AH32 vs AH36 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
AH32 und AH36 sind weit verbreitete hochfeste Baustähle im Schiffbau und in der schweren Fertigung. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Auswahlproblem zwischen kostengünstigeren, leichter zu bearbeitenden Sorten und hochfesten Sorten, die dünnere Querschnitte oder ein geringeres Gewicht ermöglichen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl zwischen Schweißbarkeit und Formbarkeit versus den Vorteilen einer höheren Streckgrenze für reduzierte Plattendicke oder den Vergleich der Lebenszykluskosten, wenn Korrosionsschutz und Reparaturen berücksichtigt werden.
Der zentrale praktische Unterschied zwischen den beiden ist, dass AH36 spezifiziert ist, um eine höhere Mindeststreckgrenze als AH32 zu bieten, was eine größere Tragfähigkeit oder reduzierte Querschnittsdicke bei der gleichen Entwurfsspannung ermöglicht. Da beide Sorten für maritime Struktur-Anwendungen konzipiert sind, werden sie häufig verglichen, wenn es darum geht, den Rumpf, Deckstrukturen, Halterungen und andere primäre Strukturmitglieder zu optimieren.
1. Normen und Bezeichnungen
- Klassifikationsgesellschaften und Normungsorganisationen, die häufig AH-Sorten abdecken: ABS (American Bureau of Shipping), DNV‑GL / DNV, Lloyd’s Register, Bureau Veritas.
- Internationale und nationale Normen, die äquivalente Schiffbaustähle oder Regeln für Baustähle referenzieren: ASTM A131 (Rumpf-Baustahl) und verschiedene nationale Spezifikationen und Lieferdatenblätter. Äquivalente oder ähnliche Stähle können unter EN- und JIS-Systemen gefunden werden, aber die genauen Bezeichnungen unterscheiden sich.
- Materialklassifikation: AH32 und AH36 sind kohlenstoff-manganhaltige, hochfeste niedriglegierte (HSLA) Baustähle, die für den Schiffbau und den maritimen Bau (nicht rostfrei, kein Werkzeugstahl) vorgesehen sind.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die AH-Familie ist darauf ausgelegt, Festigkeit, Zähigkeit bei niedrigen Betriebstemperaturen und Schweißbarkeit auszubalancieren. Mikrolegierungen (Ti, Nb, V) und kontrollierte Zusätze von Mn und Si werden häufig verwendet, um die angestrebten mechanischen Eigenschaften ohne übermäßigen Kohlenstoff zu erzeugen.
Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) — indikativ und repräsentativ für die gängige Mühlenpraxis; tatsächliche garantierte Grenzen werden durch Spezifikation oder Klassifikationsgesellschaft festgelegt.
| Element | AH32 (typischer Bereich) | AH36 (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | ~0.10 – 0.20 | ~0.10 – 0.22 |
| Mn (Mangan) | ~0.50 – 1.60 | ~0.50 – 1.60 |
| Si (Silizium) | ~0.10 – 0.50 | ~0.10 – 0.50 |
| P (Phosphor) | ≤ ~0.035 (max) | ≤ ~0.035 (max) |
| S (Schwefel) | ≤ ~0.035 (max) | ≤ ~0.035 (max) |
| Cr (Chrom) | Spuren – ~0.30 | Spuren – ~0.30 |
| Ni (Nickel) | Spuren – ~0.50 | Spuren – ~0.50 |
| Mo (Molybdän) | Spuren – ~0.10 | Spuren – ~0.10 |
| V (Vanadium) | Spuren (Mikrolegierung) | Spuren (Mikrolegierung) |
| Nb (Niob) | Spuren (Mikrolegierung) | Spuren (Mikrolegierung) |
| Ti (Titan) | Spuren (Mikrolegierung) | Spuren (Mikrolegierung) |
| B (Bor) | Spuren (gelegentlich) | Spuren (gelegentlich) |
| N (Stickstoff) | Spuren (~0.010–0.015) | Spuren (~0.010–0.015) |
Hinweise: - Diese Bereiche sind indikativ. Exakte Zusammensetzungen hängen von der Mühlenpraxis, der Dicke, den Anforderungen des Käufers und den Regeln der Klassifikationsgesellschaft ab. - AH36 erreicht eine höhere spezifizierte Streckgrenze typischerweise durch eine engere Kontrolle der Walz-/thermomechanischen Verarbeitung und in einigen Fällen durch moderate Unterschiede in der Mikrolegierung oder Kühlstrategie, anstatt durch große Sprünge im Kohlenstoffgehalt.