SPHC vs SPHD – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einleitung

SPHC und SPHD sind zwei nach JIS benannte warmgewalzte Stahlgüten, die häufig in Blech- und Bandform für Struktur- und Umformarbeiten eingesetzt werden. Ingenieure, Einkäufer und Produktionsplaner stehen oft vor der Wahl zwischen diesen beiden, wenn sie Kosten, Umformbarkeit und Anforderungen an die nachgelagerte Verarbeitung abwägen müssen. Typische Entscheidungskontexte betreffen die Priorisierung von Tiefziehfähigkeit und enger Oberflächenqualität (umformintensive Bauteile) gegenüber allgemeinen Strukturbauteilen, bei denen Kosten und Verfügbarkeit im Vordergrund stehen.

Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass SPHD für verbesserte Zieh- und Umformeigenschaften im Vergleich zu SPHC, einem handelsüblichen Warmwalzstahl, produziert und spezifiziert wird. Da beide für ähnliche Bauteilfamilien verwendet werden, erfolgt ein direkter Vergleich häufig in Konstruktionsprüfungen und Einkaufsspezifikationen.

1. Normen und Bezeichnungen

• JIS (Japanese Industrial Standards):
• SPHC — Warmgewalzte Stahlplatten, Bleche und Bänder für allgemeine Umformzwecke (Handelsqualität).
• SPHD — Warmgewalzte Stahlplatten, Bleche und Bänder zum Tiefziehen (verbesserte Umformbarkeit).
• ASTM/ASME: Es gibt kein direktes eins-zu-eins ASTM-Äquivalent; die nächsten Entsprechungen sind generische warmgewalzte Baustähle unter den ASTM A1011 / A1008-Familien (Handelsqualität vs. Tiefziehqualität), wobei sich die Spezifikationen je nach Chemie und zulässigen Toleranzen unterscheiden.
• EN: Die EN 10025-Familie umfasst Baustähle, hingegen decken weitere EN-Normen Zieh- und Tiefziehqualitäten ab; eine Gleichwertigkeit erfordert fallweise Überprüfung von Chemie und mechanischen Eigenschaften.
• GB (China): Chinesische warmgewalzte Handels- und Ziehstähle (z.B. Q235-Serie für allgemeine Qualitäten) können ähnliche Funktionen erfüllen, sind jedoch keine direkten Äquivalente ohne Vergleich.

Klassifizierung: Sowohl SPHC als auch SPHD sind Kohlenstoffstähle (niedriglegiert) und keine legierten, Werkzeug-, Edel- oder HSLA-Stähle. Einige Walzwerke fügen mikrolegierende Elemente in Spuren für Eigenschaftenkontrolle hinzu, grundsätzlich handelt es sich aber um niedriglegierte, warmgewalzte Stähle.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Hinweis: Die Tabelle gibt eine qualitative Zusammensetzungsstrategie wieder und keine spezifischen Gewichtsprozentgrenzen. Beide Güten sind absichtlich niedrig legiert/niedriger Kohlenstoffgehalt; SPHD legt stärkeren Wert darauf, Elemente und Verunreinigungen zu minimieren, die Oberflächenqualität und Umformbarkeit verschlechtern (P, S, freier N, hoher C).

Einfluss der Legierung auf Eigenschaften: - Kohlenstoff erhöht Festigkeit und Härtbarkeit, verringert aber Duktilität und Schweißbarkeit. Der niedrigere Kohlenstoffgehalt bei SPHD verbessert die Umformbarkeit. - Mangan steigert Festigkeit und Härtbarkeit und unterstützt Entoxidation; zu viel Mn kann die Umformbarkeit leicht vermindern. - Silizium dient zur Entoxidation; hoher Si-Gehalt kann Oberflächenqualität und Beschichtbarkeit reduzieren. - Mikrolegierungen (V, Nb, Ti) können in geringen Mengen Kornfeinung bewirken und Festigkeit erhöhen ohne großen Duktilitätsverlust, werden aber bei Tiefziehqualitäten meist vermieden.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsansprechen

