A ist im Allgemeinen ein einfacher Kohlenstoff-Mangan-Strukturstahl mit weniger Mikrolegierungszusätzen. - Unterschiede in der Legierungsstrategie: AH36 verlässt sich auf kontrolliertes C und Mn, niedrigen P/S und entweder Mikrolegierung oder thermomechanische Verarbeitung, um die Streckgrenze zu erhöhen und gleichzeitig die Zähigkeit zu erhalten; ABS A betont Wirtschaftlichkeit und Duktilität mit weniger strengen Festigkeits-/Zähigkeitszielen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Typische Mikrostrukturen:
- ABS A: Warmgewalzte oder normalisierte Platten haben typischerweise eine Ferrit-Perlit-Mikrostruktur mit relativ grober Perlit in dickeren Querschnitten. Die Struktur unterstützt eine gute Duktilität, hat jedoch eine begrenzte Hochfestigkeit.
- AH36: Abhängig von der Verarbeitung (normalisiert, TMCP — thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung) reicht die Mikrostruktur von feinem Ferrit-Perlit bis zu feinem bainitischem oder polygonalem Ferrit mit dispergierter Perlit und Mikrolegierungsniederschlägen. TMCP AH36 kann eine verfeinerte Korngröße und Versetzungsstrukturen aufweisen, die die Streckgrenze erhöhen, ohne die Härte proportional zu erhöhen.
- Reaktion auf Wärmebehandlung:
- Normalisieren: Beide Güten reagieren auf das Normalisieren mit Kornverfeinerung und Zähigkeitsverbesserung; AH36 profitiert mehr, da die Verringerung der Korngröße direkt die Zähigkeit bei höherer Festigkeit erhöht.
- Härten & Anlassen: Nicht typisch für Standard-Schiffplatten (kostspielig und führt zu Verformungen), würde jedoch die Festigkeit und Härte erheblich erhöhen, wenn angewendet.
- Thermomechanische Verarbeitung (TMCP): Häufig für AH36 — kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen erzeugen feinkörnige Mikrostrukturen mit hoher Streckgrenze bei guter Zähigkeit. ABS A wird weniger häufig durch TMCP hergestellt.
- Praktische Implikation: Der Produktionsweg von AH36 betont ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, während ABS A Formbarkeit und Wirtschaftlichkeit mit einfacheren Walz-/Wärmebehandlungen priorisiert.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgenden mechanischen Eigenschaften sind repräsentative Mindestwerte und typische Bereiche gemäß gängigen Schiffplattenspezifikationen; tatsächliche Werte hängen von der Dicke und der zertifizierenden Norm ab.
| Eigenschaft | ABS A (typisch) | AH36 (typisch) |
|---|---|---|
| Streckgrenze (0.2% Nachweis) | ~235 MPa (min) | ~355 MPa (min) |
| Zugfestigkeit (Rm) | ~400–520 MPa (typisch) | ~490–630 MPa (typisch) |
| Dehnung (% in 200 mm oder 5.65√A) | ~20–25% | ~16–21% |
| Schlagzähigkeit (Charpy V) | Niedrigere Temperaturbewertung weniger anspruchsvoll; Werte variieren je nach Spezifikation | Spezifizierte Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen; üblicherweise 27 J (oder höher) bei angegebenen subzero Temperaturen, abhängig von der Dicke |
| Härte (HB oder HRC) | Typischerweise niedriger (weicher) | Höher, aber immer noch moderat, um die Schweißbarkeit zu erhalten |
Erklärung: - Festigkeit: AH36 ist die stärkere Güte (höhere Streck- und Zugfestigkeit), was dünnere Querschnitte für eine äquivalente Tragfähigkeit ermöglicht. - Zähigkeit: AH36 hat typischerweise spezifizierte Zähigkeitseigenschaften bei niedrigen Temperaturen (oft bei niedrigeren Temperaturen als ABS A), sodass AH36 die Bruchfestigkeit bei kälteren Einsätzen aufrechterhält, wenn es gemäß Spezifikation hergestellt wird. - Duktilität: ABS A zeigt normalerweise eine höhere Dehnung aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und der gröberen Mikrostruktur. - Designer müssen den dickeabhängigen Rückgang der Zähigkeit berücksichtigen; die garantierten Eigenschaften beider Güten variieren mit der Plattendicke.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt von der chemischen Zusammensetzung (insbesondere Kohlenstoff und Mn), der Härtbarkeit und den mikrolegierten Elementen ab.