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff und Mangan erhöhen die Festigkeit und Härtbarkeit, können jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität verringern, wenn sie übermäßig erhöht werden. - Mikrolegierungselemente (Nb, V, Ti) verfeinern die Korngröße und bieten Ausscheidungsstärkung, was eine höhere Streckgrenze bei moderaten Kohlenstoffgehalten ermöglicht – dies ist ein wichtiger Weg zu höherer Festigkeit ohne große Verluste an Zähigkeit. - Si- und Spuren von Cu/Ni-Zusätzen können den atmosphärischen Korrosionswiderstand moderat verbessern und können die Festigkeit unterstützen, wenn sie mit TMCP (thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung) kombiniert werden.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Typische Mikrostruktur - Warmgewalzte und normalisierte AH32/AH36: überwiegend feine Ferrite und Perlit mit eingelagertem bainitischem oder akzessorischem Ferrit in TMCP-Produktformen. Die Mikrostruktur zielt auf ein feines ferritisches Korn ab, um die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu erhalten. - TMCP (thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung) wird häufig verwendet, um beide Sorten auf höheren Festigkeitsniveaus zu produzieren und gleichzeitig eine gute Zähigkeit zu bewahren. TMCP erzeugt feinen polygonalen Ferrit und Dispersionen von bainitischen/oberen Bainitmerkmalen und fördert die Nukleation von akzessorischem Ferrit im schweißbeeinflussten Bereich (HAZ).
Reaktion auf Wärmebehandlung - Diese Sorten werden normalerweise im warmgewalzten Zustand geliefert; eine Nachbehandlung nach dem Schweißen ist für große Schiffsstrukturen unüblich. - Normalisieren (Wiedererhitzen über A3 und Luftkühlung) kann grobes warmgewalztes Korn verfeinern und die Zähigkeit nach starker Bearbeitung wiederherstellen, wird jedoch normalerweise nicht bei großen Platten im Einsatz durchgeführt. - Härten und Anlassen sind keine Standardproduktions-/Reparaturprozesse für AH-Sorten und sind im Allgemeinen für spezialisierte hochfeste Stahlklassen reserviert; Härten & Anlassen würde die Klassifizierung und die Überlegungen zur Wasserstoffversprödung/Schweißbarkeit ändern. - TMCP und beschleunigte Kühlstrategien ermöglichen eine erhöhte Streckgrenze, ohne den Kohlenstoffgehalt erhöhen zu müssen – dies ist der gängige Weg, um die Leistung von AH36 zu erreichen.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische Bereiche mechanischer Eigenschaften (indikativ; exakte garantierte Werte werden durch Spezifikation, Dicke und Prüfung bestimmt).
| Eigenschaft | AH32 (typisch) | AH36 (typisch) |
|---|---|---|
| Mindeststreckgrenze (MPa) | ~315 MPa | ~355 MPa |
| Zugfestigkeit (MPa) | ~430 – 570 MPa | ~460 – 610 MPa |
| Dehnung (A, % in 200 mm oder spezifiziertem Maß) | ~20 – 22% | ~18 – 22% |
| Charpy-Schlagzähigkeit (J) | Spezifiziert bei niedrigen Temperaturen (z.B. -20 bis -40°C); hängt von der Dicke ab | Spezifiziert bei niedrigen Temperaturen (z.B. -20 bis -40°C); vergleichbar, kann jedoch Prozesskontrolle erfordern |
| Härte (HB) | Typischer Bereich hängt vom Zustand ab; moderat (niedriger als bei gehärteten Stählen) | Im Durchschnitt etwas höher aufgrund der höheren Streckgrenze |
Interpretation: - AH36 ist auf eine höhere Mindeststreckgrenze spezifiziert, was es zur stärkeren Sorte in Bezug auf das elastische/plastische Entwurfsgrenzverhältnis macht und dünnere Querschnitte oder eine höhere Tragfähigkeit ermöglicht. - Die Zähigkeit wird durch Verarbeitung und Chemie kontrolliert; beide Sorten können mit guten Zähigkeitseigenschaften bei niedrigen Temperaturen geliefert werden, aber höhere Festigkeitsziele (AH36) erfordern eine engere Kontrolle von Walzen und Kühlung, um einen Verlust an Zähigkeit zu vermeiden. - Die Duktilität (Dehnung) ist bei beiden Sorten ähnlich, obwohl sehr dicke Platten und höhere Streckgrenzen die Duktilität verringern können, wenn die Verarbeitung nicht verwaltet wird.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit konzentrieren sich auf den Kohlenstoffäquivalent und die Mikrolegierung. Niedrigerer Kohlenstoff und kontrollierte Legierung begünstigen das Schweißen; höhere Härtbarkeit erhöht das Risiko für HAZ-Martensit und Kaltverzug.
