L390 vs L415 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor Abwägungen bei der Auswahl einer Stahlgüte: Höhere Festigkeit steht oft im Widerspruch zur Verarbeitungs- und Schweißbarkeit, während eine bessere Schweißbarkeit die erreichbare Spitzenfestigkeit oder Verschleißfestigkeit einschränken kann. L390 und L415 werden in vielen Auswahlgesprächen kombiniert, da sie benachbarte Positionen im Spektrum der niedriglegierten Baustähle und Werkzeugstähle einnehmen, wo Designer die gelieferte Festigkeit gegen die Verarbeitungsfreundlichkeit abwägen.

Der primäre praktische Unterschied zwischen diesen beiden Güten ist ein Kompromiss zwischen maximal erreichbarer Festigkeit/Härte und der Schweiß-/Verarbeitungsfreundlichkeit. L415 wird in der Regel spezifiziert, wenn eine höhere Durchdringungsfestigkeit und Härte erforderlich sind, während L390 oft bevorzugt wird, wenn Schweißbarkeit, Zähigkeit und einfachere Wärmebehandlung priorisiert werden. Da die Benennungskonventionen und genauen Chemien je nach Norm oder Lieferant variieren können, sollten die Benutzer die Werkszertifikate und anwendbaren Normen für jeden spezifischen Einkauf bestätigen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen, die für beide Güten überprüft werden sollten: EN (Europäische Normen), ASTM/ASME (Amerikanisch), JIS (Japanisch) und nationale Normen wie GB (China). Nicht alle Normen verwenden die genauen Bezeichnungen L390/L415; diese können kommerzielle oder Handelsnamen sein, die äquivalenten Normnummern zugeordnet sind.
• Klassifizierung:
• L390 — wird allgemein als niedriglegierter Baustahl oder Konstruktionsstahl behandelt; manchmal in Anwendungen für Messer/Werkzeuge/Formen verwendet, wo ausgewogene Zähigkeit und moderate Festigkeit erforderlich sind.
• L415 — typischerweise ein höherfester niedriglegierter Stahl oder eine höherhärtbare Variante, die dort verwendet wird, wo eine höhere Zug-/Streckgrenze oder tiefere Härtung erforderlich ist.
• Typ: Keiner ist eine rostfreie Güte (es sei denn, sie ist ausdrücklich als solche in einer Lieferantenspezifikation bezeichnet); beide sind niedriglegierte oder mikrolegierte Stähle und keine konventionellen Werkzeugstähle oder rostfreien Stähle. Bestätigen Sie, ob die betreffende Güte ein legierter Baustahl, eine Werkzeugstahlvariante oder ein Spezialprodukt eines bestimmten Werks ist.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle fasst die typische Legierungsstrategie qualitativ zusammen. Die genauen Zusammensetzungen variieren je nach Spezifikation und Hersteller; konsultieren Sie die tatsächliche Materialspecifikation und das Werksprüfzertifikat für Beschaffung oder Design.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: Elemente, die die Härtbarkeit erhöhen (Cr, Mo, Mn, B und manchmal Ni), ermöglichen eine tiefere martensitische Umwandlung während des Abschreckens und damit eine höhere Durchdringungsfestigkeit in dickeren Querschnitten. Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) ermöglichen eine feinkörnige Verstärkung und gute Zähigkeit ohne sehr hohen Kohlenstoff, was das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit verbessert. Höhere Härtbarkeit und Kohlenstoffäquivalente verringern jedoch im Allgemeinen die Schweißbarkeit und erhöhen die Vorwärm-/Zwischenpassanforderungen, um Rissbildung zu vermeiden.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostrukturen:
• L390: nach normalisierten oder abgeschreckten und angelassenen Zyklen zeigt L390 tendenziell eine angelassene martensitische oder bainitische Matrix mit relativ feinen vor-austenitischen Körnern, wenn mikrolegiert. Dies ergibt eine ausgewogene Zähigkeit bei moderater Festigkeit.
• L415: neigt dazu, einen höheren Anteil an Martensit oder Bainit bei niedrigerer Temperatur nach dem Abschrecken zu bilden, insbesondere in dickeren Querschnitten oder wenn zum Erhöhen der Härte abgeschreckt wird. Die Kontrolle der Korngröße des vor-austenitischen Materials und das Anlassen sind entscheidend, um akzeptable Zähigkeit zu erreichen.
• Wärmebehandlungsrouten und -effekte:
• Normalisieren: Beide Güten profitieren vom Normalisieren zur Verfeinerung der Korngröße des vor-austenitischen Materials; L390 reagiert gut mit verbesserter Zähigkeit. L415 normalisiert zeigt nachfolgend höhere Festigkeit nach dem Anlassen.
• Abschrecken & Anlassen: primäre Route zur Erreichung hoher Festigkeit. L415 erfordert typischerweise aggressivere Abschreckmedien oder langsameres Anlassen, um die Entwurfsfestigkeiten zu erreichen; Anlassen ist notwendig, um die Zähigkeit wiederherzustellen.
• Thermo-mechanische Verarbeitung: kontrolliertes Walzen plus beschleunigte Kühlung kann feine bainitische oder martensitisch-bainitische Mikrostrukturen mit hoher Festigkeit und guter Zähigkeit erzeugen, was oft eine bessere Schweißbarkeit als schwere Abschreck-/Anlasszyklen ermöglicht.
• Praktischer Hinweis: Mit zunehmender Härtbarkeit werden die Anforderungen an die Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) und Vorwärmung bedeutender, um wasserstoffunterstützte Kaltverzüge zu vermeiden.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle vergleicht die erwarteten Eigenschaftstendenzen. Die tatsächlichen Werte hängen von der Wärmebehandlung, der Produktform und dem Lieferanten ab. Verwenden Sie die Werksprüfberichte zur Verifizierung des Designs.

