SD390 vs SD490 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
SD390 und SD490 sind zwei weit verbreitete hochfeste Baustahlgüten, die im Bauwesen, bei Bewehrungsstäben und einigen kaltgeformten Bauteilen vorkommen. Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen regelmäßig vor der Auswahl zwischen diesen Güten: das höhere Festigkeitsniveau mit Schweißbarkeit, Duktilität, Fertigungskosten und Verfügbarkeit in Einklang zu bringen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Frage, ob die höhere Streckgrenze spezifiziert werden soll, um Querschnittsgrößen und Gewicht zu reduzieren, oder ob die verbesserte Schweißbarkeit und Formbarkeit für komplexe Fertigungen priorisiert werden soll.
Der Hauptunterscheidungsfaktor zwischen den beiden ist die angestrebte Mindeststreckgrenze: SD390 wird um eine Streckgrenze von 390 MPa und SD490 um eine von 490 MPa gemäß der relevanten japanischen Bezeichnungspraxis spezifiziert. Da beide Stähle hauptsächlich als strukturelle Kohlenstoff-/HSLA-Stähle und nicht als rostfreie oder Werkzeugstähle gedacht sind, werden sie häufig verglichen, wenn Designer ein Festigkeitsniveau wählen müssen, ohne in legierte oder rostfreie Kategorien zu wechseln.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche Normen, in denen SD-Serie Güten erscheinen oder referenziert werden:
- JIS (Japanische Industrie-Normen) – SD-Güten werden häufig mit JIS-Bezeichnungen für Bewehrungs- und Baustähle in Verbindung gebracht.
- GB/T (chinesische nationale Normen) und andere regionale Normen verwenden manchmal ähnliche Festigkeitsklassennomenklatur für Bewehrungsstäbe und Baustähle.
- EN und ASTM verwenden das SD-Präfix nicht direkt, haben jedoch analoge Festigkeitsklassen (z. B. S355, GRADE 50 Bewehrungsäquivalente).
- Klassifizierung nach Metallurgie:
- SD390: Niedrig- bis mittelkohlenstoffhaltiger struktureller/HSLA-Stahl (Kohlenstoff/HSLA).
- SD490: Niedrig- bis mittelkohlenstoffhaltiger struktureller/HSLA-Stahl (hochfester Kohlenstoff/HSLA).
- Keine der Güten ist ein rostfreier, Werkzeug- oder hochlegierter Stahl; sie sind typischerweise einfache Kohlenstoffstähle, die durch kontrollierte Chemie und oft durch Mikrolegierung und thermomechanische Verarbeitung modifiziert werden, um die angestrebten Eigenschaften zu erreichen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Hinweis: Die genauen chemischen Grenzen und Zusammensetzungen variieren je nach Normenausgabe und Anbieter. Die folgende Tabelle fasst typische chemische Eigenschaften zusammen, die in den Datenblättern der Anbieter für SD-Serie Baustähle zu finden sind. Bestätigen Sie immer die Zusammensetzung mit den Werkszertifikaten für kritische Anwendungen.
| Element | Typischer Gehalt in SD390 | Typischer Gehalt in SD490 |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | Niedriger Kohlenstoff, kontrolliert zur Verbesserung der Schweißbarkeit (typisch: ≤ ~0,25%) | Niedriger Kohlenstoff, oft ähnlich kontrolliert (typisch: ≤ ~0,22%) |
| Mn (Mangan) | Mittlere Werte für Festigkeit und Härtbarkeit (typischer Bereich) | Mittel bis leicht höher zur Unterstützung höherer Festigkeit |
| Si (Silizium) | Kleine Mengen (Entgasung; ~0,1–0,6%) | Ähnliche Werte wie SD390 |
| P (Phosphor) | Niedrig gehalten für Zähigkeit (Spuren; z. B. ≤ ~0,04–0,05%) | Niedrig gehalten |
| S (Schwefel) | Niedrig gehalten für Duktilität/Bearbeitbarkeit (Spuren; z. B. ≤ ~0,04–0,05%) | Niedrig gehalten |
| Cr, Ni, Mo | In der Regel minimal oder spurenhaft; nur vorhanden, wenn für spezifische Mischungen erforderlich | Kann in einigen Werken kleine Zusätze haben, um höhere Festigkeit ohne übermäßigen Kohlenstoff zu erreichen |
| V, Nb, Ti (Mikrolegierung) | Oft in Spuren bis geringen Mengen vorhanden, um die Korngröße zu verfeinern und Festigkeit/Zähigkeit zu verbessern | Häufig verwendet, um die Streckgrenze durch Ausscheidungsstärkung zu erhöhen |
| B, N | Spurenwerte kontrolliert, um Versprödung zu vermeiden; N kontrolliert für Zähigkeit | Die gleichen Überlegungen gelten |
