DNV AH36 vs EH36 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
DNV (und andere maritime Klassifikationsgesellschaften) listen AH36 und EH36 unter den häufig spezifizierten hochfesten Schiffbaustählen auf, die für Rümpfe, Decks und andere primäre Strukturteile verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen routinemäßig Abwägungen wie Kosten im Vergleich zu garantierter Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, Schweißbarkeit im Vergleich zu Festigkeit und Produktionsweg (TMCP im Vergleich zu konventionellem Walzen) ab, wenn sie zwischen diesen beiden Güten auswählen.
Der zentrale praktische Unterschied besteht darin, dass EH36 für signifikant bessere Zähigkeitsleistungen bei niedrigen Temperaturen qualifiziert ist als AH36; beide Güten bieten vergleichbare statische Festigkeit, aber EH36 hat explizite Anforderungen an Zähigkeitsprüfungen für kältere Einsatzbedingungen. Da ihre chemischen Zusammensetzungen und Streckgrenzen/Zugfestigkeitsgrenzen nahe beieinander liegen, hängt die Entscheidung oft von der beabsichtigten Betriebstemperatur, den Schweiß- und Fertigungspraktiken sowie dem Budget ab.
1. Normen und Bezeichnungen
Wichtige Normen, die AH36 und EH36 (oder deren Äquivalente) definieren, umfassen: - ASTM A131 / ASME: Schiffbaustahlgüten AH36, DH36, EH36. - DNV (Det Norske Veritas) Klassennotierung verwendet äquivalente Bezeichnungen und Akzeptanzkriterien, die mit den Anforderungen an maritime Strukturen übereinstimmen. - EN / JIS / GB: äquivalente EN/ISO / JIS Schiffbaustähle existieren (z. B. S355 Typ HSLA-Stähle), aber eine direkte Eins-zu-eins-Zuordnung erfordert Aufmerksamkeit für die Prüftemperaturen und Dickengrenzen. Klassifizierung: Sowohl AH36 als auch EH36 sind hochfeste niedriglegierte (HSLA) Strukturkohlenstoffe, die für den Schiffbau optimiert sind — nicht rostfrei, nicht Werkzeugstahl.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle listet typische Zusammensetzungsbereiche (%) auf, die häufig mit AH36 und EH36 in Verbindung gebracht werden, wie sie nach Schiffbauspezifikationen hergestellt werden. Exakte Grenzen variieren je nach Normversion und Walzpraxis; konsultieren Sie die geltende Norm oder das Werkszertifikat für garantierte Werte.
| Element | AH36 (typischer Bereich, Gew.% ) | EH36 (typischer Bereich, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | 0.12–0.20 | 0.10–0.18 |
| Mn | 1.00–1.60 | 1.00–1.60 |
| Si | 0.10–0.50 | 0.10–0.50 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | Spuren – 0.30 | Spuren – 0.30 |
| Ni | Spuren – 0.30 | Spuren – 0.30 |
| Mo | Spuren – 0.08 | Spuren – 0.08 |
| V | Spuren – 0.06 | Spuren – 0.06 |
| Nb (Cb) | Spuren – 0.05 | Spuren – 0.05 |
| Ti | Spuren – 0.02 | Spuren – 0.02 |
| B | Spuren | Spuren |
| N | Spuren | Spuren |
Hinweise: - AH36 und EH36 werden typischerweise durch thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP) oder Walzen mit strenger Kontrolle von Kohlenstoff und Mikrolegierung hergestellt, um das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen. - EH36 kann mit leicht niedrigeren Kohlenstoffäquivalenten und strengerer Kontrolle von Einschlüsse und Korngröße verarbeitet werden, um die Anforderungen an die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu erfüllen. - Legierungsstrategie: niedriger Kohlenstoff + kontrolliertes Mn und Mikrolegierung (Nb, V, Ti) fördern feine Ferrit-Perlit- oder bainitische Mikrostrukturen, die die Festigkeit verbessern, ohne die Härtbarkeit erheblich zu erhöhen, was die Schweißbarkeit beeinträchtigen würde.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff: erhöht Festigkeit/Härtbarkeit, verringert jedoch Schweißbarkeit und Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, wenn er erhöht wird. - Mangan: verstärkt, erhöht jedoch die Härtbarkeit; kontrollierte Werte unterstützen die Zähigkeit. - Mikrolegierung (Nb, V, Ti): ermöglicht Ausfällungsstärkung und Kornverfeinerung — verbessert die Streckgrenze und Zähigkeit ohne hohen Kohlenstoff. - Niedriges P und S sowie kontrollierte Einschlüsse sind entscheidend für die Charpy-Zähigkeitsleistung, insbesondere für EH36.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Beide Güten sind so konzipiert, dass sie feine ferritische oder bainitische Mikrostrukturen aufweisen, abhängig von der Plattendicke und den TMCP-Plänen. Das Ziel ist eine feine Verteilung von akzessorischem Ferrit, Bainit und kontrolliertem Perlit anstelle von grobem Perlit oder Martensit. - TMCP: kontrolliertes Walzen und beschleunigte Kühlung verfeinern die Korngröße und erzeugen bainitische/feine Ferrit-Mikrostrukturen, die hohe Festigkeit bei guter Zähigkeit bieten. - Konventionelle normalisierte Platten: gröbere ferritisch/perlitische Strukturen können für AH36 in dickeren Abschnitten akzeptabel sein, aber die Erfüllung der EH36-Ziele für Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordert in der Regel TMCP oder strengere Verarbeitung.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren kann die Zähigkeit verbessern und die Eigenschaften homogenisieren, wird jedoch selten in Produktionsmaßstab für schwere Schiffplatten aufgrund der Kosten verwendet. - Härten & Anlassen (Q&T) ist für AH36/EH36-Platten nicht typisch — diese sind hauptsächlich kontrolliert gewalzte HSLA-Stähle, die darauf ausgelegt sind, die Eigenschaften im gewalzten oder kontrolliert gekühlten Zustand zu erfüllen. - Thermomechanische Verarbeitung (TMCP) ist der bevorzugte industrielle Weg, um die Zähigkeit von EH36 bei niedrigen Temperaturen zu erreichen und gleichzeitig Festigkeit und Schweißbarkeit zu erhalten.
