AH32 vs DH32 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einleitung
AH32 und DH32 sind zwei gängige Schiffbaustähle aus hochfestem, niedrig legiertem Stahl (HSLA), die für Rumpfstrukturen, Decks und andere tragende Komponenten im maritimen sowie Offshore-Bereich eingesetzt werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Kompromisse zwischen Festigkeit, Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie eine Auswahl zwischen beiden Stählen treffen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl eines Plattengrades für gemäßigte im Vergleich zu kalten Klimazonen, den Ausgleich zwischen Fertigungserleichterungen und erforderlicher Schlagzähigkeit sowie die Spezifikation von Material für geschweißte Strukturen, bei denen die Zähigkeit nach dem Schweißen entscheidend ist.
Der wesentliche praktische Unterschied zwischen AH32 und DH32 liegt im vorgesehenen Einsatztemperaturbereich und den damit verbundenen Anforderungen an die Zähigkeit: DH32 wird so spezifiziert und verarbeitet, dass eine höhere garantierte Schlagzähigkeit bei niedrigeren Einsatztemperaturen erreicht wird als bei AH32. Daher erfordert DH32 oft eine strengere Kontrolle der Zusammensetzung und Verarbeitung (thermomechanische Kontrollbearbeitung, TMCP), um eine zuverlässige Leistung bei niedrigen Temperaturen sicherzustellen, während AH32 für gemäßigte Einsatzbedingungen mit vergleichbarer statischer Festigkeit, jedoch weniger strengen Anforderungen an die Zähigkeit bei tiefen Temperaturen optimiert ist.
1. Normen und Bezeichnungen
- Wesentliche Klassifikations- und nationale Normen, die AH32- und DH32-ähnliche Schiffbaustähle beinhalten:
- Klassifikationsgesellschaften: ABS, DNV/GL, Lloyd’s Register (entsprechende Bezeichnungen finden sich bei allen Gesellschaften).
- Nationale Normen: GB (China), JIS (Japan) und ISO-Technische Dokumente; viele Gesellschaften liefern gleichzeitig anerkannte Grade-Bezeichnungen.
- Werkstoffklasse: Sowohl AH32 als auch DH32 sind unlegierte, niedrigkohlenstoffhaltige mikrolegierte HSLA-Stähle, die für strukturelle Anwendungen in Schiffen und Offshore-Anlagen entwickelt wurden. Es handelt sich nicht um Werkzeugstähle oder Edelstahle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | AH32 (typische Strategie) | DH32 (typische Strategie) |
|---|---|---|
| C | Niedriger Kohlenstoffgehalt für Schweißbarkeit und Zähigkeit | Niedriger Kohlenstoffgehalt, oft gleich oder leicht niedriger als bei AH32 zur Förderung der Zähigkeit bei Kälte |
| Mn | Moderater Mangananteil zur Erhöhung von Festigkeit und Härtbarkeit | Moderater Mangananteil, kontrolliert zur Begrenzung der Härtbarkeit und Verringerung der Kältebruchneigung |
| Si | Geringe Mengen als Entoxidationsmittel | Geringe Mengen als Entoxidationsmittel |
| P | Niedrig gehalten (Verunreinigungskontrolle) | Niedrig gehalten; strenge Grenzwerte für Zähigkeit |
| S | Niedrig gehalten (Verunreinigungskontrolle) | Niedrig gehalten; strenge Grenzwerte für Zähigkeit |
| Cr | In der Regel minimal; nur verwendet, wenn erforderlich | In der Regel minimal; kein primärer Legierungsstoff zur Härtung |
| Ni | Normalerweise nicht in signifikanten Mengen vorhanden | Minimal oder nicht vorhanden in typischen kommerziellen Zusammensetzungen |
| Mo | Normalerweise nicht signifikant | Normalerweise nicht signifikant |
| V | Kann als Mikrolegierungselement zur Festigkeit vorhanden sein | Kann als Mikrolegierung verwendet werden, um Kornfeinung und Zähigkeitsverbesserung zu erzielen |
| Nb (Cb) | Verwendet als Mikrolegierung (Kornfeinung, Ausscheidungshärtung) | Oft spezifiziert oder präzise kontrolliert zur Optimierung der Zähigkeit bei tiefen Temperaturen mit TMCP |
| Ti | Kleine Mengen zur Entoxidation/Ausscheidungskontrolle | Kleine Mengen; kontrolliert, um nachteilige Auswirkungen auf die Zähigkeit zu vermeiden |