Übliche Schweißbarkeitsformeln (qualitativ für AH-Stähle interpretieren): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (detaillierter): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Sowohl AH32 als auch AH36 sind für das Schweißen konzipiert; ihre Kohlenstoffäquivalente werden moderat gehalten, indem Kohlenstoff begrenzt und die Mn/Cr/Ni-Gehalte kontrolliert werden. - AH36, aufgrund seiner höheren Streckgrenze/höheren Festigkeitsziele, kann ein leicht höheres Kohlenstoffäquivalent oder Mikrolegierungsgehalt haben und daher eine marginal höhere Empfindlichkeit gegenüber HAZ-Härtung und wasserstoffinduzierter Rissbildung aufweisen. Dies kann sorgfältigere Vor- und Nachschweißverfahren (z.B. Vorwärmen, kontrollierte Zwischentemperaturen und Wasserstoffkontrolle) für dickere Querschnitte erfordern. - Der Einsatz von wasserstoffarmen Verbrauchsmaterialien, eine ordnungsgemäße Fugenplanung und die Kontrolle von Einschränkungen und Vorwärmung verwalten typischerweise die Risiken von Schweißrissen in beiden Sorten.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder AH32 noch AH36 sind rostfrei; der Schutz vor atmosphärischer oder Meerwasserkorrosion wird durch Beschichtungen, kathodischen Schutz oder metallurgische korrosionsbeständige Beschichtungen erreicht.
- Typische Schutzsysteme: zinkreiche Grundierungen, Epoxid- und Polyurethanoberflächen, Feuerverzinkung (für kleinere Komponenten) und spezialisierte maritimen Beschichtungen für Rümpfe.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese Kohlenstähle nicht anwendbar, da PREN für die Einstufung von rostfreien Legierungen entwickelt wurde: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Für Schiffsrümpfe und exponierte Strukturen wird die Auswahl durch die Lebensdauer des Beschichtungssystems und die Reparierbarkeit bestimmt, nicht durch den metallurgischen Korrosionswiderstand des Basis-AH-Stahls.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Schneiden: Plasma-, Sauerstoffbrenn- und Laserschneiden werden verwendet; die leicht höhere Festigkeit und Härte von AH36 können die Schneidleistung und den Verschleiß von Verbrauchsmaterialien erhöhen.
- Formen und Biegen: Beide Sorten können in gängigen Plattenbiegemaschinen und Walzen geformt werden; AH36 kann aufgrund der erhöhten Streckgrenze größere Biegeradien oder höhere Formkräfte für die gleiche Dicke erfordern.
- Bearbeitbarkeit: AH-Sorten sind nicht für die Bearbeitung optimiert – höhere Festigkeit (AH36) erhöht den Werkzeugverschleiß und die erforderlichen Schneikräfte.
- Oberflächenbehandlung: Die Oberflächenvorbereitung für die Beschichtung ist für beide Sorten ähnlich; das Schleifen und Nachbearbeiten von Schweißnähten ist bei AH36 etwas anspruchsvoller, um glatte Kehlenprofile zu erreichen.
