BH180 vs BH220 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner wägen häufig Kompromisse zwischen Festigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit, Kosten und Verfügbarkeit ab, wenn sie Baustähle auswählen. BH180 und BH220 sind zwei eng verwandte kommerzielle Stahlgüten, die häufig verglichen werden, wenn ein Design eine niedrig- bis mittelstarke Strukturplatte oder -band erfordert, bei der Formbarkeit und Kosten wichtig sind. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl zwischen kostengünstigerem, leichter zu formendem Material für leichte Strukturkomponenten und einer höherfesten Option, wenn eine größere Tragfähigkeit oder dünnere Querschnitte gewünscht sind.
Das primäre Unterscheidungsmerkmal zwischen BH180 und BH220 ist ihr Entwurfsertrag: BH220 ist für eine höhere Mindeststreckgrenze als BH180 spezifiziert. Da die Streckgrenze die zulässigen Entlastungsstresswerte, Fertigungsstrategien und manchmal nachgelagerte Kaltumform- und Fügeverfahren bestimmt, werden diese Güten häufig in Entwurfs- und Fertigungsspezifikationen verglichen.
1. Normen und Bezeichnungen
- Gemeinsame Normen, in denen ähnliche ertragsbasierte Güten erscheinen: nationale Normen wie GB (China), JIS (Japan), EN (Europa) und ASTM/ASME (USA). Spezifische Güternamen und Nummerierungskonventionen unterscheiden sich je nach Rechtsordnung; die Bezeichnung "BH" wird am häufigsten in asiatischen Normen und Lieferantenkatalogen für warmgewalzte und kaltgewalzte Baustähle verwendet.
- Klassifizierung nach Stahlfamilie:
- BH180: typischerweise ein niedrig- bis mittelstarker Kohlenstoff- oder mikrolegierter Baustahl (nicht rostfrei).
- BH220: typischerweise ein mittelstarker Kohlenstoff- oder mikrolegierter Baustahl (nicht rostfrei).
- Dies sind keine Werkzeugstähle, rostfreien Stähle oder hochlegierten Güten; sie werden normalerweise als Kohlenstoff/mikrolegierte Baustähle behandelt (ähnlich wie Weichstahl oder HSLA, abhängig vom Mikrolegierungsgehalt).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Nachfolgend ist eine repräsentative Zusammensetzungstabelle aufgeführt, die Elemente zeigt, die häufig für niedrig- bis mittelstarke Baustähle spezifiziert werden. Die tatsächlichen Zusammensetzungen variieren je nach Anbieter und Norm. Bestätigen Sie immer das Materialzertifikat des Herstellers.
| Element | Typischer Bereich (Gew%) — BH180 | Typischer Bereich (Gew%) — BH220 |
|---|---|---|
| C | 0.06–0.18 | 0.08–0.20 |
| Mn | 0.30–1.20 | 0.40–1.20 |
| Si | 0.02–0.40 | 0.02–0.40 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.30 (optional) | ≤ 0.30 (optional) |
| Ni | ≤ 0.30 (optional) | ≤ 0.30 (optional) |
| Mo | ≤ 0.10 (optional) | ≤ 0.10 (optional) |
| V | Spuren–0.10 (mikrolegierte Varianten) | Spuren–0.10 (mikrolegierte Varianten) |
| Nb | Spuren–0.06 (mikrolegierte Varianten) | Spuren–0.06 (mikrolegierte Varianten) |
| Ti | Spuren (Entgasung/Stabilisierung) | Spuren (Entgasung/Stabilisierung) |
| B | ppm-Werte, falls verwendet | ppm-Werte, falls verwendet |
| N | typischerweise ≤ 0.012 | typischerweise ≤ 0.012 |
Hinweise: - Dies sind repräsentative Bereiche, die in niedrig- und mittelstarken Baustählen verwendet werden. Mikrolegierungselemente wie V, Nb, Ti können absichtlich in geringen Mengen hinzugefügt werden, um die Korngröße, die Ausscheidungsstärkung und die Zähigkeit zu kontrollieren, ohne den Kohlenstoffäquivalent signifikant zu erhöhen. - Höherer Kohlenstoff oder absichtliche Zusätze von Cr, Ni oder Mo würden die Güte in Richtung legierte Stähle verschieben und die Schweißbarkeit und Wärmebehandlungsreaktion verändern.