- Kohlenstoffäquivalente Maße werden verwendet, um die Vorwärm- und Nachschweißwärmebehandlungsbedürfnisse zu beurteilen. Eine gängige Formel ist: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ Dies gibt eine qualitative Schätzung der Anfälligkeit für wasserstoffunterstützte Kaltverformung und Härtbarkeit.
- Die umfassendere Pcm-Formel wird manchmal für Stähle mit komplexen Chemien verwendet: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretation:
- ABS A: Niedrigere Festigkeit und einfachere Chemie führen typischerweise zu niedrigeren Kohlenstoffäquivalentwerten, was eine einfachere Schweißbarkeit mit weniger Vorwärmung und einem geringeren Risiko von Wasserstoffriss bedeutet.
- AH36: Höhere Festigkeit, strengere Chemiekontrolle und mögliche Mikrolegierung können CE/Pcm moderat erhöhen. AH36 lässt sich oft dennoch gut schweißen, wenn geeignete Verfahren (Vorwärmung, Auswahl der Verbrauchsmaterialien, kontrollierte Wärmezufuhr) angewendet werden, aber Vorsicht ist bei dickeren Platten und wenn die maximal zulässige Härte im HAZ ein Anliegen ist, geboten.
- Praktische Ratschläge: Berechnen Sie immer CE oder Pcm für die tatsächliche chemische Analyse und Dicke, um Vorwärm- und Zwischenpass-Temperaturen festzulegen und Füllmetalle auszuwählen, die den Zähigkeits- und Zuganforderungen entsprechen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl ABS A als auch AH36 sind nicht rostfreie Kohlenstoff-Mangan-Stähle und benötigen Oberflächenschutz in maritimen Umgebungen.
- Typische Schutzstrategien:
- Barriereschichten (marine Grundierungen, Epoxidharze)
- Feuerverzinkung für einige sekundäre Strukturen (begrenzt für schwere Platten aufgrund von Maß- und Inspektionsproblemen)
- Kathodischer Schutz (für untergetauchte Strukturen)
- Regelmäßige Wartungsanstrichsysteme für Rumpf und exponierte Decks
- Edelstahlindizes: PREN ist für diese nicht rostfreien Güten nicht anwendbar. Zum Vergleich wird PREN berechnet als: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ist jedoch nur für rostfreie Legierungen von Bedeutung, bei denen Cr, Mo, N signifikant sind.
- Unterschiede in der Korrosionsleistung: Keine der Güten ist von Natur aus korrosionsbeständig; die leicht unterschiedliche Chemie von AH36 ändert die atmosphärische Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu ABS A nicht wesentlich. Die Auswahl für korrosive Einsätze sollte sich auf Beschichtung, Inspektion und Korrosionsreserve im Design konzentrieren.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Biegen und Formen:
- ABS A mit niedrigerer Streckgrenze ist im Allgemeinen einfacher zu biegen und zu formen, mit weniger Rückfederung und geringeren erforderlichen Kräften.
- AH36 erfordert aufgrund der höheren Streckgrenze größere Formlasten und hat eine erhöhte Rückfederung; sorgfältige Werkzeuge und Biegeradien sind erforderlich.
- Bearbeitbarkeit:
- Beide sind mit Standard-Kohlenstoffstahlpraktiken bearbeitbar. Die höhere Festigkeit von AH36 kann die Schnittgeschwindigkeiten leicht reduzieren oder den Werkzeugverschleiß im Vergleich zu ABS A erhöhen.
- Schneiden und Nesting:
- Flammenschneiden, Plasma- und Sauerstoffbrennerarbeiten sind für beide geeignet; dickere AH36 erfordern möglicherweise eine engere thermische Kontrolle, um HAZ-Abbau zu vermeiden.