8. Typische Anwendungen
Tabelle: Häufige Verwendungen nach Sorte
| AH32 (häufige Verwendungen) | AH36 (häufige Verwendungen) |
|---|---|
| Allgemeine Rumpfverkleidung für moderate Festigkeitskonstruktionen | Primäre Rumpfverkleidung und Strukturmitglieder, wo eine höhere Streckgrenze erforderlich ist |
| Deck- und Aufbaublätter, wo Kosten und Formbarkeit priorisiert werden | Hochbelastete Halterungen, Stegrahmen, Schotten, die für reduzierte Dicke ausgelegt sind |
| Interne Versteifungen, Halterungen, nicht kritische Vorrichtungen | Schwere Rahmen, Träger, Elemente von Kollisionstrennwänden, Bereiche, die einen größeren Sicherheitsabstand zur Streckgrenze benötigen |
| Fertigungskomponenten, bei denen umfangreiche Formung/Biegen erforderlich ist | Schiffsteile, bei denen Gewichtseinsparungen durch dünnere Platten angestrebt werden |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie AH32, wenn Formen, Biegen oder Kosten wichtiger sind und die strukturellen Lasten die niedrigere Streckgrenze zulassen. Die etwas bessere Bearbeitbarkeit und die marginal niedrigeren Materialkosten können die Produktionszeit und den Aufwand reduzieren. - Wählen Sie AH36, wenn die Entlastungen, die Reduzierung des Querschnitts (Gewichtsersparnis) oder regulatorische/mitgliedschaftliche Anforderungen die höhere spezifizierte Streckgrenze erfordern. In vielen modernen Designs ermöglicht AH36 dünnere Platten, um die gleichen strukturellen Kriterien zu erfüllen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: AH36 hat typischerweise einen moderaten Aufpreis gegenüber AH32 aufgrund strengerer Prozesskontrollen, potenziell höherer Legierungs- oder TMCP-Verarbeitungsanforderungen und seiner höheren Leistungsklassifizierung.
- Verfügbarkeit: Beide Sorten sind weltweit häufig in Platten, Schnittlängen und manchmal in profilierten Abschnitten erhältlich. Sehr dicke Platten oder Spezialdicken können längere Lieferzeiten haben, und die Verfügbarkeit spezifischer Temperierungen oder schlagzäh getesteter Platten bei extrem niedrigen Temperaturen kann eingeschränkter sein.
- Einkaufstipp: Geben Sie Dicke, erforderliche Schlagprüfungstemperatur und Lieferzustand (z.B. TMCP) an, um genaue Angebote und Lieferzeitabschätzungen zu erhalten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Vergleichsübersicht
| Kategorie | AH32 | AH36 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet (sehr gut) | Sehr gut (erfordert etwas mehr HAZ/Kontrolle in dicken Abschnitten) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Gut | Höhere Streckgrenze; erfordert Prozesskontrolle, um die Zähigkeit zu erreichen |
| Kosten | Niedriger (typischerweise) | Höher (typischerweise) |
Empfehlung: - Wählen Sie AH32, wenn Ihr Design Formen, Biegen und niedrigere Einkaufskosten priorisiert und wenn das strukturelle Design die niedrigere Streckgrenze zulässt (geeignet für viele sekundäre Strukturkomponenten und nicht kritische Rumpfbereiche). - Wählen Sie AH36, wenn Sie eine höhere Mindeststreckgrenze benötigen, um die Querschnittsdicke zu reduzieren oder strengere strukturelle Anforderungen zu erfüllen (geeignet für die Hauptrumpfverkleidung, primäre tragende Mitglieder und wenn Gewichtseinsparungen oder erhöhte Entwurfsreserven die Haupttreiber sind).
Abschließende Anmerkung: Der praktische Unterschied zwischen AH32 und AH36 besteht hauptsächlich in einer Erhöhung der spezifizierten Streckgrenze für AH36, die durch kontrollierte Chemie und thermomechanische Verarbeitung erreicht wird, anstatt durch radikale Zusammensetzungsänderungen. Die Auswahl sollte die Verarbeitungsfähigkeit, die Schweißverfahren, die Anforderungen an die Schlagprüfung und die Lebenszykluskosten ausbalancieren. In Beschaffungs- und Entwurfsspezifikationen sollten immer die relevanten Regeln der Klassifikationsgesellschaft und die Materialzertifikate referenziert werden, um die Einhaltung der eigenschaftsabhängigen Anforderungen an die Dicke sicherzustellen.