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Kohlenstoff: primärer Beitrag zur Härtbarkeit und Festigkeit; höherer Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit. - Mangan: erhöht Festigkeit und Härtbarkeit und kompensiert Schwefelversprödung; zu viel schadet der Formbarkeit. - Silizium: Entgasungsmittel; kleine Mengen können die Festigkeit erhöhen. - Mikrolegierung (V, Nb, Ti): Kornverfeinerung und Ausscheidungsstärkung, Verbesserung der Streckgrenze und Zähigkeit ohne große Erhöhungen des Kohlenstoffs.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Typische Mikrostrukturen für BH-Güten im bearbeiteten Zustand: - BH180: normalerweise eine Ferrit-Perlit-Mikrostruktur im gewalzten Zustand mit relativ groben Körnern, wenn nicht mikrolegiert; mikrolegierte Varianten zeigen feineren Ferrit mit dispergierten Karbiden/Nitriden. - BH220: oft ähnliche Ferrit-Perlit-Basis, jedoch mit einem größeren Anteil an verformten oder ausscheidungsstärkenden Phasen (z. B. feinerer Ferrit, mehr dispergierte Ausscheidungen), entweder durch Zusammensetzung (etwas höherer C/Mn) oder kontrollierte thermo-mechanische Verarbeitung.
Auswirkungen gängiger Verarbeitungswege: - Normalisieren: verfeinert die Korngröße und homogenisiert die Mikrostruktur, verbessert die Zähigkeit und manchmal die Festigkeit moderat. Beide Güten profitieren vom Normalisieren, wenn höhere Zähigkeit erforderlich ist. - Härten & Anlassen: im Allgemeinen nicht wirtschaftlich oder notwendig für BH-Güten; Q&T würde diese Materialien in gehärtete und angelassene Mikrostrukturen (angelassene Martensite/angelassene Bainite) mit viel höherer Festigkeit und reduzierter Duktilität im Vergleich zur beabsichtigten Strukturklasse überführen. - Thermo-mechanische Kontrollverarbeitung (TMCP): wird häufig auf BH220 angewendet, um eine höhere Streckgrenze durch kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen zu erreichen, wodurch verfeinerter Ferrit mit Ausscheidungsstärkung erzeugt wird, während Duktilität und Zähigkeit erhalten bleiben.
Zusammenfassend wird BH220 entweder durch einen leicht höheren Legierungsgehalt oder durch aggressivere TMCP hergestellt, um eine höhere Streckgrenze zu erreichen, während akzeptable Zähigkeit und Formbarkeit erhalten bleiben.
4. Mechanische Eigenschaften
Repräsentative mechanische Eigenschaftsbereiche für BH180 und BH220 in gängigen Produktformen (Platte/Band). Bestätigen Sie die tatsächlichen Werte im Prüfzeugnis der Walzerei.