- Oberflächenbearbeitung:
- Schleifen und Oberflächenvorbereitung für Beschichtungen folgen ähnlichen Arbeitsabläufen; die höhere Festigkeit von AH36 kompliziert die Standard-Oberflächenbearbeitung nicht.
8. Typische Anwendungen
| ABS A — Typische Anwendungen | AH36 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Nicht kritische Strukturteile, Versteifungen, Halterungen, Tankoberplatten, sekundäre Rumpfbereiche, in denen Wirtschaftlichkeit priorisiert wird | Primäre Rumpfverkleidungen, hochfeste Versteifungen, Lukenabdeckungen, Teile, bei denen reduzierte Plattendicke und höhere zulässige Spannungen erforderlich sind |
| Allgemeine Fertigung, bei der höhere Duktilität und einfacheres Formen bevorzugt werden | Schiffstrukturen, die kälteren Klimazonen ausgesetzt sind oder eine spezifische Zertifizierung der Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordern |
| Ersetzungen und Reparaturen, bei denen die Kosten der Hauptfaktor sind und die Lasten moderat sind | Neubau-Strukturen, bei denen Gewichtoptimierung und höhere Entwurfsspannungen verwendet werden |
Auswahlbegründung: - Verwenden Sie ABS A, wenn Wirtschaftlichkeit, Formbarkeit und einfache Fertigung dominieren und wenn die erforderlichen Spannungen und die Umgebung keine höhere Festigkeit oder zertifizierte Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordern. - Verwenden Sie AH36, wenn Designer eine höhere Streck-/Zugkapazität, bessere garantierte Zähigkeit bei niedrigeren Temperaturen benötigen oder wenn die Reduzierung der Plattendicke ein Entwurfsziel ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: AH36 ist typischerweise teurer pro Tonne als ABS A aufgrund strengerer Chemiekontrolle, spezialisierter Verarbeitung (TMCP oder normalisiert) und Zertifizierungs-/Testkosten. Die Kosten pro Struktur können jedoch zugunsten von AH36 ausfallen, wenn Plattendickenreduzierungen den höheren Stückpreis ausgleichen.
- Verfügbarkeit: Beide Güten sind in Plattenform häufig in Stahl-Servicezentren vorrätig, aber die Verfügbarkeit spezifischer Dicken, Beschichtungen oder zertifizierter Millentestberichte sollte bestätigt werden. AH36 ist möglicherweise in sehr großen Dicken oder nicht standardisierten Plattengrößen ohne Vorlaufzeit weniger verfügbar.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Merkmal | ABS A | AH36 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (einfacher, niedriger CE) | Gut bis moderat (erfordert Kontrollen für dickere Platten) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Niedrigere Festigkeit, höhere Duktilität | Höhere Festigkeit mit spezifizierter Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen |
| Kosten | Niedriger pro Tonne | Höher pro Tonne, aber potenzielle Gewichtseinsparungen |
Fazit und praktische Empfehlungen: - Wählen Sie ABS A, wenn: die Projektprioritäten die niedrigsten Kosten, einfacheres Formen und Schweißen sind und die Anwendung keine hohe Streckgrenze oder zertifizierte Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordert. Beispiel: sekundäre Struktur, Halterungen oder wo Korrosionsschutz und Dicke leicht zu handhaben sind. - Wählen Sie AH36, wenn: Sie höhere zulässige Spannungen, zertifizierte Zähigkeitsbeständigkeit bei niedrigen Temperaturen benötigen oder die Möglichkeit, die Plattendicke zur Gewichtseinsparung oder Platzersparnis zu reduzieren. AH36 ist die logische Wahl für primäre Rumpfverkleidungen, kritische Strukturteile oder Designs, die auf Gewicht optimiert sind.
Letzte Anmerkung: Konsultieren Sie immer die geltende Projektspezifikation und die Testzertifikate der Mühle/ Werft für die genauen chemischen und mechanischen Anforderungen. Für das Schweißen berechnen Sie $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ aus der tatsächlichen Mühlenanalyse und wenden Sie die entsprechenden Vorwärm- und Nachschweißverfahren an.