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität, wenn er übermäßig erhöht wird. - Mangan trägt zur Festigkeit und Zähigkeit bei; es erhöht auch die Härtbarkeit. - Silizium ist ein Entgasungsmittel und trägt zur Festigkeit bei; übermäßiges Si kann bestimmte Beschichtungen beeinträchtigen. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) ermöglichen höhere Streckgrenzen durch Ausscheidungsstärkung und Kornverfeinerung mit nur geringen Reduzierungen der Schweißbarkeit im Vergleich zur Erhöhung des Kohlenstoffs.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Typische Mikrostruktur: Sowohl SD390 als auch SD490 werden hergestellt, um Ferrit-Perlit oder feinkörnigen Ferrit mit dispersem Perlit und/oder Mikrolegierungsniederschlägen zu erzeugen. Thermomechanisches Walzen (kontrolliertes Walzen) und beschleunigte Abkühlung erzeugen feinkörnige ferritisch/perlitische oder bainitähnliche Strukturen, abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und Chemie.
- SD390: Mit niedrigeren Festigkeitszielen ist die Mikrostruktur häufig Ferrit-Perlit mit kontrollierter Korngröße für gute Duktilität und Zähigkeit unter Umgebungsbedingungen.
- SD490: Um höhere Streckwerte zu erreichen, verlassen sich die Hersteller häufig auf eine Kombination aus leicht höherem Mn und Mikrolegierung sowie thermomechanischer Verarbeitung, um eine feinere Mikrostruktur und Ausscheidungsstärkung zu erzeugen; einige kommerzielle Produkte können Übergangs-Bainit oder feineren Perlit aufweisen.
- Reaktion auf Wärmebehandlung:
- Normalisieren/Verfeinern: Beide Güten reagieren auf Normalisieren oder kontrolliertes Walzen mit Kornverfeinerung und verbesserter Zähigkeit.
- Härten und Anlassen: Wird typischerweise nicht auf als geliefert deformierten Stählen angewendet, die in Bewehrungsstäben oder Standardbauteilen verwendet werden; Q&T kann die Festigkeit erhöhen und die Zähigkeit anpassen, verändert jedoch Kosten und Verfügbarkeit.
- Thermomechanische Verarbeitung: Üblicher Weg, um die Festigkeit der SD490-Klasse zu erreichen, ohne den Kohlenstoff signifikant zu erhöhen, und dabei eine bessere Schweißbarkeit als kohlenstofferhöhte Ansätze zu bewahren.
4. Mechanische Eigenschaften
Die entscheidende mechanische Unterscheidung ist die Mindeststreckgrenze. Andere mechanische Eigenschaften hängen stark von der Verarbeitung, der Produktform und der Prüftemperatur ab. Die folgende Tabelle gibt typische oder standardisierte Mindestwerte an, wo anwendbar, und übliche Bereiche.
| Eigenschaft | SD390 (typisch/minimal) | SD490 (typisch/minimal) |
|---|---|---|
| Mindeststreckgrenze (MPa) | ~390 MPa (Entwurfsklasse) | ~490 MPa (Entwurfsklasse) |
| Zugfestigkeit (MPa) | Typischer Bereich abhängig von der Verarbeitung (oft ~520–680 MPa) | Typischer Bereich abhängig von der Verarbeitung (oft ~560–760 MPa) |
| Dehnung (Lo = spezifizierte Messung) | Mäßig (gewöhnlich ≥10–18% abhängig von Querschnitt und Norm) | Typischerweise niedriger als SD390 bei ähnlichen Produktformen (gewöhnlich ≥8–16%) |
| Schlagzähigkeit | Gut bei Umgebungstemperatur, wenn Korn verfeinert; variiert mit der Querschnittsdicke | Kann gut sein, wenn thermomechanisch verarbeitet und mikrolegiert; erfordert möglicherweise engere Kontrolle bei niedrigen Temperaturen |
| Härte | Mäßig (hängt von der Zugfestigkeit ab) | Höher als SD390 für vergleichbare Formen |
Welcher ist stärker, zäher oder duktiler: - Festigkeit: SD490 > SD390 nach Design (höhere Streckgrenze und normalerweise höhere Zugfestigkeit). - Duktilität/Zähigkeit: SD390 bietet im Allgemeinen höhere Duktilität und kann bei gleichwertigen Produktformen eine bessere Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen aufweisen, es sei denn, SD490 wird speziell verarbeitet, um die Zähigkeit zu verbessern (z. B. sorgfältige TMCP und Mikrolegierungsnutzung). - Kompromiss: Die Erreichung der Festigkeit der SD490-Klasse ohne Kompromisse bei der Zähigkeit erfordert typischerweise Mikrolegierung und kontrollierte Verarbeitung, anstatt einfach Kohlenstoff hinzuzufügen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit ist ein kritischer Auswahlfaktor. Wichtige Überlegungen sind der Kohlenstoffäquivalent und das Vorhandensein von Elementen, die die Härtbarkeit erhöhen.