Typische Mikrostrukturen: - SPHC: Ferrit-Perlit-Mikrostruktur, entstanden durch Warmwalzen und kontrolliertes Abkühlen. Korn- und Perlitanteil hängen von der Abkühlgeschwindigkeit ab; im Allgemeinen gut ausbalanciert für moderate Festigkeit und Duktilität. - SPHD: Auch Ferrit-Perlit, jedoch mit prozessbedingter Feinere Kornstruktur und reduziertem Perlitanteil (bzw. enger lamellarer Struktur) zur Verbesserung von Umformbarkeit und Gleichmaßdehnung.

Wärmebehandlung und Verarbeitung: - Beide Güten werden gewöhnlich im warmgewalzten Zustand geliefert. Sie sind nicht für Vergüten oder andere Härtungsprozesse vorgesehen, wie sie bei hochfesten Baustählen üblich sind. - Normalglühen kann Kornfeinung sowie eine moderate Steigerung von Festigkeit und Zähigkeit bei beiden Güten bewirken, wird bei SPHD aber selten angewendet, da es Umformbarkeit beeinflussen kann. - Thermomechanisch kontrolliertes Walzen (TMCP) ist bei SPHC/SPHD Handelsqualitäten untypisch, allerdings wenden einige Walzwerke kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen an, um engere Eigenschaftsbereiche zu erzielen. - Kaltumformung (z.B. Beizen, Skin-Pass) beeinflusst Oberflächenbeschaffenheit und mechanische Eigenschaften; SPHD erhält für Ziehanwendungen oft eine engere Oberflächenbehandlung.

4. Mechanische Eigenschaften

Erläuterung: SPHD ist formuliert und verarbeitet, um überlegene Duktilität und konstante Umformverhalten zu liefern; SPHC konzentriert sich auf breite Einsatzmöglichkeiten und Kosteneffizienz. Mechanische Prüfergebnisse sind dicke- und walzwerkabhängig; für präzise Werte sind Walzwerkszeugnisse oder JIS-Tabellen zum jeweiligen Los heranzuziehen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit niedriglegierter warmgewalzter Stähle ist generell gut, hängt jedoch von Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und Verunreinigungen ab. Zwei gebräuchliche Schweißbarkeitsindizes sind nachfolgend dargestellt.

• Carbon Equivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Qualitative Interpretation: - Sowohl SPHC als auch SPHD sind niedrigkohlenstoffig und daher mit gängigen Verfahren (MIG/MAG, E-Hand, WIG) gut schweißbar. - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt und die strengere Kontrolle von Verunreinigungen bei SPHD machen diesen Stahl oft schweißfreundlicher (geringere Kaltverrissneigung und verminderte Neigung zur Bildung harter HAZ-Mikrostrukturen). - Mikrolegierungen in einigen Varianten (Nb, V, Ti) können $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ marginal erhöhen und erfordern bei dickeren Abschnitten ggf. Vorwärmen oder kontrollierte Zwischenlagentemperaturen. - Für sicherheitskritische Bauteile sind Herstellungszertifikate und Schweißanweisungen zu beachten, ebenso Vor- und Nachwärmebehandlung sowie Wasserstoffkontrolle, besonders bei dickeren und mehrlagigen Schweißungen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder SPHC noch SPHD sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit entspricht der von unlegiertem Kohlenstoffstahl und muss für die Lebensdauer berücksichtigt werden.
• Typische Schutzmaßnahmen:
• Feuerverzinkung zum Schutz gegen atmosphärische Korrosion.
• Galvanisieren, Coil-Coating oder Lackieren zur Verbesserung von Ästhetik und Korrosionsschutz.
• Umwandlungsbeschichtungen (Phosphatieren) vor Lackieren oder Umformen zur Haftungsförderung.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) gilt für Edelstahlqualitäten und ist für SPHC oder SPHD nicht relevant, dient aber zur Orientierung: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist für diese unlegierten Stähle nicht anwendbar.