4. Mechanische Eigenschaften
Wichtige Bereiche mechanischer Eigenschaften (typisch/minimal gemäß Schiffbauspezifikationen):
| Eigenschaft | AH36 | EH36 |
|---|---|---|
| Streckgrenze (min) | ~355 MPa | ~355 MPa |
| Zugfestigkeit (typischer Bereich) | 490–620 MPa | 490–620 MPa |
| Dehnung (typisch) | ≥ 18–22% (abhängig von der Dicke) | ≥ 18–22% (abhängig von der Dicke) |
| Zähigkeitsprüfung (spezifiziert) | Nicht erforderlich bei extremen sub‑null; kann bei höheren Temperaturen getestet werden | Spezifiziert bei niedrigeren Temperaturen (z. B. −40 °C) für vollständige Qualifikation |
| Brinell-Härte (typisch) | ≤ ~200–230 HB (hängt von Platte und Prozess ab) | ähnlich, kontrolliert, um sprödes Verhalten zu vermeiden |
Interpretation: - Die statische Festigkeit (Streck- und Zugfestigkeit) ist im Wesentlichen vergleichbar zwischen AH36 und EH36, wenn sie in der gleichen Dicke und dem gleichen Verarbeitungsweg hergestellt werden. - Der Hauptunterschied ist die Zähigkeit unter Bedingungen niedriger Temperaturen: EH36 ist qualifiziert, signifikante Charpy-V-Kerbenenergie bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als AH36 zu halten. Das macht EH36 bevorzugt für den Einsatz in kalten Klimazonen oder hohen Breitengraden. - Duktilität (Dehnung) ist bei vergleichbarer Dicke zwischen beiden ähnlich; die Zähigkeit hängt mehr von der Mikrostruktur und der Reinheit als von der Gesamtchemie ab.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit hängen vom Kohlenstoffgehalt, dem Kohlenstoffäquivalent (Härtbarkeit) und dem Mikrolegierungsgehalt ab. Zwei häufig verwendete Indizes werden hier als Beispiele angegeben.
Anzeige der IIW-Kohlenstoffäquivalentformel: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
Und die umfassendere Pcm-Formel: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
Qualitative Interpretation: - Sowohl AH36 als auch EH36 sind mit relativ niedrigem Kohlenstoff und kontrollierter Legierung so konzipiert, dass ihre $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte moderat sind, was eine gute Schweißbarkeit mit Standardverfahren unterstützt. - Der Bedarf von EH36 an verbesserter Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erhöht nicht unbedingt den Gesamtgehalt an Kohlenstoff, kann jedoch eine strengere Zusammensetzungs- und Verarbeitungssteuerung erfordern. Folglich kann die Schweißbarkeit von EH36 ähnlich wie die von AH36 sein, aber Vorwärmung, Interpass-Temperatur und Schweißverfahrensspezifikationen werden oft strenger durchgesetzt, um die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) zu erhalten. - Praktische Schweißanleitung: Niedrigwasserstoff-Verbrauchsmaterialien, kontrolliertes Vorwärmen für dicke Abschnitte und Nachschweißwärmebehandlung nur, wenn spezifiziert. Vermeiden Sie übermäßige Härtbarkeit in der HAZ, indem Sie niedrigen Kohlenstoff beibehalten und die Zugaben von Legierungen begrenzen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl AH36 als auch EH36 sind kohlenstoffbasierte HSLA-Stähle (nicht rostfrei); die Korrosionsbeständigkeit in maritimen Umgebungen hängt von Schutzsystemen ab.
- Typische Schutzstrategien: schmelzgebundene Epoxidharze, Mehrschichtmarine-Beschichtungssysteme, Verzinkung (wo angemessen) und opferanoden für eingetauchte Anwendungen.