| B | In der Regel nicht vorhanden oder streng kontrolliert | In der Regel nicht vorhanden oder streng kontrolliert |
| N | Kontrolliert (niedrig), um nitridebedingte Zähigkeitsminderungen zu vermeiden | Kontrolliert (niedrig); Qualitätskontrolle für höhere Zähigkeit entscheidend |
Hinweise: - Beide Grade sind als niedrigkohlenstoffhaltige mikrolegierte Stähle konzipiert. Die Legierungsstrategie konzentriert sich auf kontrollierte Verunreinigungen (P, S, N) und Mikrolegierungszusätze (Nb, V, Ti), um eine feinkörnige ferritische Mikrostruktur zu erzielen, die hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit verbindet. - DH32-Spezifikationen schreiben tendenziell strengere Grenzwerte für Verunreinigungen und teilweise engere Bereiche für Mikrolegierungszusätze vor, um die Leistung bei tieferen Temperaturen zu gewährleisten.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsverhalten
- Typische Mikrostrukturen:
- AH32: Feinkörniger Ferrit und polygonaler Ferrit mit verteiltem Perlit- oder bainitischem Gefüge, abhängig vom TMCP. Die Mikrostruktur ist ausgewogen zwischen Festigkeit und Duktilität bei moderaten Temperaturen.
- DH32: Ähnliche ferritisch-perlitische oder ferritisch-bainitische Mikrostruktur, jedoch verarbeitet (TMCP), um feineres Korn und günstige Umwandlungsprodukte zu fördern, die die Schlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen verbessern.
- Wärmebehandlungs- und Verarbeitungseinflüsse:
- Normalglühen: Erhöht die Gleichmäßigkeit und verfeinert die Korngröße im Vergleich zum gewalzten Zustand; kann bei beiden Graden angewendet werden, aber TMCP ist in der Plattenproduktion gebräuchlicher und wirtschaftlicher.
- Thermomechanische Kontrollbearbeitung (TMCP): Weit verbreitet für beide Grade in modernen Plattenwalzwerken. Für DH32 werden TMCP-Parameter häufig angepasst, um einen höheren Anteil an nadelartigem Ferrit/bainitischer Mikrostruktur und eine feinere Austenitkornfeinung zu erzielen, was die Zähigkeit bei tiefen Temperaturen verbessert.
- Abschrecken und Anlassen: Für große Schiffsplatten untypisch; falls angewendet, erhöht dies die Festigkeit, kann jedoch die Duktilität verringern und Schweißverfahren erschweren. Beide Grade werden primär durch kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen hergestellt, nicht durch vollständige Abschreck- und Anlaszyklen.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | AH32 (allgemeine Erwartung) | DH32 (allgemeine Erwartung) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Vergleichbare hohe Festigkeit typisch für HSLA-Platten der Klasse „32“ | Vergleichbar; nicht signifikant höher als bei AH32 bei statischer Festigkeit |
| Streckgrenze | Ähnlich wie bei AH32 (Plattenklassen-Streckgrenze) | Ähnlich; DH32 entspricht den Anforderungen der Streckgrenzenklasse |
| Elongation | Gute Duktilität typisch für HSLA-Platten | Gute Duktilität; vergleichbar mit AH32 |
| Schlagzähigkeit | Ausgelegt für moderate Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen | Verbesserte Schlagzähigkeit bei niedrigeren Temperaturen (Hauptunterscheidungsmerkmal) |
| Härte | Moderat (schweiß- und umformverträglich) | Ähnlich; nicht als hochfester Stahl ausgelegt |
Interpretation: - Die statischen Festigkeitseigenschaften (Streck- und Zugfestigkeit) sind bei beiden Graden im Wesentlichen vergleichbar, da sie derselben Festigkeitsklasse angehören; die wesentliche mechanische Differenzierung liegt in der Schlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen, bei der DH32 für höhere Energieaufnahme spezifiziert ist. - Duktilität und Bruchdehnung sind ähnlich; Mikrolegierungen und TMCP-Kontrolle zielen darauf ab, Duktilität zu bewahren und gleichzeitig die Zähigkeit im Kälteinsatz bei DH32 zu verbessern.