Nützliche prädiktive Formeln (qualitativ interpretieren; nicht als Ersatz für die Qualifizierung des Schweißverfahrens verwenden): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm zur Bewertung der Schweißbarkeit: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Höhere $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ Werte weisen auf ein erhöhtes Risiko harter, spröder schweißwärmebeeinflusster Zonen hin und erfordern eine höhere Vorwärmung, kontrollierte Zwischentemperaturen oder eine Nachschweißwärmebehandlung. - SD490 hat aufgrund der höheren Festigkeit und oft höheren Legierungsgehalte oder Mikrolegierung tendenziell eine höhere Härtbarkeit als SD390 bei ähnlichen Kohlenstoffgehalten. Daher können SD490-Produkte sorgfältigere Schweißverfahren (Vorwärmung, niedrigere Wärmezufuhrkontrolle, qualifizierte Verbrauchsmaterialien) erfordern, insbesondere in dickeren Querschnitten. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) erhöhen die Ausscheidungsstärkung, können jedoch auch die Härtbarkeit erhöhen; eine sorgfältige Wärmezufuhrkontrolle mindert die HAZ-Härte.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl SD390 als auch SD490 sind nicht rostfreie Kohlenstoff-/HSLA-Stähle und bieten keinen inhärenten Korrosionsschutz über den einfachen Kohlenstoffstahl hinaus.
- Übliche Schutzmethoden:
- Feuerverzinkung für langfristigen atmosphärischen Schutz.
- Epoxid- oder zinkreiche Grundierungen und Beschichtungen für aggressive Umgebungen.
- Beschichtungssysteme und kathodischer Schutz, wo angebracht.
- PREN ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar. Zum Vergleich: Der PREN-Index für rostfreie Legierungen ist: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ aber dies gilt nicht für SD-Serie Kohlenstoffstähle.
- Auswahlrichtlinien: Wenn Korrosionsbeständigkeit ein primärer Faktor ist, ziehen Sie in Betracht, schützende Beschichtungen zu spezifizieren oder auf eine korrosionsbeständige Legierung umzusteigen, anstatt sich auf SD390/SD490 zu verlassen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit/Biegen:
- SD390 bietet im Allgemeinen eine bessere Biege- und Formfähigkeit für eine gegebene Produktform aufgrund seiner niedrigeren Streckgrenze und höheren Duktilität.
- SD490 erfordert eine engere Kontrolle der Biegeradien, potenziell höhere Rückfederkräfte und sorgfältigere Prozessplanung beim Kaltformen.
- Bearbeitbarkeit:
- Beide sind mit geeigneten Werkzeugen gut bearbeitbar; SD490 kann bei höheren Festigkeitsstufen etwas abrasiver oder schwieriger zu bearbeiten sein.
- Schneiden und Schweißen:
- SD490 kann höhere Kräfte für das Schneiden und robustere Schneid-/Schweißparameter erfordern.
- Oberflächenveredelung:
- Beide akzeptieren gängige Veredelungsoperationen; hochfeste mikrolegierte Varianten können leicht unterschiedliche Schleif-/Polierreaktionen zeigen.
