S355 vs S460 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
S355 und S460 sind zwei weit verbreitete Baustähle in den EN 10025-Spezifikationen. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Auswahl zwischen kostengünstigeren, leicht bearbeitbaren Stählen und hochfesten Materialien, die leichtere Strukturen oder reduzierte Querschnittsgrößen ermöglichen. Typische Abwägungen umfassen Schweißbarkeit versus Festigkeit, Bearbeitungsfreundlichkeit versus Gewichtseinsparungen und verfügbare Zähigkeit bei Entwurfstemperaturen.
Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, dass S460 eine höhere Mindeststreckgrenze als S355 bietet, die durch Zusammensetzungssteuerung und thermomechanische Verarbeitung oder Mikrolegierung erreicht wird. Da sich ihre chemischen Grundlagen und Verarbeitungsoptionen überschneiden, werden diese Güten häufig verglichen, wenn es darum geht, die strukturelle Effizienz, Schweißverfahren und Lebenszykluskosten zu optimieren.
1. Normen und Bezeichnungen
- EN: Sowohl S355 als auch S460 sind in EN 10025 spezifiziert (z. B. EN 10025‑2 für unlegierte Baustähle). Varianten umfassen Suffixe für die Schlagzähigkeit (JR, J0, J2) und für die Verarbeitung (M = thermomechanisch gewalzt, N = normalisiert).
- ISO: Entsprechende Bezeichnungen können in ISO-Listen für Baustähle erscheinen, aber EN-Namen sind in Europa am häufigsten.
- ASTM/ASME: Diese Stähle sind keine direkten Eins-zu-eins-Entsprechungen zu ASTM-Güten (ASTM verwendet unterschiedliche Chemien und Nomenklaturen); die Auswahl zwischen EN- und ASTM-Stählen erfordert einen Vergleich der Eigenschaften und nicht einen direkten Namensersatz.
- JIS/GB: Japanische (JIS) und chinesische (GB) Normen haben ihre eigenen Baustahlgüten; Kreuzreferenztabellen werden für die Austauschbarkeit verwendet.
- Klassifizierung: Sowohl S355 als auch S460 sind HSLA-Typ (hochfester niedriglegierter) Baustähle – unlegierte Kohlenstoff-Mangan-Stähle, die Mikrolegierungselemente (Nb, V, Ti) zur Verbesserung von Festigkeit und Zähigkeit enthalten können. Sie sind keine legierten Werkzeugstähle oder rostfreien Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typisches S355 (EN 10025-Varianten) | Typisches S460 (EN 10025-Varianten) |
|---|---|---|
| C (max) | ~0.20–0.24 Gew.% (variiert je nach Variante) | ~0.16–0.22 Gew.% (variiert je nach Variante) |
| Mn (typ.) | ≤1.60 Gew.% | ≤1.60 Gew.% |
| Si (max) | ≤0.55 Gew.% | ≤0.55 Gew.% |
| P (max) | ≤0.035 Gew.% | ≤0.035 Gew.% |
| S (max) | ≤0.035 Gew.% | ≤0.035 Gew.% |
| Cr | Spuren bis niedrig (nicht obligatorisch) | Spuren bis niedrig |
| Ni | Spuren bis niedrig | Spuren bis niedrig |
| Mo | Spuren bis niedrig | Spuren bis niedrig |
| V (Mikrolegierung) | kann in mikrolegierten Varianten vorhanden sein | häufig in mikrolegierten Güten verwendet |
| Nb (Mikrolegierung) | kann vorhanden sein | häufig in S460M/N-Varianten verwendet |
| Ti (Mikrolegierung) | manchmal vorhanden | manchmal vorhanden |
| B (ppm-Niveau) | möglich in mikrolegierten Varianten | möglich in mikrolegierten Varianten |
| N (kontrolliert) | kontrolliert für Zähigkeit | kontrolliert für Zähigkeit |
