HARDOX450 vs HARDOX500 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

HARDOX450 und HARDOX500 sind vergütete, verschleißfeste Stähle, die häufig für stark beanspruchte Anwendungen wie Bergbau, Erdbewegung, Recycling und schwere Fertigung eingesetzt werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Auswahldilemma: Höhere Verschleißfestigkeit und Festigkeit priorisieren (oft verbunden mit dickeren, härteren Sorten) oder Zähigkeit, Formbarkeit und niedrigere Fertigungskosten priorisieren. Die Entscheidung balanciert oft die Lebensdauer der Komponenten, die Fügetechnologie und die Gesamtkosten des Eigentums.

Der primäre technische Unterschied zwischen den beiden Sorten ist ihre nominale Härte – eine ist auf etwa 450 HBW und die andere auf etwa 500 HBW spezifiziert – was Unterschiede in Festigkeit, Zähigkeit und Fertigungsverhalten zur Folge hat. Da beide Varianten zur gleichen Familie aus der gleichen Produktlinie gehören, teilen sie sich die Legierungsstrategie und die Verarbeitungsphilosophie, aber ihre Eigenschafts-Kompromisse machen sie zu komplementären Optionen anstelle direkter Ersatzprodukte in jeder Anwendung.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Produktstandards und Spezifikationen, die auf HARDOX-Qualitäten verweisen oder mit ihnen kompatibel sind:
• EN (Europäische Normen): EN 10029 / EN 10149 (Kontext der Plattenstähle)
• ASTM / ASME: häufig zitiert für mechanische Prüfmethoden und Fertigungspraktiken (z.B. ASTM A370 für mechanische Prüfungen)
• JIS und GB: nationale Standards bieten Prüf- und Materialidentifikation in Japan und China, jeweils
• Herstellerbezeichnung: HARDOX450, HARDOX500 (proprietäre Bezeichnungen von SSAB)
• Klassifizierung:
• Dies sind vergütete, hochfeste, niedriglegierte (HSLA) Stähle, die speziell für Abriebfestigkeit entwickelt wurden – weder rostfrei noch Werkzeugstähle noch einfache Kohlenstoffstähle. Sie sind legiert und verarbeitet, um hohe Härte und eine vergütete martensitische/bainitische Mikrostruktur zu erreichen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle fasst den typischen Legierungsansatz und die Anwesenheit jedes Elements zusammen, anstatt präzise numerische Werte anzugeben (Bereiche variieren je nach Dicke und Produktform und werden vom Hersteller kontrolliert).

Wie Legierung Eigenschaften beeinflusst - Kohlenstoff, Mn, Cr, Mo und kleine mikrolegierte Elemente steuern die Härtbarkeit und die endgültige martensitische/bainitische Struktur nach dem Härten und Vergüten. Höhere effektive Härtbarkeit ermöglicht das Erreichen höherer Härte (HARDOX500) bei gleicher Dicke. - Legierungszusätze werden moderat gehalten, um die Schweißbarkeit und Zähigkeit zu erhalten, während der Designer die erforderliche Abriebfestigkeit durch kontrollierte Wärmebehandlung erreichen kann.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostruktur: Beide Sorten werden verarbeitet, um eine gehärtete, vergütete Mikrostruktur zu erzeugen – überwiegend vergütetes Martensit mit variierenden Mengen an Bainit, abhängig von Dicke und Abkühlrate. Kornverfeinerung und kontrollierte Einschlüsse sind wichtig für die Zähigkeit.
• Wirkung der Verarbeitung:
• Härten und Vergüten: Primärer industrieller Weg für beide Sorten. Das Härten erzeugt eine harte martensitische Struktur; das Vergüten reduziert Restspannungen und stellt ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit her. Die Sorte mit höherer nominaler Härte (HARDOX500) wird verarbeitet, um einen höheren Anteil an hartem Martensit und weniger Vergütungsweichung zu erhalten.
• Thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP): Wird in der Plattenherstellung verwendet, um die Korngröße zu verfeinern und die Zähigkeit zu verbessern, insbesondere in dickeren Abschnitten.
• Normalisieren: Wird typischerweise nicht verwendet, um Endproduktqualitäten zu erzeugen, kann jedoch während des Schmiedens oder der Reparatur angewendet werden, um die Mikrostruktur zu verfeinern; kontrolliertes Vergüten ist normalerweise danach erforderlich.
• Reaktionsunterschiede:
• HARDOX500 wird verarbeitet und legiert, um höhere Härte zu erreichen; infolgedessen hat es tendenziell eine höhere Festigkeit, kann jedoch weniger tolerant gegenüber aggressivem Vergüten oder Überhitzung während der Verarbeitung sein.
• HARDOX450, mit nominal niedrigerer Härte, zeigt typischerweise eine etwas höhere Duktilität und Bruchzähigkeit für eine gegebene Dicke.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle vergleicht die wichtigsten mechanischen Eigenschaften qualitativ und listet nominale Härtewerte auf, die die Produktnamen definieren.

