Normalisiert vs TMCP – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Normalisierte und thermo-mechanisch kontrollierte verarbeitete (TMCP) Stähle sind zwei gängige Ansätze zur Herstellung von Baustählen mit unterschiedlichen Verhältnissen von Festigkeit, Zähigkeit und Kosten. Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner wägen oft Optionen wie die Verarbeitungsfreundlichkeit, das Schweißrisiko, die gelieferten mechanischen Eigenschaften und die Gesamtkosten über den Lebenszyklus ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Spezifikation von Materialien für geschweißte Bauteile, die Auswahl von Platten für Druckbehälter oder die Wahl von Coils für gewalzte Abschnitte, bei denen das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen entscheidend sind.

Die grundlegende Unterscheidung ist prozessgesteuert: Normalisierte Stähle verlassen sich auf einen traditionellen Wärmebehandlungsprozess, um die Mikrostruktur zu verfeinern, während TMCP-Stähle eine verfeinerte Korngröße und Festigkeit durch kontrolliertes Walzen und Kühlpläne in Kombination mit Mikrolegierung erreichen – was zu einer anderen Legierungsstrategie und Eigenschaftsgruppe führt. Da beide Ansätze verwendet werden, um ähnliche Anwendungsanforderungen zu erfüllen (z. B. Streckgrenzen-/Zugziele und Schlagzähigkeit), werden sie häufig bei der Spezifikationsentwicklung und den Lieferantengesprächen verglichen.

1. Normen und Bezeichnungen

Gängige Normen, die normalisierte und TMCP-Stähle abdecken, umfassen:

• ASTM / ASME (USA): ASTM A36, A572, A709, A515, A516 — viele dieser Güten können normalisiert oder TMCP geliefert werden; spezifische Untergüten geben die Verarbeitungs- oder mechanischen Eigenschaftsniveaus an.
• EN / Europäisch (EU): EN 10025 (S235, S275, S355-Serie) — umfasst TMCP-bezeichnete Lieferbedingungen (z. B. S355J2+N, wobei „+N“ normalisiert anzeigt, während einige S355-Güten nach TMCP-Routen hergestellt werden).
• JIS (Japan): JIS G3101, G3106 für Baustähle — Normalisierungs- und TMCP-Optionen sind vorhanden.
• GB (China): GB/T 699, GB/T 1591 usw. — HSLA- und normalisierte Optionen sind spezifiziert.
• ISO: verschiedene ISO-Normen beziehen sich auf normalisierte und thermomechanisch verarbeitete Bedingungen.

Materialklassen, die typischerweise mit jedem Prozess assoziiert sind: - Normalisiert: Kohlenstoff- und mittelkohlenstoffhaltige Stähle, einige legierte Stähle und niedriglegierte Baustähle. - TMCP: hauptsächlich HSLA (hochfeste niedriglegierte) Stähle, oft in Platten/Coils für strukturelle und Druckanwendungen. - Beide Routen können bei Kohlenstoffstählen, niedriglegierten Stählen und manchmal mikrolegierten Güten verwendet werden; Werkzeugstähle und rostfreie Stähle werden in der industriellen Praxis typischerweise nicht im Vergleich „normalisiert vs. TMCP“ betrachtet, obwohl vergleichbare Wärmebehandlungs- oder Walzstrategien gelten.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Element	Normalisiert (typische Kohlenstoff-/niedriglegierte Stähle)	TMCP (HSLA / mikrolegierte Stähle)
C	~0.10–0.60% (abhängig: niedrig- bis mittelkohlenstoffhaltig)	~0.02–0.18% (niedrig gehalten, um Schweißbarkeit & Zähigkeit zu verbessern)
Mn	~0.30–1.50%	~0.30–1.50% (verwendet für Festigkeit & Härtbarkeit)
Si	~0.10–0.40%	~0.10–0.60% (Entgasung, einige Verstärkung)
P	≤0.035%	≤0.030% (niedrig gehalten)
S	≤0.035%	≤0.010–0.020% (niedriger für bessere Zähigkeit)
Cr	Variabel, niedrig in reinem Kohlenstoff; kann höher für legierte Stähle sein	Typischerweise niedrig; gelegentlich für spezifische Güten vorhanden
Ni	Vorhanden in legierten Stählen; nicht üblich in grundlegenden HSLA	Selten in grundlegenden TMCP HSLA
Mo	Verwendet in vergüteten legierten Stählen; nicht üblich in grundlegenden TMCP	Gelegentlich in geringen Mengen für Härtbarkeit verwendet
V	Oft abwesend oder niedrig	0.01–0.20% (Mikrolegierung zur Verfeinerung der Körner und zur Ausfällungsverstärkung)
Nb (Nb/Ta)	In der Regel abwesend	0.01–0.06% (Kornverfeinerung und Ausfällungsverstärkung)
Ti	Kleine Mengen möglich	0.01–0.03% (Stabilisierung von N und Kornkontrolle)
B	Nicht üblich	Sehr niedrige ppm-Werte (Zehntel bis einzelne ppm) können verwendet werden, um die Härtbarkeit zu erhöhen
N	Niedrig, kontrolliert	Kontrolliert; wird mit Ti verwendet, um stabile Nitrate zu bilden