Hinweise: - Werte sind indikative Bereiche. Exakte Grenzen hängen von der EN 10025-Untergüte (z. B. S355JR, S355J0, S355J2, S460M, S460N) und den Herstellerzertifizierungen ab. - S460 erreicht häufig eine höhere Streckgrenze durch thermomechanisches Walzen (TMCP) und Mikrolegierung (Nb, V, Ti) anstelle einer großen Erhöhung des Kohlenstoffs. - Legierungsstrategie: niedrigen Kohlenstoff und kontrolliertes Phosphor/Schwefel für Schweißbarkeit und Zähigkeit beibehalten; Mikrolegierungselemente hinzufügen, um die Korngröße zu verfeinern und die Ausscheidungsstärkung zu fördern, ohne die Schweißbarkeit zu beeinträchtigen.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff: erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit, wenn er übermäßig ist. - Mangan: fördert Festigkeit und Härtbarkeit; in kontrollierten Mengen unterstützt es die Entgasung und Zähigkeit. - Si: Entgasungsmittel; moderate Mengen helfen der Festigkeit, können jedoch die Zähigkeit beeinflussen. - Nb, V, Ti: Mikrolegierungselemente, die höhere Festigkeit durch Kornverfeinerung und Ausscheidungshärtung mit minimalen negativen Auswirkungen auf die Schweißbarkeit bei niedrigen Konzentrationen ermöglichen. - Mo, Cr, Ni: nicht primär in diesen Güten, können jedoch die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit beeinflussen, wenn sie vorhanden sind.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - S355 (gewalzt/normalisiert): Ferrit-Perlit-Mikrostruktur mit relativ groben Körnern in einfach gewalzten Bedingungen; Zähigkeit verbessert durch Normalisierung. - S460 (TMCP oder normalisiert): feinkörniger Ferrit mit einer kontrollierten Menge an Bainit/vergütetem Martensit in einigen thermomechanisch gewalzten Produkten; Mikrolegierungsniederschläge verfeinern die Korngröße und erhöhen die Festigkeit.
Auswirkungen der Verarbeitungswege: - Normalisieren: Wiedererwärmung und Luftkühlung verfeinern die Korngröße und verbessern die Zähigkeit für beide Güten; S460-Varianten mit „N“ werden normalisiert, um konsistente Eigenschaften zu gewährleisten. - Thermomechanische Steuerungsverarbeitung (TMCP): wird häufig für S460M verwendet, um höhere Festigkeit bei niedrigeren Kohlenstoffäquivalenten zu erreichen – produziert einen feinen, hochfesten Ferrit/Matrix mit verbesserter Zähigkeit. - Abschrecken & Vergüten: nicht typisch für Standard-Baustähle S355/S460 (diese werden als gewalzt oder normalisiert geliefert); Abschrecken und Vergüten ist ein anderer Weg, der für hochfeste, abgeschreckte legierte Stähle verwendet wird und die Eigenschaften über die EN-Gütespezifikationen hinaus wesentlich verändern würde.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | S355 (typisch) | S460 (typisch) |
|---|---|---|
| Mindeststreckgrenze (Rp0.2) | ~355 MPa (Flachprodukte gemäß EN 10025) | ~460 MPa |
| Zugfestigkeit (Rm) | ~470–630 MPa (varianten- und dickeabhängig) | ~510–680 MPa (varianten- und dickeabhängig) |
| Dehnung (A, % min) | ~20–22% (dickeabhängig; geringer mit zunehmender Dicke) | ~14–20% (dicke- und variantenabhängig) |
| Schlagzähigkeit (Charpy V) | Spezifiziert nach Variante (z. B. 27 J bei +20°C / 0°C / −20°C je nach JR/J0/J2) | Oft für tiefere Temperaturen spezifiziert (Varianten gewährleisten äquivalente oder verbesserte Zähigkeit bei Entwurfstemperatur) |
| Härte (typisch, nicht HT) | Niedrig–moderat (strukturabhängig; typischerweise im unteren Härtebereich für Baustähle) | Moderat (höhere Festigkeit führt häufig zu etwas höherer Härte) |