Warum die Unterschiede auftreten - Der Anstieg der Härte von 450 auf 500 HBW wird durch mikrostrukturelle Anpassungen (härtere martensitische Fraktion und Legierungsbalance) erreicht. Erhöhte Härte und Festigkeit reduzieren die plastische Verformbarkeit und verringern normalerweise die gemessene Schlagzähigkeit und Elongation bei vergleichbaren Dicken. Das Design der Komponenten muss daher die Lebensdauer gegen Abrieb und die strukturelle Integrität ausbalancieren.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffäquivalent, der Härtbarkeit und der lokalen Wärmeeinbringung ab. Typische analytische Werkzeuge:

• IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Detailierterer Parameter: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation - Sowohl HARDOX450 als auch HARDOX500 haben eine kontrollierte Legierung, um die Schweißbarkeit für hochfeste Platten angemessen zu halten, aber HARDOX500 hat typischerweise eine höhere effektive Härtbarkeit, was das Risiko harter, spröder wärmebeeinflusster Zonen (HAZ) und wasserstoffinduzierter Kaltverformung im Vergleich zu HARDOX450 erhöht. - Praktische Schweißanleitung: - Vorwärmen gemäß der Dicke und dem Fugenentwurf, um die Abkühlrate zu kontrollieren und HAZ-Härtespitzen zu vermeiden. - Verwenden Sie wasserstoffarme Elektroden/Füllstoffe und kontrollieren Sie die Interpass-Temperatur. - Passen Sie die Zähigkeit und Festigkeit des Füllmaterials an – die Füllstoffauswahl sollte die gewünschte Duktilität im Auftrag berücksichtigen. - Für HARDOX500 ist oft eine strengere Kontrolle der Wärmeeinbringung und der Interpass-Temperaturen erforderlich als für HARDOX450. - Verwenden Sie CE- und Pcm-Berechnungen zur Qualifizierung; niedrigere berechnete Werte deuten auf eine einfachere Schweißbarkeit hin.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• HARDOX-Qualitäten sind keine rostfreien Stähle; sie sind Kohlenstoff-/Legierungsstähle und sollten als nicht rostfrei für den Korrosionsschutz behandelt werden.
• Typische Schutzmethoden:
• Beschichtungs- und Lackiersysteme (Epoxidprimer, Polyurethanoberflächen) zum Schutz vor atmosphärischer Korrosion.
• Metallurgische Beschichtungen wie Feuerverzinkung (Hinweis: Verzinkung kann lokale Spannungen verändern und erfordert möglicherweise Prozesskontrollen) oder thermisch gesprühte Überzüge, wo Abrieb- und Korrosionsschutz erforderlich sind.
• Verkleidung oder Überlappungsschweißen (z.B. Hartverkleidung), um Abriebfestigkeit mit Korrosionsbeständigkeit zu kombinieren, aber die Kompatibilität von Härte und Schweißwärmeeinbringung muss verwaltet werden.
• PREN ist für diese nicht rostfreien, niedriglegierten Qualitäten nicht anwendbar. Zum Vergleich: PREN wird definiert als: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index gilt für rostfreie Legierungen; HARDOX-Stähle haben zu niedrige Cr/Mo/N, um PREN sinnvoll zu machen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden: Abriebfeste Platten sind härter für Schneidwerkzeuge. HARDOX500 verursacht schnelleren Werkzeugverschleiß als HARDOX450. Laser-, Plasma- und Wasserstrahlschneiden werden häufig verwendet; die Schneidparameter müssen optimiert werden, um lokale Weichung oder Rissbildung zu vermeiden.