Erklärung: Der höhere Legierungsgehalt und/oder Kohlenstoffäquivalent von L415 ermöglichen es Designern, höhere Zug- und Streckgrenzen zu erreichen, aber diese Gewinne gehen oft zulasten der Duktilität und Schweißbarkeit. L390 betont ein Gleichgewicht — angemessene Festigkeit bei besserer Zähigkeit und Verformbarkeit.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffgehalt, das Kohlenstoffäquivalent (Härtbarkeit) und mikrolegierte Elemente beeinflusst. Zwei gängige prädiktive Formeln sind nützlich, um das relative Verhalten zu interpretieren:

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

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

Interpretation (qualitativ): - L390: niedrigere bis moderate $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ Werte deuten im Allgemeinen auf einfacheres Schweißen mit Standardverbrauchsmaterialien und weniger strengen Vorwärmungen hin. Niedrigerer Kohlenstoff und eingeschränkte Legierung vereinfachen das Fugen-Design und reduzieren die erforderliche PWHT. - L415: höhere Legierung und Kohlenstoff erhöhen $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$, was die Empfindlichkeit gegenüber wasserstoffunterstütztem und härtungsbedingtem Rissbildung erhöht. Das Schweißen von L415 erfordert oft kontrollierte Vorwärmung, niedrigere wasserstoffhaltige Verbrauchsmaterialien, Zwischenpasskontrolle und manchmal PWHT.