| Eigenschaft | BH180 (typisch) | BH220 (typisch) |
|---|---|---|
| Festgelegte Mindeststreckgrenze (0.2% Offset) | ~180 MPa | ~220 MPa |
| Zugfestigkeit (Rm) | ~300–420 MPa | ~360–520 MPa |
| Dehnung (A%) | ~20–30% | ~16–25% |
| Schlagzähigkeit (Charpy-V-Kerbe, typisch bei Raumtemperatur) | Gut; abhängig von Dicke/Prozess | Vergleichbar oder leicht niedriger, wenn die Festigkeit durch Legierung oder TMCP erreicht wird |
| Härte (HB) | Niedrig bis moderat (~100–160 HB) | Moderat (~130–190 HB) |
Interpretation: - Festigkeit: BH220 hat eine höhere festgelegte Streckgrenze und im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit als BH180, was dünnere Querschnitte für die gleiche Last ermöglicht. - Duktilität & Zähigkeit: BH180 ist tendenziell duktiler und leichter zu formen; BH220 kann so konstruiert werden, dass eine gute Zähigkeit erhalten bleibt, aber höherfeste Varianten tauschen oft etwas Dehnung gegen Streckgrenze ein. - Entwurfsimplikation: Wählen Sie BH220 für höhere Tragfähigkeit oder reduzierte Querschnittsdicke; wählen Sie BH180, wenn Formen, Biegen oder Energieabsorption priorisiert werden.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt, die kombinierte Legierung (Härtbarkeit) und Rückstände beeinflusst. Zwei nützliche empirische Indizes:
-
Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Modifiziertes Pcm (zur Beurteilung der Kaltverzugsempfindlichkeit): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Niedrigere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte implizieren eine einfachere Schweißbarkeit und ein geringeres Risiko von wasserstoffinduzierten Kaltverzügen. - BH180 hat typischerweise ein niedrigeres Kohlenstoffäquivalent als BH220, wenn BH220 die Streckgrenze durch leicht höheren C/Mn oder zusätzliche Mikrolegierung erreicht; daher ist BH180 oft marginal einfacher zu schweißen, ohne Vorwärmen. - Mikrolegierung (Nb, V) kann die Härtbarkeit lokal erhöhen und kontrollierte Schweißverfahren (geringerer Wärmeinput, Vorwärmen/Nachwärmen) für dickere Querschnitte erforderlich machen. - Praktische Anleitung: Bewerten Sie die Fugenstärke, Wasserstoffkontrolle und das Schweißverfahren; beim Schweißen von BH220 sollten Sie Vorwärmen, Temperaturkontrolle zwischen den Durchgängen und passende Füllmaterialien in Betracht ziehen, um spröde HAZ-Mikrostrukturen zu vermeiden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder BH180 noch BH220 sind rostfreie Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist typisch für Kohlenstoffstähle. Die Exposition gegenüber feuchten oder korrosiven Umgebungen erfordert einen Oberflächenschutz.
- Gemeinsame Schutzstrategien:
- Feuerverzinkung für atmosphärische Korrosionsbeständigkeit.
- Organische Beschichtungen/Farben für architektonische oder marine-nahe Anwendungen (mit entsprechender Oberflächenvorbereitung).
- Verkleidung oder Beschichtung in besonders korrosiven Umgebungen.
- PREN ist nicht anwendbar, da dies keine rostfreien Güten sind. Der Vollständigkeit halber ist der für rostfreie Stähle verwendete PREN-Index: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ aber dies gilt nicht für niedriglegierte Kohlenstoffstähle.
- Wenn Korrosionsbeständigkeit im Design erforderlich ist, ziehen Sie in Betracht, auf eine geeignete rostfreie Güte umzusteigen oder geeignete Beschichtungen anzuwenden; diese Überlegungen werden die Lebenszykluskosten stark beeinflussen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: BH180 bietet im Allgemeinen eine bessere Kaltumformung (Biegen, Ziehen) aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und höheren Dehnung. BH220 kann geformt werden, erfordert jedoch möglicherweise größere Biegeradien oder Zwischenanlassen für tiefes Ziehen.
- Bearbeitbarkeit: Beide Güten sind mit Standardwerkzeugen bearbeitbar; höhere Festigkeit (BH220) kann den Werkzeugverschleiß und die Schnittkräfte erhöhen. Wählen Sie Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, die zur Festigkeit und Härte passen.
- Schnitt- und thermische Prozesse: Plasma-, Brenngas- und Laserschneiden werden häufig verwendet; dickere BH220-Abschnitte erfordern möglicherweise angepasste Parameter aufgrund höherer Festigkeit und möglicher thermischer Rissanfälligkeit.