• Biegen und Formen: Höhere Härte reduziert die Biegbarkeit. HARDOX450 ermöglicht engere Biegungen und mehr Formoperationen ohne Rissbildung im Vergleich zu HARDOX500. Die Formrichtlinien und minimalen Biegeradien des Herstellers sollten beachtet werden.
• Bearbeitbarkeit: Beide Platten sind schwieriger zu bearbeiten als Baustahl; HARDOX500 ist aufgrund der höheren Härte herausfordernder – der Einsatz von Hartmetallwerkzeugen, starren Maschinenaufbauten und konservativen Vorschüben wird empfohlen.
• Oberflächenbearbeitung: Schleifen und Abziehen für Kantenbearbeitung oder Schweißvorbereitung erfordern geeignete Schleifmittel und Aufmerksamkeit für die thermische Einbringung.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung - Wählen Sie HARDOX450, wenn das Teil eine Kombination aus Verschleißfestigkeit und Schlagzähigkeit erfordert, signifikante Form- oder Schweißarbeiten durchlaufen wird oder wenn die Betriebsbedingungen signifikante Stöße/Schläge beinhalten. - Wählen Sie HARDOX500, wenn der dominante Ausfallmodus Abrieb ist und das Design maximale Lebensdauer gegenüber einem gewissen Verlust an Zähigkeit und erhöhten Fertigungskontrollen bevorzugt.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: HARDOX500 hat typischerweise einen Aufpreis gegenüber HARDOX450 aufgrund höherer Verarbeitungsanforderungen, um die erhöhte Härte zu erreichen und möglicherweise niedrigere Ausbeuten während der Produktion.
• Verfügbarkeit: Beide Sorten sind weit verbreitet von großen Plattenherstellern in einer Vielzahl von Dicken und Produktformen (Coils, Platten) erhältlich. Die dickeabhängige Verfügbarkeit kann regional variieren; Einkaufsplaner sollten die Lieferzeiten für spezifische Dicken und Oberflächenbedingungen bestätigen.
• Gesamtkosten des Eigentums: Berücksichtigen Sie die Lebenszykluskosten – HARDOX500 kann die Austauschhäufigkeit reduzieren, aber die Fertigungs- und Verbindungskosten erhöhen; HARDOX450 kann die Fertigungskosten senken und ist möglicherweise nachsichtiger im Betrieb.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung - Wählen Sie HARDOX450, wenn Ihr Bauteil ein Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und Zähigkeit erfordert, signifikante Form- oder Schweißarbeiten durchlaufen wird oder bei Stoß-/Impulsbelastungen, bei denen Duktilität und Bruchfestigkeit entscheidend sind. - Wählen Sie HARDOX500, wenn Ihr primärer Entwurfsfaktor maximale Abriebfestigkeit und Lebensdauer ist, die Bauteilgeometrie die Formanforderungen minimiert und Sie strengere Schweiß- und Fertigungskontrollen sowie leicht höhere Materialkosten akzeptieren können.

Letzte Ingenieuranmerkung: Konsultieren Sie immer die Herstellerdatenblätter und führen Sie dicke- und geometriespezifische Entwurfsprüfungen durch (Schweißverfahrenqualifizierung, HAZ-Härteprüfungen und Komponentenprüfungen), da die Eigenschaften und empfohlenen Fertigungspraktiken von der Plattendicke, der Wärmebehandlungsgeschichte und der beabsichtigten Betriebsumgebung abhängen.