8. Typische Anwendungen
| SD390 – Typische Anwendungen | SD490 – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Bewehrungsstäbe und -gitter für Beton, wo Standardfestigkeit ausreichend ist | Bewehrungsstäbe und Bauteile, wo höhere Streckgrenze die Querschnittsgröße reduziert |
| Bauteile in Gebäuden mit Standardbelastungen, wo Duktilität und einfache Schweißbarkeit priorisiert werden | Brücken, hochfeste Bauteile und Projekte, wo Gewichtsreduktion entscheidend ist |
| Kaltgeformte Querschnitte und allgemeine strukturelle Anwendungen, wo Formen und Biegen häufig sind | Anwendungen, die eine höhere Tragfähigkeit pro Querschnitt erfordern oder wo die Entwurfsvorschriften höhere Festigkeitsgüten verlangen |
| Fertigung, die Schweißbarkeit und niedrige Vorwärm-Anforderungen betont | Fertigung, wo fortschrittliche thermomechanische Verarbeitung sowohl höhere Festigkeit als auch akzeptable Zähigkeit bietet |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie SD390, wenn die Komplexität der Fertigung, hohe Duktilität und einfacheres Schweißen priorisiert werden und wenn die 390 MPa-Klasse die strukturellen Anforderungen erfüllt. - Wählen Sie SD490, wenn das Design eine höhere Streckgrenze erfordert, um die Querschnittsdicke zu reduzieren, oder wenn die Projektspezifikationen die höhere Klasse verlangen, vorausgesetzt, die Beschaffungs- und Fertigungsteams können die Schweiß-/Formungsimplikationen verwalten.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: SD490 hat typischerweise einen höheren Stückpreis als SD390 aufgrund zusätzlicher Verarbeitung (TMCP, Mikrolegierung, engere Kontrollen) und manchmal aufgrund kleinerer Produktionsvolumina. Allerdings können die Materialkosten pro Bauteil durch reduziertes Gewicht oder kleinere Querschnitte ausgeglichen werden.
- Verfügbarkeit: SD390 ist in der Regel in einer Vielzahl von Produktformen (Bewehrungsstäbe, Stangen, bestimmte strukturelle Formen) breiter verfügbar. Die Verfügbarkeit von SD490 hängt von der regionalen Marktnachfrage und den Werkskapazitäten ab; es ist häufig für Bewehrungsstäbe und bestimmte Strukturprodukte verfügbar, kann jedoch Vorlaufzeiten oder Mindestbestellüberlegungen haben.
- Produktform: Beide Güten werden häufig als Bewehrungsstäbe, Handelsstähle und manchmal als warmgewalzte Querschnitte verkauft; überprüfen Sie die lokalen Werksbestände und Zertifizierungen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | SD390 | SD490 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedriger CE) | Akzeptabel, erfordert jedoch mehr Kontrolle |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Gute Duktilität und Zähigkeit für den allgemeinen Gebrauch | Höhere Festigkeit; Zähigkeit hängt von der Verarbeitung ab |
| Kosten | Niedriger (Materialbasis) | Höher (Verarbeitung und engere Kontrollen) |
Empfehlung: - Wählen Sie SD390, wenn: - Ihre Entlastungen mit ~390 MPa Streckmaterial erfüllt werden können. - Einfachheit beim Schweißen, Formen und höhere Duktilität Priorität haben. - Sie breitere Verfügbarkeit und niedrigere Materialkosten bevorzugen. - Wählen Sie SD490, wenn: - Die strukturelle Optimierung eine höhere Streckgrenze erfordert, um Querschnittsgrößen oder Gewicht zu reduzieren. - Das Projekt engere Fertigungskontrollen (Schweißen, Biegen) toleriert oder der Anbieter TMCP/mikrolegierte Produkte mit nachgewiesener Zähigkeit bereitstellt. - Sie qualifizierte Schweißverfahren und erfahrene Fertiger haben, um HAZ-Bedenken zu managen.
Letzter Hinweis: SD390 und SD490 sind beide nützliche Klassen innerhalb der Familie der strukturellen Kohlenstoff-/HSLA-Stähle. Die richtige Wahl hängt von einer ganzheitlichen Bewertung der strukturellen Anforderungen, der Fertigungskapazität, der Schweißverfahren, der Beschichtungsbedürfnisse und der Gesamtkosten des Projekts ab. Für kritische Projekte sollten Sie immer Werkszertifikate, Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) einholen und, falls erforderlich, mit Stahlproduzenten konsultieren, um die genaue Chemie und den Verarbeitungsweg auszuwählen, der das erforderliche Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit liefert.