- Oberflächenfinish/Fertigung: BH180 kann feinere Oberflächenfinish zu etwas niedrigeren Kosten akzeptieren, da die Bearbeitung einfacher und die Härte geringer ist.
8. Typische Anwendungen
| BH180 — Typische Anwendungen | BH220 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Leichte Strukturabschnitte, allgemeine Fertigung, Innenverkleidungen von Automobilen, Niedriglastträger, leichte Rahmen | Mittelschwere Strukturkomponenten, Chassisteile, Rahmen, die höhere Streckgrenzen erfordern, Förderstrukturen, bei denen dünnere Stärken gewünscht sind |
| Verbrauchsgüter, bei denen Formbarkeit und Kosten priorisiert werden | Landwirtschafts- und Baumaschinen, bei denen ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erforderlich ist |
| Beschichtete oder verzinkte architektonische Komponenten mit moderaten Lasten | Komponenten, die von der durch TMCP erzeugten Festigkeit mit erhaltenen Zähigkeit profitieren (z. B. Anhängerrahmen, mittelschwere Tragelemente) |
Auswahlbegründung: - BH180: gewählt, wo Formen, Energieabsorption und Kosten im Vordergrund stehen; dickere Abschnitte können verwendet werden, um die Festigkeit zu erreichen. - BH220: gewählt, wo Gewichtseinsparungen, höhere zulässige Spannungen oder dünnere Abschnitte gewünscht sind, während weiterhin ein Kohlenstoff/mikrolegierter Stahl verwendet wird.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: BH220 ist typischerweise moderat teurer als BH180 pro Masseneinheit aufgrund höherer Verarbeitung (TMCP) oder leicht höherer Legierung; jedoch kann BH220 die Gesamtkosten des Teils senken, indem es eine reduzierte Dicke ermöglicht.
- Verfügbarkeit: Beide sind in regionalen Märkten, in denen diese Bezeichnungen verwendet werden, häufig in Platten- und Bandformen erhältlich; genaue Produktformen und Bandbreiten variieren je nach Walzwerk und Region. BH180 oder Äquivalente sind fast universell vorrätig; BH220 kann in einigen Märkten je nach Nachfrage auf Bestellung produziert werden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | BH180 | BH220 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedrigeres Kohlenstoffäquivalent in vielen Fällen) | Gut, erfordert jedoch möglicherweise strengere Kontrollen für dickere Abschnitte |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Niedrigere Streckgrenze, höhere Duktilität | Höhere Streckgrenze, potenziell ähnliche Zähigkeit, wenn TMCP; weniger duktil |
| Kosten | Niedrigere Materialkosten pro Tonne | Höhere Materialkosten pro Tonne, können jedoch das Teilgewicht/-kosten reduzieren |
Empfehlungen: - Wählen Sie BH180, wenn Sie eine einfache Formung und Schweißbarkeit, höhere Duktilität benötigen und die Anwendung eine niedrigere Streckgrenze toleriert – Beispiele: leichte Strukturteile, stark geformte Komponenten und wo Kosten ein primärer Faktor sind. - Wählen Sie BH220, wenn Sie eine höhere Mindeststreckgrenze benötigen, um die Querschnittsdicke oder Masse zu reduzieren, während Sie eine angemessene Zähigkeit beibehalten – Beispiele: mittelschwere Strukturmitglieder, Rahmen oder Anwendungen, bei denen Gewichtseinsparungen wichtig sind.
Letzte Anmerkung: BH180 und BH220 sind ertragsbasierte Optionen innerhalb der breiteren Familie von Kohlenstoff- und mikrolegierten Baustählen. Für jedes kritische Design verifizieren Sie die genaue chemische Zusammensetzung und die mechanischen Prüfzeugnisse des Lieferanten, bestätigen Sie die geltenden nationalen oder Projektstandards und validieren Sie die Schweiß- und Formverfahren durch Versuche oder Empfehlungen des Lieferanten.