Hinweise: Die Werte sind indikativ für typische Branchenpraktiken. TMCP-Stähle sind absichtlich niedrig in Kohlenstoff und verlassen sich auf Mikrolegierung (Nb, V, Ti) in Kombination mit kontrolliertem Walzen, um Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen, während normalisierte Stähle höheren Kohlenstoff oder unterschiedliche Legierungen verwenden können, um die erforderlichen Eigenschaften vor/nach einem Ofen-Normalisierungsschritt zu erreichen.

Wie Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit. TMCP minimiert Kohlenstoff, um die Schweißbarkeit zu erhalten. - Mikrolegierung (Nb, V, Ti) bietet Ausfällungsverstärkung und Kornverfeinerung während des Warmwalzens/Kühlens, was hohe Festigkeit ohne intensive Wärmebehandlung ermöglicht. - Mn unterstützt die Härtbarkeit und Zugfestigkeit, aber übermäßiges Mn kann die Schweißbarkeit beeinträchtigen. - Die Legierung mit Cr, Mo, Ni ist typischerweise dort üblich, wo höhere Härtbarkeit oder Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen erforderlich sind (oft in vergüteten Stählen statt TMCP).

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Normalisierte Route: - Normalisierung besteht darin, über die obere kritische Temperatur zu heizen, um zu austenitisieren, und dann an der Luft abzukühlen. Das Ergebnis ist eine relativ gleichmäßige, feinkörnige Ferrit-Perlit (oder bainitische in einigen Legierungen) Mikrostruktur, abhängig von der Zusammensetzung und der Kühlrate. - Normalisierung reduziert Bänderbildung, verfeinert die Korngröße und erzeugt vorhersehbare mechanische Eigenschaften über die Dicke, führt jedoch normalerweise nicht zur höchsten möglichen Festigkeit ohne zusätzliche Legierung oder Abschrecken/Anlassen.

TMCP-Route: - TMCP erreicht Kornverfeinerung und Transformationskontrolle durch kontrolliertes Walzen im Austenitbereich, gefolgt von beschleunigtem oder kontrolliertem Kühlen, das die Bildung von feinem Ferrit und Bainit fördert, mit Ausfällung von mikrolegierten Karbiden/Nitriden. - Der Walz- und Kühlplan unterdrückt das Wachstum grober Austenitkörner und ermöglicht ultrafeinkörnige Mikrostrukturen, die eine hohe Streckgrenze mit guter Zähigkeit bieten. - TMCP-Stähle zeigen oft eine gemischte Mikrostruktur (feiner Ferrit, bainitische Inseln und dispergierte Ausfällungen), die über thermomechanische Parameter und nicht über eine separate Wärmebehandlung gesteuert wird.

Abschrecken & Anlassen (Q&T) Kontext: - Q&T-Stähle (höherer Legierungsgehalt einschließlich Cr, Mo) erzeugen Martensit, der temperiert wird, um die angestrebte Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen – dieser Weg unterscheidet sich von normalisierten und TMCP, kann jedoch verwendet werden, wenn höhere Härte oder Verschleißfestigkeit erforderlich sind.

4. Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Normalisiert (typische Bereiche)	TMCP (HSLA typische Bereiche)
Zugfestigkeit	~350–700 MPa (niedrig- bis mittelkohlenstoffhaltige Stähle; höher für legierte Güten)	~400–800 MPa (kann hohe Streckgrenze/Zugfestigkeit bei niedrigerem Kohlenstoff erreichen)
Streckgrenze	~200–450 MPa	~250–700 MPa (abhängig von der Güte)
Dehnung (% in 50 mm)	18–30% (abhängig vom Festigkeitsniveau)	12–25% (typischerweise bei höheren Festigkeiten als Kohlenstoffstahl gehalten)
Schlagzähigkeit (Charpy V-Kerbe)	Gut bis sehr gut nach der Normalisierung; abhängig von der Zusammensetzung und Dicke	Ausgezeichnet, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, wenn die TMCP-Parameter optimiert sind
Härte (HB oder HRC-Äquivalent)	Mäßig; abhängig von Kohlenstoff und Wärmebehandlung	Mäßig bis relativ hoch; lokal höhere Härte möglich aufgrund von feinem Bainit

