SPHC vs SPHD – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

SPHC und SPHD sind zwei häufig spezifizierte JIS (Japanische Industrie Norm) warmgewalzte Stahlgüten, die in der Fertigung, bei Automobilkomponenten, im allgemeinen Bauwesen und in der leichten Industrie verwendet werden. Ingenieure und Beschaffungsteams wählen oft zwischen ihnen, wenn sie Kosten, Formbarkeit, Schweißbarkeit und die mechanischen Eigenschaften, die für gestanzte, gebogene oder geschweißte Teile erforderlich sind, abwägen.

Der wesentliche technische Unterschied, der für die Auswahl von Komponenten relevant ist, besteht darin, dass SPHD produziert und spezifiziert wird, um eine höhere Plastizität (Duktilität und Formbarkeit) im Vergleich zu SPHC zu liefern, das eine allgemeine warmgewalzte Handelsqualität ist. Da beide niedriglegierte, kohlenstoffarme Stähle sind, konzentriert sich das Auswahldilemma typischerweise auf die Formeigenschaften (Tiefziehen, umfangreiches Biegen) im Vergleich zur breiten Verfügbarkeit und den niedrigeren Kosten eines Handelsprodukts.

1. Normen und Bezeichnungen

• JIS: SPHC und SPHD sind JIS-bezeichnete Güten in der Familie der warmgewalzten unlegierten Stähle.
• Andere Normen:
• ASTM/ASME: Grobe Entsprechungen sind allgemeine warmgewalzte kohlenstoffarme Stähle (z.B. ASTM A1011 Handelsgüten), aber eine direkte Eins-zu-eins-Entsprechung sollte nicht ohne Bezugnahme auf spezifische Eigenschaftsanforderungen und Zertifizierungen angenommen werden.
• EN: Ähnliche Rollen spielen EN-Stähle wie S235JR/S235J0 für strukturelle oder allgemeine Qualitätsprodukte; auch hier müssen die Querverweise durch chemische und mechanische Anforderungen validiert werden.
• GB (China): Verschiedene Q235-Familienstähle bedienen ähnliche Märkte.
• Klassifikation: Sowohl SPHC als auch SPHD sind kohlenstoffarme, nichtrostende Kohlenstoffstähle (nicht HSLA, nicht Werkzeugstahl, nicht rostfrei). Sie sind für Form- und allgemeine Strukturverwendungen gedacht, nicht für hochfeste oder korrosionsbeständige Anwendungen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Sowohl SPHC als auch SPHD sind als kohlenstoffarme, niedriglegierte Stähle konzipiert. Sie basieren auf minimaler gezielter Legierung; die Legierungsstrategie besteht darin, Kohlenstoff und Reststoffe niedrig zu halten, um eine gute Kaltformbarkeit, Schweißbarkeit und niedrige Kosten zu gewährleisten.

Erklärung: Die Legierungsabsicht für beide Güten sind minimale Zusätze: genug Mn und Si für Deoxidation und grundlegende Festigkeit, während Elemente, die die Härtbarkeit erhöhen oder die Duktilität verringern (C, Cr, Mo usw.), auf niedrige Werte gehalten werden. SPHD-Spezifikationen und Walzprozesse zielen darauf ab, die Plastizität durch engere Grenzen und Prozesskontrolle zu verbessern, anstatt durch signifikante chemische Legierung.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Mikrostruktur: - Die gewalzte Mikrostruktur beider Güten besteht typischerweise aus Ferrit mit Perlit-Pockets (typisch für kohlenstoffarme warmgewalzte Stähle). Der Volumenanteil von Perlit ist gering, da der Kohlenstoff niedrig ist. - Die Morphologie der Einschlüsse und die Korngröße hängen von der Stahlherstellungspraxis und den Walz-/Glühplänen ab.

Verarbeitungsreaktion: - SPHC: Wird als allgemeines warmgewalztes Produkt mit standardisierter kontrollierter Abkühlung produziert. Die Mikrostruktur ist im Allgemeinen grober Ferrit/Perlit. Normalisieren wird für diese Handelsgüten selten angewendet; mechanische Eigenschaftsverbesserungen durch Wärmebehandlung sind begrenzt, da sie nicht für den Einsatz in gehärtetem/vergütetem Zustand vorgesehen sind. - SPHD: Obwohl chemisch ähnlich, wird SPHD verarbeitet und spezifiziert, um die Formbarkeit zu verbessern. Dies kann eine engere Kontrolle der Endtemperatur beim Warmwalzen, kontrollierte Abkühlung zur Verfeinerung der Kornstruktur und potenzielles leichtes Glühen zur Verbesserung der Duktilität umfassen. Der Effekt ist eine feinere ferritische Mikrostruktur und eine sauberere Einschlüssepopulation, die die Formbarkeit verbessert.