Interpretation: - S460 ist die stärkere Güte in Bezug auf Streckgrenze und oft Zugfestigkeit; die Festigkeitssteigerung wird hauptsächlich durch Mikrolegierung und TMCP erreicht, nicht durch eine signifikante Erhöhung des Kohlenstoffs. - S355 neigt dazu, in vielen Produkt-/Variantenvergleichen etwas duktiler (höhere Dehnung) zu sein, aufgrund seiner niedrigeren Nachweisgrenzanforderung. - Zähigkeit ist variantenabhängig; beide Güten können mit Schlaganforderungen spezifiziert werden, die für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen geeignet sind. S460 ist so konstruiert, dass es die Zähigkeit bei höheren Festigkeitsniveaus durch kontrollierte Verarbeitung beibehält.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit hängen vom Kohlenstoffgehalt, dem Kohlenstoffäquivalent und der Mikrolegierung ab. Häufige prädiktive Formeln umfassen:
-
IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Globaler Parameter ($P_{cm}$) für die Anfälligkeit für Schweißrisse: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Sowohl S355 als auch S460 gelten allgemein als schweißbar mit angemessener Vorwärmung, interpass Temperaturkontrolle und passenden Füllmaterialien. S460, aufgrund der höheren Härtbarkeit durch Mikrolegierung und leicht höherer Festigkeit, kann kontrolliertere Schweißverfahren (niedrigere Wärmezufuhrgrenzen, höhere Vorwärmung oder Nachschweißwärmebehandlung in einigen Fällen) als S355 erfordern, um Kaltverzug zu vermeiden. - Kohlenstoffäquivalente für typische EN S355- und S460-Varianten sind im Vergleich zu abgeschreckten legierten Stählen im Allgemeinen niedrig bis moderat, aber S460M/N-Varianten können aufgrund von Nb/V-Zusätzen höhere CEs aufweisen. Berechnen Sie immer CE oder $P_{cm}$ für die Chemie und Dicke des Herstellers, um Vorwärmung und Verbraucherauswahl zu definieren.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder S355 noch S460 sind rostfreie Stähle; sie haben nicht genügend Chrom oder Nickel zur Bildung einer passiven Schicht. Korrosionsschutz erfolgt daher durch Beschichtungen und Design:
- Feuerverzinkung, zinkreiche Grundierungen plus Farbsysteme, Metallisierung oder korrosionsbeständige Beschichtungen sind üblich.
- Entwurf für Entwässerung, Vermeidung von Spalten und Verwendung von opfernden Beschichtungen, wo angebracht.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist nicht anwendbar auf nicht rostfreie Baustähle, aber zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist relevant für rostfreie Legierungen und hat keine Bedeutung für S355/S460.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Schneiden: Plasma-, Sauerstoffbrenn-, Laser- und Wasserstrahlschneiden sind Standard für beide Güten. Der hochfeste S460 kann aufgrund der höheren Härte leicht höheren Werkzeugverschleiß und Rückfederung beim Brennschneiden zeigen.
- Biegen/Formen: S355 lässt sich aufgrund der niedrigeren Streckgrenze leichter kaltformen und biegen; S460 erfordert höhere Formkräfte und eine engere Rückfederungskontrolle. Die Formgrenzen hängen von Dicke, Wärmebehandlung und Variante ab.
- Bearbeitbarkeit: Beide sind Standard-Kohlenstoff-/Mikrolegierungsstähle; die Bearbeitbarkeit ist im Allgemeinen moderat. Die höhere Festigkeit von S460 und die Mikrolegierungsniederschläge können die Bearbeitbarkeit leicht verringern und den Verschleiß an Werkzeugen erhöhen.
- Oberflächenbehandlung: Oberflächenbehandlungen (Strahlen, Lackieren, Verzinken) sind für beide Güten ähnlich; Vorwärm- und Spannungsabbauüberlegungen für geschweißte Baugruppen unterscheiden sich je nach Güte.