Bei der Spezifikation von Oberflächenfinish und Korrosionsschutz sollte die durch Umformen verursachte Beschädigung von Beschichtungen berücksichtigt werden: Für Tiefziehen (SPHD) wählen Sie Beschichtungen und Vorbehandlungen, die für hochdehnungsfähiges Umformen ausgelegt sind, um Risse oder Ablösungen zu vermeiden.

7. Fertigung, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit

• Trennen: Plasma-, Laser- oder mechanisches Scherschneiden werden alle eingesetzt. Beide Güten lassen sich gut bearbeiten; die verbesserte Oberflächenqualität von SPHD kann Nachbearbeitungsschritte reduzieren.
• Biegen und Umformen: SPHD übertrifft SPHC beim Tiefziehen und hochbeanspruchten Umformungen aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts, der strengeren Verunreinigungsbegrenzung und des werkseitig gewalzten Oberflächenfinishs; meist toleriert es kleinere Biegeradien und komplexere Geometrien ohne Rissbildung.
• Zerspanbarkeit: Beide Güten sind als Baustähle zerspanbar; die Zerspanbarkeit wird hauptsächlich durch Kohlenstoff- und Schwefelgehalt (bleistiftgeeignete Varianten) sowie Härte beeinflusst. SPHC und SPHD sind nicht für freibearbeitbare (free-cutting) Operationen optimiert.
• Oberflächenfinish: Die Oberflächenqualität ist bei SPHD gleichmäßiger; SPHC zeigt häufig mehr Zunder und Oberflächenunebenheiten, die für kritische Anwendungen Beizen oder Strahlen notwendig machen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlgrundlage: - Verwenden Sie SPHC, wenn Kosten, breite Verfügbarkeit und akzeptable Umformeigenschaften ausreichend sind. - Verwenden Sie SPHD, wenn Konstruktionen hohe Ziehfähigkeit, enge Oberflächenkontrolle oder aufwändigere Umformprozesse erfordern.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• SPHC ist typischerweise die kostengünstigere und breiter verfügbare handelsübliche Warmwalzblechgüte über verschiedene Dickenbereiche und Servicecenter.
• SPHD ist aufgrund der strengeren chemischen Kontrolle und Oberflächenqualität etwas teurer und kann in bestimmten Regionen oder Dicken begrenzter verfügbar sein.
• Produktformen: Coil, Bleche und Zuschnitte; beide werden üblicherweise als Coil produziert. Für Just-in-Time-Fertigung sollten Sie lokale Lagerbestände und Lieferzeiten für SPHD abfragen, da längere Beschaffungszeiten eventuelle Materialvorteile aufheben können.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlungen: - Wählen Sie SPHC, wenn Sie einen kostengünstigen, leicht verfügbaren warmgewalzten Stahl für allgemeine Struktur-, Schweiß- oder leicht umgeformte Bauteile benötigen, bei denen keine extremen Umformeigenschaften erforderlich sind. - Wählen Sie SPHD, wenn Ihre Anwendung überlegene Tiefzieheigenschaften, höhere gleichmäßige Dehnung und engere Oberflächenqualität nach dem Umformen erfordert (z. B. Automobil-Innenverkleidungen, komplexe Stanzteile) und Sie bereit sind, einen moderaten Materialaufschlag und eventuell längere Lieferzeiten in Kauf zu nehmen.

Abschließender Hinweis: Prüfen Sie stets die exakten werkseitigen chemischen und mechanischen Prüfzeugnisse für die von Ihnen eingesetzte Charge. Da sowohl SPHC als auch SPHD eher durch Prozesszielsetzungen und werkseitige Praxis als durch hochlegierte Chemie definiert werden, können die Eigenschaftsschwankungen je nach Lieferant und Dicke variieren; die Materialauswahl sollte daher eine Spezifikationsüberprüfung, Umformversuche und enge Zusammenarbeit mit dem Lieferanten umfassen, um nominales Verhalten in der Serienproduktion sicherzustellen.