Interpretation: - TMCP-Stähle erreichen typischerweise höhere Festigkeit bei niedrigerem Kohlenstoff und besserer Zähigkeit als normalisierte Stähle ähnlicher Festigkeit, da feinkörnige Mikrostrukturen und Ausfällungsverstärkung das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit verbessern. - Normalisierte Stähle bieten gleichmäßige, vorhersehbare Eigenschaften und können bei vergleichbaren Festigkeitsniveaus je nach Zusammensetzung duktiler sein.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt hauptsächlich vom Kohlenstoffäquivalent und der Legierung ab. Zwei gängige empirische Maße sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und die Pcm-Formel:

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

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

Qualitative Interpretation: - Normalisierte Stähle mit höherem Kohlenstoff und mehr Legierung können höhere $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ Werte aufweisen, was auf eine größere Empfindlichkeit gegenüber wasserstoffinduzierten Kaltversprödungen und die Notwendigkeit von Vorwärm-/Nachwärm- und kontrollierten Schweißverfahren hinweist. - TMCP-Stähle sind mit niedrigem Kohlenstoff und kontrollierter Mikrolegierung formuliert, um die Kohlenstoffäquivalente niedrig zu halten; daher bieten sie im Allgemeinen eine überlegene Schweißbarkeit (niedrigere Vorwärm-Anforderungen) bei gleichzeitiger Beibehaltung höherer Festigkeit. - Mikrolegierungselemente (Nb, V, Ti) in TMCP-Stählen müssen kontrolliert werden: Sie können die Härtbarkeit lokal erhöhen, sind aber insgesamt ausgewogen, um Schweißbarkeitsnachteile zu vermeiden. Die Schweißverfahren sollten dennoch Dicke, Einschränkung und Stahlgüte berücksichtigen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

Nicht rostfreie Stähle (sowohl normalisierte als auch TMCP) benötigen Oberflächenschutz für korrosive Umgebungen. Gängige Maßnahmen: - Feuerverzinkung - Schutzanstrichsysteme (Grundierung/Deckanstriche) - Metallurgische Behandlungen (z. B. opferanodenbeschichtungen, Duplexsysteme)

Rostfreie Stähle liegen außerhalb des typischen Vergleichs zwischen normalisiert und TMCP; jedoch, wenn Korrosionsbeständigkeitsindizes wie PREN bewertet werden, lautet die Formel:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

Dieser Index ist nicht anwendbar auf Kohlenstoff- oder typische HSLA-Stähle, da deren Cr-, Mo- und N-Gehalte unzureichend sind, um eine rostfreie Korrosionsbeständigkeit zu bieten. Für Kohlenstoff-/HSLA-Stähle wird die Korrosionsleistung durch Beschichtungen oder korrosionsbeständige Überzüge erreicht.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden: Sowohl normalisierte als auch TMCP-Stähle werden mit standardmäßigen thermischen oder mechanischen Schneidverfahren geschnitten; TMCP-Hochfestvarianten können aufgrund höherer Festigkeit robustere Schneidparameter erfordern.
• Zerspanbarkeit: Höherer Kohlenstoff- oder Legierungsgehalt verringert die Zerspanbarkeit. TMCP-Stähle haben trotz höherer Festigkeit oft niedrigen Kohlenstoff und begrenzten Legierungsgehalt, sodass die Zerspanbarkeit vergleichbar oder leicht schlechter sein kann, abhängig von Härte und Mikrostruktur.
• Biegen/Formen: Normalisierte Stähle sind oft nachgiebiger beim Formen, wenn der Kohlenstoffgehalt höher, aber die Festigkeit niedriger ist. TMCP-Stähle mit höheren Streckgrenzen können größere Biegeradien oder Formtoleranzen erfordern; jedoch hilft ihre bessere Zähigkeit oft, Rissbildung zu vermeiden, wenn das Formen kontrolliert wird.
• Oberflächenfinish und Nachbearbeitungsbehandlungen: TMCP-Platten können mit einer Oberflächenbeschaffenheit geliefert werden, die für Schweißen und Lackieren optimiert ist; normalisierte Platten akzeptieren ebenfalls standardmäßige Finishoperationen.