5. Schweißbarkeit
- Einflussgrößen auf die Schweißbarkeit: Kohlenstoffgehalt, effektive Härtbarkeit (Mn und Legierungselemente), Mikrolegierungen (Nb, V, Ti) und Verunreinigungsgrade (P, S, N). Höhere Härtbarkeit und höherer Kohlenstoffäquivalentwert (CE) erhöhen das Risiko von Kältebrüchen und den Vorwärmebedarf.
- Gängige Kohlenstoffäquivalente und Schweißbarkeitskennzahlen zur qualitativen Interpretation:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretation:
- Sowohl AH32 als auch DH32 sind auf gute Schweißbarkeit ausgelegt: Niedriger Kohlenstoffgehalt und kontrollierte Legierungen halten $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ relativ niedrig im Vergleich zu vergüteten Stählen.
- Die strengere Verunreinigungskontrolle und TMCP-gesteuerte Mikrostruktur von DH32 können die Anfälligkeit für Kältebrüche reduzieren, allerdings können einige Verarbeitungsausführungen (Mikrolegierungsgehalt und Dicke) die Härtbarkeit im Vergleich zu AH32 leicht erhöhen. Daher sollten Schweißverfahrensspezifikationen (Vorwärmen, Zwischenlagentemperatur, Schweißzusätze und ggf. Nachwärmebehandlung) auf Plattendicke, Schweißenergie und CE/Pcm-Berechnungen abgestimmt sein.
- Praktische Wirkung: Beide Grade sind mit Standardverfahren für Schiffbaustahl gut schweißbar, wobei DH32 in dickeren Bauteilen oder hochgespannten Verbindungen eine etwas konservativere Vorwärme- und Zwischenlagentemperaturkontrolle erfordern kann, um die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu erhalten.
6. Korrosionsschutz und Oberflächenbehandlung
- Sowohl AH32 als auch DH32 sind Kohlenstoff/HSLA-Stähle (nicht rostfrei). Sie sind auf Oberflächenschutzsysteme zur Korrosionsbeständigkeit angewiesen:
- Übliche Schutzmaßnahmen: Strahlen und Grundierungen/Epoxyd-/Polyurethan-Beschichtungen, Feuerverzinkung (für kleine Bauteile) sowie Opferanoden in maritimen Umgebungen zur Korrosionskontrolle bei Offshore-Strukturen.
- Edelstahl-spezifische Kennzahlen (z. B. PREN) sind für diese nicht rostfreien Baustähle nicht anwendbar. Falls eine Edelstahl-Performance erforderlich ist, wird ein Edelstahl mit PREN-Berechnung ausgewählt:
- Beispiel für PREN bei Edelstahllegierungen (hier nicht anwendbar): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Auswahlhinweise:
- Die Korrosionsschutzstrategie ist unabhängig von der Wahl zwischen AH32 und DH32; letztere wird durch mechanische Anforderungen und Zähigkeit gesteuert. Für exponierte Rümpfe und raue maritime Umgebungen sind Beschichtungen und kathodischer Schutz entsprechend der erwarteten Lebensdauer und Wartungsintervalle zu wählen.
7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit
- Fertigung:
- Beide Güten lassen sich innerhalb typischer Blechumformgrenzen gut formen und biegen; Federhärte und Biegeradien entsprechen den üblichen Richtlinien für HSLA-Stähle. DH32 kann beim sehr kalten Umformen etwas anspruchsvoller sein, da der Fokus auf Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen liegt, jedoch sind die Unterschiede gering.
- Bearbeitbarkeit:
- Beide sind nicht für Hochgeschwindigkeitszerspanung optimiert; die Bearbeitbarkeit entspricht typischen niedriglegierten HSLA-Stählen – gut mit geeigneten Werkzeugen und Kühlschmierstoffen. Mikrolegierungselemente, die die Festigkeit erhöhen, können die Bearbeitbarkeit marginal reduzieren.