Praktische Anleitung: Für beide Güten die Schweißverfahren des Lieferanten befolgen; PWHT durchführen, wenn angegeben. Verwenden Sie wasserstoffkontrollierte Elektroden oder Füllmetalle, die auf die gewünschte Festigkeit und Duktilität abgestimmt sind. Wo Schweißnähte nach üblicher Werkstattpraxis mit begrenzter Vorwärmfähigkeit durchgeführt werden müssen, ist L390 in der Regel die sicherere Wahl.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder L390 noch L415 sind von Natur aus rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit ist typisch für Kohlenstoff-/niedriglegierte Stähle und erfordert Oberflächenschutz in exponierten Umgebungen.
• Übliche Schutzmaßnahmen:
• Feuerverzinkung, Zinkspray oder Metallisierung zum Schutz vor atmosphärischer Korrosion.
• Farben, Epoxidbeschichtungen oder Pulverbeschichtungssysteme für architektonische oder milde Expositionen.
• Kathodischer Schutz und spezielle Beschichtungen für marine oder stark korrosive Umgebungen.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist nicht anwendbar, es sei denn, eine Güte ist ausdrücklich rostfrei. Zum Vergleich, PREN ist: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Aber dieser Index gilt nur für rostfreie Legierungen; L390/L415 sollten mit konventionellen Kohlenstoffstahl-Schutzstrategien behandelt werden.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden und Bearbeiten:
• L390: typischerweise einfacher zu bearbeiten im normalisierten/angelassenen Zustand; niedrigere Härte und Kohlenstoff fördern die Werkzeuglebensdauer und den Durchsatz.
• L415: Bearbeitung kann herausfordernder sein, wenn sie in hochharter oder abgeschreckter Form geliefert wird; Vorbearbeitung im weicheren Zustand oder Verwendung von Hartmetallwerkzeugen und geeigneten Vorschüben wird empfohlen.
• Umformen und Biegen:
• L390: bessere Formbarkeit, höhere zulässige Biegeverringerungen vor Rissbildung im normalisierten oder angelassenen Zustand.
• L415: Umformen ist eingeschränkter, wenn eine hochfeste Wärmebehandlung vorhanden ist; Kaltumformen kann Anlassen oder spezielle Werkzeuge erfordern.
• Schweißen und Nachbearbeitung:
• L390: einfacher zu schleifen, zu bearbeiten und nach dem Schweißen zu fertigen.
• L415: kann zusätzliche PWHT und sorgfältiges Schleifen erfordern, um Anlasseffekte zu vermeiden und die Eigenschaften zu erhalten.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: Wählen Sie L390 für Arbeiten, die Fertigung, Zähigkeit priorisieren oder bei denen komplexes Schweißen unvermeidlich ist. Wählen Sie L415 für Designs, die höhere statische Festigkeit, Verschleißfestigkeit oder größere Tragfähigkeit erfordern und bei denen die Fertigungsumgebung strengere Schweiß- und Wärmebehandlungsanforderungen erfüllen kann.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: L415 ist in der Regel teurer pro Tonne, wenn der Legierungsgehalt und die Verarbeitung (z. B. spezialisierte Wärmebehandlung) höher sind. L390 ist tendenziell kostengünstiger für Anwendungen, bei denen ultra-hohe Festigkeit nicht erforderlich ist.
• Verfügbarkeit nach Produktform: Beide Güten sind häufig in Platten-, Stangen- und Schmiedeteilen von Spezialwerken und Dienstleistungszentren erhältlich, aber die Lieferzeiten variieren je nach regionaler Nachfrage und ob eine spezifische Wärmebehandlung oder Zertifizierung erforderlich ist. Der Standardlagerbestand tendiert zu häufigeren Baustahllegierungen; spezialisierte hochfeste Varianten können Werksläufe oder Verzögerungen bei der Wärmebehandlung erfordern.
• Einkaufstipp: Geben Sie die erforderliche Wärmebehandlung, Härte- oder mechanische Ziele und erforderliche Materialprüfungen (UT, MT, PMI, MTC) im Voraus an, um Preis- und Lieferzeitüberraschungen zu vermeiden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Empfehlung: - Wählen Sie L390, wenn Sie einen ausgewogenen Konstruktionsstahl mit relativ guter Schweißbarkeit, einfacher Zerspanbarkeit und Formbarkeit sowie solider Zähigkeit für geschweißte Strukturen oder Komponenten benötigen, die in Werkstattumgebungen mit Standard-Schweißverfahren hergestellt werden. - Wählen Sie L415, wenn Ihr Hauptbedarf höhere Zug- oder Streckgrenzen, tiefere Härtung in dickeren Querschnitten oder größere Verschleißfestigkeit ist und der Fertigungsplan restriktivere Schweißverfahren, Vorwärmung/PWHT und möglicherweise höhere Materialkosten berücksichtigen kann.

Letzter Hinweis: Die Begriffe L390 und L415 können von verschiedenen Lieferanten und Normen unterschiedlich verwendet werden. Bestätigen Sie immer die genaue chemische Zusammensetzung, die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und den angegebenen Wärmebehandlungsweg in der Materialspecifikation und im Werksprüfzertifikat vor dem endgültigen Design oder Einkauf.