- Da keine der Güten rostfrei ist, ist PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) für ihre Korrosionsklassifizierung nicht anwendbar. Zum Vergleich wird PREN definiert als: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Oberflächenvorbereitung, Nahtabdichtung und kathodischer/anodischer Schutzdesign sind primäre Entwurfshebel. Die verbesserte Zähigkeit von EH36 bietet keine intrinsischen Vorteile in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit gegenüber AH36.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Beide Güten sind typische Strukturstähle; die Bearbeitbarkeit ist durchschnittlich und hängt von der Mikrostruktur, der Härte und der Dicke ab. Die Zugabe von Mikrolegierungselementen in EH36 kann die Bearbeitbarkeit im Vergleich zu sehr niedriglegierten Stählen leicht verringern, aber die Unterschiede sind normalerweise bescheiden.
- Formbarkeit/Biegen: vergleichbar für beide Güten bei gleicher Temperatur und Dicke; die strengere Zähigkeits- und Festigkeitskontrolle von EH36 kann leicht größere Biegeradien für dicke Abschnitte erfordern, um Rissbildung im fertigen Teil zu vermeiden.
- Lochstanzen und Kaltumformen für dicke Platten sollten den Richtlinien des Lieferanten folgen; kryogene oder sehr kalte Umformung wird ohne Qualifikation nicht empfohlen.
8. Typische Anwendungen
| AH36 — Typische Anwendungen | EH36 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Schiffsrumpfverkleidung in gemäßigtem Einsatz | Schiffsrumpf-/Deckverkleidung für polare/arktische Einsätze |
| Oberflächenstrukturen von Offshore-Plattformen in milderen Klimazonen | Arktische Offshore-Strukturen und eisfähige Rümpfe |
| Bulkcarrier, strukturelle Teile von allgemeinen Frachtschiffen | Schiffe, die bei dauerhaft niedrigen Temperaturen betrieben werden, LNG-Trägerschalen, wo Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist |
| Decks, Rahmen und allgemeine Strukturplatten, wo Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen nicht kritisch ist | Kritische Primärstrukturen, die einem Risiko von sprödem Bruch bei sub-zero-Einsatz ausgesetzt sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie AH36, wenn strukturelle Festigkeit erforderlich ist, die Umgebungstemperaturen jedoch moderat bleiben und Anforderungen an die Zähigkeit bei sehr niedrigen Temperaturen nicht vorgeschrieben sind. - Wählen Sie EH36, wenn es eine feste Anforderung an die garantierte Zähigkeit bei erheblich sub-zero Temperaturen gibt (z. B. Hochbreiteneinsätze, arktische/regionalen Vorschriften), selbst wenn die Kosten und Produktionskontrollen höher sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: EH36 hat typischerweise einen Aufpreis gegenüber AH36 aufgrund der strengeren Verarbeitung, Prüfung und möglicherweise strengerer Chemie/Kontrolle, die erforderlich sind, um die Kriterien für die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu erfüllen. Der Aufpreis variiert je nach Werk, Bestellgröße und Marktbedingungen.
- Verfügbarkeit: AH36 ist in Standardplattengrößen und -dicken weit verbreitet. EH36 ist auch unter Schiffplattenherstellern verbreitet, aber die Verfügbarkeit kann für sehr dicke Platten oder ungewöhnliche Abmessungen aufgrund der Notwendigkeit kontrollierter Verarbeitung und zusätzlicher Zähigkeitsprüfungen eingeschränkt sein.
- Produktform: Platten, geschweißte Abschnitte und maßgeschneiderte Platten sind üblich; die Lieferzeiten für EH36 können länger sein, wenn spezifische Zähigkeitsprüfungen bei niedrigen Temperaturen erforderlich sind.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ)
| Attribut | AH36 | EH36 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Sehr gut (Standardverfahren) | Sehr gut, aber strengere WPS-Kontrolle empfohlen |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Hohe Festigkeit; angemessene Zähigkeit bei moderaten Temperaturen | Hohe Festigkeit; überlegene Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen gemäß Spezifikation |
| Kosten | Niedriger | Höher (Aufpreis für Qualifikation bei niedrigen Temperaturen) |
Abschließende Empfehlungen: - Wählen Sie AH36, wenn Sie eine hochfeste, leicht verfügbare Schiffbaustahlplatte für gemäßigte Umgebungen benötigen, in denen keine extreme Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist und Sie niedrigere Materialkosten und einfachere Beschaffung wünschen. - Wählen Sie EH36, wenn die Struktur in kalten oder arktischen Bedingungen betrieben wird, wenn Vorschriften eine nachgewiesene Charpy-Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordern oder wenn das Design empfindlich auf spröden Bruch reagiert (dünne Abschnitte, hohe Einschränkung, hohe Restspannung). Die zusätzlichen Kosten sind durch ein reduziertes Bruchrisiko und die Einhaltung von Vorschriften gerechtfertigt.
Abschließende Anmerkung: AH36 und EH36 bieten vergleichbare statische Festigkeit; die praktische Auswahl sollte durch die erforderliche Zähigkeitsleistung bei der Betriebstemperatur, die Einschränkungen des Schweißverfahrens und das Lebenszyklusrisiko bestimmt werden. Überprüfen Sie immer die genauen chemischen und mechanischen Akzeptanzkriterien mit der Projektspezifikation und dem Werksprüfzertifikat vor der endgültigen Auswahl.