- Oberflächenbehandlung:
- Schleifen, Fasen und Kantenvorbereitung erfolgen nach Standardverfahren. Die Auswahl der Schweißzusatzwerkstoffe sollte für beide Güten der Zähigkeit und Chemie des Grundwerkstoffs entsprechen.
8. Typische Anwendungen
| AH32 (typische Anwendungen) | DH32 (typische Anwendungen) |
|---|---|
| Rumpfbleche und Decks für gemäßigte Einsatzbedingungen | Rumpfbleche und Tragstrukturen für kältere Klimazonen oder arktische/naharktische Einsatzbedingungen |
| Allgemeine Schiffstragwerke mit moderater Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen | Offshore-Plattformen und Schiffe mit garantierter Schlagzähigkeitsleistung bei niedrigen Temperaturen |
| Aufbauten und Innenaufbauten mit geringeren Anforderungen an Zähigkeit bei Kälte | Bereiche mit hohen Zähigkeitsanforderungen (z. B. Doppelböden, Innenboden, dort wo Bruchgefahr bei Kälte höher ist) |
| Kostensensible Projekte, bei denen Standard-HSLA-Leistung ausreichend ist | Projekte mit Priorität auf Bruchsicherheit bei Kälte und größeren Bruchstopp-Distanzen |
Auswahlbegründung: - AH32 wählen für kosteneffektive, hochfeste Tragstrukturen in gemäßigten Umgebungen, in denen Standard-Schlagzähigkeit ausreichend ist. - DH32 wählen, wenn Auslegungslast und Einsatztemperatur eine höhere garantierte Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordern – diese Wahl dient der Risikominderung gegenüber sprödem Bruch im Kaltbetrieb.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relative Kosten:
- AH32 ist in der Regel preislich etwas günstiger als DH32 pro Tonne, da DH32 strengere Stahlerzeugungskontrollen, präziseres TMCP und strengere Prüfungen auf Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen benötigt.
- Verfügbarkeit nach Produktform:
- Platten und in einigen Märkten auch Coils in AH32 und DH32 sind üblicherweise von Schiffsbau-Blechwerken erhältlich; die Verfügbarkeit hängt von der Fähigkeit des Werks ab, TMCP-Platten zu liefern, sowie von der regionalen Nachfrage.
- Lieferzeiten: DH32 kann längere Lieferzeiten oder Mindestbestellmengen aufweisen, wenn das Werk spezielle Prozesskontrollen oder zusätzliche Prüfungen einplanen muss.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | AH32 | DH32 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Hoch (Standard HSLA-Verfahren) | Hoch, aber ggf. etwas konservativere Vorheiz-/Zwischenlagentemperaturen bei dicken, stark spannungsbehafteten Nähten erforderlich |
| Festigkeits-Zähigkeitsbalance | Hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit bei moderaten Temperaturen | Ähnliche statische Festigkeit mit überlegener garantierter Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen |
| Kosten | Niedriger (generell) | Höher (Aufwendungen für Prozess und Prüfungen) |
Empfehlung: - AH32 empfehlen wir, wenn eine robuste, kostengünstige HSLA-Schiffsbauplatte für gemäßigte Einsatzbedingungen benötigt wird, bei denen standardmäßige Schlagzähigkeit die Entwurfsanforderungen erfüllt und Fertigungskosten wichtig sind. - DH32 empfiehlt sich für Strukturen in kälteren Umgebungen oder wenn Auslegungsnormen/Kunden eine höhere garantierte Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen verlangen; wählen Sie DH32, wenn das Risiko spröder Brüche und eine höhere Bruchstopp-Wirkung eine Rolle spielen.
Praktischer Abschlusstipp: Konsultieren Sie stets die spezifische Klassifikationsgesellschaft oder nationale Norm für die genauen chemischen Grenzwerte, mechanischen Eigenschaftstabellen und erforderlichen Kerbschlagbiegeversuchstemperaturen für AH32- und DH32-Äquivalente. Schweißanweisungen (WPS), Wärmeeintragbegrenzungen und zerstörungsfreie Prüfanforderungen sollten unter Verwendung der tatsächlichen Werkszeugnisse und projektspezifischen Temperaturanforderungen ausgearbeitet werden.