8. Typische Anwendungen

Normalisiert (typische Anwendungen)	TMCP (typische Anwendungen)
Strukturelle Träger und Platten, wo traditionelle Stahlherstellung und vorhersehbare Wärmebehandlung bevorzugt werden (Brücken, Gebäudepfeiler)	Schiffsrümpfe und Offshore-Strukturen, die hohe Festigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordern
Druckbehälterplatten, wenn der normalisierte Zustand für Kerbzähigkeit spezifiziert ist	Rahmen für schwere Maschinen und Kräne, wo ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht vorteilhaft ist
Mittelkohlenstoffstäbe und Schmiedeteile, die normalisiert werden, um eine gleichmäßige Mikrostruktur zu erreichen	Automobil- und Eisenbahnkomponenten, wo Festigkeit und Zähigkeit bei Gewichtsreduktion benötigt werden
Allgemeine Verarbeitung, wo moderate Festigkeit und hohe Duktilität erforderlich sind	Pipelines und Rohrstähle, die durch TMCP für hohe Festigkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit hergestellt werden

Auswahlbegründung: - Wählen Sie normalisiert, wenn gleichmäßige Eigenschaften, bewährte wärmebehandelte Leistung oder spezifische Normanforderungen eine thermische Normalisierung vorschreiben. - Wählen Sie TMCP, wenn Sie ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, verbesserte Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und bessere Schweißbarkeit bei niedrigeren Kohlenstoffgehalten für große Platten und Bauteile benötigen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: TMCP-Stähle können kostengünstig sein, da sie höhere Festigkeit mit weniger Legierungsgehalt und ohne energieintensive Abschreck-/Anlassoperationen erreichen. Normalisierte Stähle können zusätzliche Ofenverarbeitungskosten verursachen, sind jedoch weit verbreitet und oft günstiger für Standardgüten.
• Verfügbarkeit: Normalisierte Stähle sind in vielen Produktformen (Platte, Stab, Rohr) allgegenwärtig. TMCP-Platten und -Coils sind von großen Walzwerken weit verbreitet erhältlich, insbesondere für strukturelle und Rohrmarktsegmente; einige spezialisierte TMCP-Chemien oder sehr hochfeste Güten können längere Lieferzeiten oder Mindestlotanforderungen haben.

Unterschiede in der Produktform: - TMCP ist besonders häufig für schwere Platten und Coils, wo kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Kühlen in der Produktion umgesetzt werden können. Normalisierte Verarbeitung ist üblich für Stäbe, Schmiedeteile und einige Plattengüten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Attribut	Normalisiert	TMCP
Schweißbarkeit	Gut bis befriedigend (abhängig von Kohlenstoff & CE)	Im Allgemeinen besser (niedriger C + Mikrolegierung)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Gut (abhängig von Kohlenstoff/Legierung)	Ausgezeichnet (hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit)
Kosten	Mäßig; weit verbreitet	Vergleichbar mit mäßig; effizient für hohe Festigkeit
Verarbeitungsfreundlichkeit	Hohe Duktilität für das Formen	Erfordert Design für höhere Streckgrenze, aber gute Zähigkeit

Wählen Sie Normalisiert, wenn: - Ihre Anwendung oder Norm einen normalisierten Lieferzustand für dimensionsstabilität, vorhersehbare Reaktion nach der Bearbeitung vorschreibt oder Sie moderate Festigkeit mit hoher Duktilität benötigen. - Sie einfachere Materialanforderungen, breite Lieferverfügbarkeit und bewährte Leistung in geschweißten Strukturen priorisieren, wo höherer Kohlenstoff mit kontrollierten Schweißverfahren akzeptabel ist.

Wählen Sie TMCP, wenn: - Sie höhere Festigkeit mit verbesserter Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und bessere Schweißbarkeit bei niedrigeren Kohlenstoffgehalten benötigen – insbesondere für schwere Platten, Offshore-Strukturen, Rohrleitungen oder Anwendungen, bei denen Gewichtsreduktion wichtig ist. - Sie einen kosteneffizienten Weg zu höherer Streckgrenze suchen, ohne auf intensive Legierung oder Abschreck- & Anlassverarbeitung zurückgreifen zu müssen.

Letzte Anmerkung: Die Materialauswahl sollte spezifische Gütebezeichnungen, dickeabhängiges Kühlverhalten, Schweißverfahrensspezifikationen und anwendbare Normanforderungen berücksichtigen. Arbeiten Sie mit Walzwerken und Testdaten (Charpy-, Zug- und Schweißversuche) zusammen, wenn Sie einen bestimmten normalisierten oder TMCP-Stahl für kritische Anwendungen qualifizieren.