8. Typische Anwendungen
| S355 — Typische Anwendungen | S460 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Bauwerke (Träger, Säulen), wo Standardfestigkeit ausreicht | Brücken und Langspannelemente, wo höhere Festigkeit die Querschnittsgröße reduziert |
| Allgemeine Strukturkomponenten, Rahmen und Plattformen | Rahmen für schwere Maschinen mit Gewichtsreduzierungsanforderungen |
| Geschweißte Stahlbauten und sekundäre Stahlkonstruktionen | Hochleistungsstrukturteile in Offshore-/Onshore-Stahlkonstruktionen, wo das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht entscheidend ist |
| Fertigteile, Platten und Profile für moderate Belastungen | Kranträger, große geschweißte Konstruktionen und Strukturen, wo eine Reduzierung der Materialdicke wünschenswert ist |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie S355, wenn Kosten, einfache Bearbeitung und standardmäßige strukturelle Leistung im Vordergrund stehen. Es ist oft die Standardwahl für Bauwerke und allgemeine Fertigung. - Wählen Sie S460, wenn das Design von einer höheren Streckgrenze profitiert – z. B. um die Größe der Bauteile zu reduzieren, strengere Durchbiegungs- oder Knickanforderungen zu erfüllen oder Gewicht in transportbeschränkten Systemen zu sparen – vorausgesetzt, dass Schweiß- und Fertigungsrichtlinien umgesetzt werden.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: S460 ist im Allgemeinen teurer pro Tonne als S355 aufgrund strengerer Verarbeitungsrichtlinien (TMCP/Normalisierung), möglichem Mikrolegierungsgehalt und geringeren Produktionsvolumina. Der Preisaufschlag variiert je nach Markt, Produktform und Dicke.
- Verfügbarkeit: S355 hat eine breitere Verfügbarkeit in Platten, warmgewalzten Profilen und strukturellen Formen. S460 ist weit verbreitet für Platten und strukturelle Profile, kann jedoch längere Lieferzeiten für spezifische Dicken, Behandlungsstufen oder Schlagvarianten haben.
- Produkteffekt: Platten und Coils mit zertifizierten S460M/N-Eigenschaften können in der Versorgung begrenzter sein als Standard-S355; der Einkauf sollte Lieferzeiten und Lieferantenqualifikationen berücksichtigen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | S355 | S460 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (Standardverfahren) | Gut bis moderat (kann engere Kontrollen erfordern) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Moderate Festigkeit mit guter Duktilität | Höhere Festigkeit mit ingenieurtechnischer Zähigkeit durch TMCP |
| Kosten | Niedriger | Höher (Aufschlag für höhere Festigkeit/Verarbeitung) |
Wählen Sie S355, wenn: - Einfachheit der Fertigung, breite Verfügbarkeit und niedrigere Materialkosten Priorität haben. - Entlastungs- und Gewichtsbeschränkungen ohne hochfeste Querschnitte erfüllt werden können. - Standard-Schweißverfahren und routinemäßige Vorwärm-/Zwischenpasskontrolle gewünscht sind.
Wählen Sie S460, wenn: - Strukturelle Effizienz und Gewichtsreduzierung entscheidend sind (z. B. lange Spannweiten, Kranträger, eingeschränkter Transport). - Das Projekt engere Schweiß-/Fertigungsrichtlinien unterstützen kann und möglicherweise höhere Materialkosten in Kauf nimmt, um Lebenszyklus- oder Leistungsgewinne zu realisieren. - Vorgeschriebene Schlagzähigkeit und höhere Nachweisgrenzwerte durch das Design erforderlich sind.
Abschließende Bemerkung: Sowohl S355 als auch S460 sind so konstruiert, dass sie zuverlässige strukturelle Leistungen bieten; die Wahl wird durch die erforderliche Streckgrenze, Fertigungsbeschränkungen, Anforderungen an Temperatur/Zähigkeit und Gesamtkosten des Eigentums bestimmt. Überprüfen Sie immer die genauen chemischen und mechanischen Grenzen aus dem Werkzertifikat des Lieferanten und führen Sie Berechnungen des Kohlenstoffäquivalents sowie Qualifikationen der Schweißverfahren für kritische Fertigungen durch.