Auswirkungen gängiger Wärmebehandlungen und thermo-mechanischer Verfahren: - Glühen (interkristallin oder voll) erhöht die Duktilität beider Güten, aber SPHD wird eher mit einer Verarbeitungsgeschichte geliefert, die darauf abzielt, die Duktilität zu erhalten. - Härten & Vergüten oder starke Wärmebehandlungen sind für diese Güten nicht typisch; sie sind nicht für martensitische Härtungsreaktionen formuliert aufgrund von niedrigem Kohlenstoff und fehlenden Härtbarkeitselementen. - Thermo-mechanische Kontrolle (kontrolliertes Walzen und beschleunigte Abkühlung) kann die Festigkeit moderat erhöhen, ohne die Duktilität zu opfern — normalerweise ein Weg für HSLA-Stähle und nicht für SPHC/SPHD.

4. Mechanische Eigenschaften

Im Folgenden finden Sie einen qualitativen Vergleich, der das typische Verhalten dieser JIS warmgewalzten Handelsgüten widerspiegelt. Spezifische Werkszertifikate und Einkaufsspezifikationen sollten für Konstruktionsberechnungen verwendet werden.

Erklärung: Der kritische Auswahlfaktor ist die Formbarkeit: SPHD ist darauf ausgelegt, eine höhere Dehnung und ein überlegenes plastisches Verformungsverhalten (Tiefziehen, starkes Biegen) im Vergleich zum allgemeinen SPHC zu bieten. Festigkeitsunterschiede sind normalerweise gering und überlappen sich; die Wahl von SPHD betrifft selten die Festigkeitssteigerung, sondern vielmehr das vorhersehbare und verbesserte plastische Verhalten während der Formgebung.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit sowohl von SPHC als auch von SPHD ist aufgrund des niedrigen Kohlenstoff- und Legierungsgehalts im Allgemeinen gut, aber Mikrolegierung und Verarbeitung können die Anfälligkeit für Kaltverzug und Härtung der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) beeinflussen.

Gängige Formeln zur Bewertung der Schweißbarkeit: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Schweißbarkeitsparameter): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation (qualitativ): - Für diese kohlenstoffarmen Güten sind die Werte von $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ typischerweise niedrig, was auf eine gute allgemeine Schweißbarkeit mit Standard-Kohlenstahl-Schweißzusätzen und Vorwärmverfahren hinweist. - Die verbesserte Duktilität von SPHD verringert das Risiko von schweißbedingten Verformungen und Rissen während der Umformoperationen, aber da SPHD möglicherweise mit leicht niedrigerer Streckgrenze und höherer Duktilität geliefert wird, sollte die Schweißpraxis das Potenzial für verbleibende Verformungen bei dünnen Materialien berücksichtigen. - Vorwärmen und Nachbehandlung sind für moderate Dicken im Allgemeinen nicht erforderlich, aber es sollten immer die Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) basierend auf Dicke, Einschränkung und Einsatzumgebung befolgt werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder SPHC noch SPHD sind rostfreie Stähle; sie sind korrosionsanfällig in atmosphärischen und industriellen Umgebungen.
• Standard Schutzmaßnahmen:
• Feuerverzinkung, Elektroverzinkung oder vorlackierte/beschichtete Systeme bieten opferanoden- oder Barriere-Schutz.
• Organische Beschichtungen (Farben, Pulverbeschichtungen) sind für fertige Teile üblich.
• Öl oder temporäre Rostschutzmittel können während der Lagerung und des Versands verwendet werden.
• PREN ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar. Wenn rostfreie Alternativen bewertet werden, kann der PREN-Index verwendet werden: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Korrosionszuschläge (Materialdicke, Auswahl der Beschichtungen) basieren auf der Umgebung und der erwarteten Lebensdauer; Verzinkung ist eine gängige wirtschaftliche Wahl für strukturelle Expositionen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit: SPHD ist für die Formgebung (Ziehen, Tiefziehen, mehrfaches Biegen) optimiert und zeigt weniger Risse, bessere Faltenresistenz und höhere gleichmäßige Dehnung als SPHC bei vergleichbaren Verarbeitungsbedingungen.
• Biegen: SPHD toleriert engere Biegeradien und tiefere Ziehungen mit reduziertem Risiko von Randrissen.
• Bearbeitbarkeit: Beide Güten haben eine moderate Bearbeitbarkeit; SPHC mit leicht höherem Schwefelgehalt (wenn zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit spezifiziert) könnte einfacher zu bearbeiten sein, aber die Standardpraxis besteht darin, bei Bedarf bearbeitungsoptimierte Untergüten auszuwählen.
• Schneiden und Stanzen: Beide lassen sich leicht stanzen; SPHD kann bei Hochgeschwindigkeitspressen besser laufen, wenn komplexe Ziehungen erforderlich sind.
• Nachbearbeitungen (Formgebung nach Schweißungen, Wärmebegradigung) sollten die Restspannungen berücksichtigen; die höhere Duktilität von SPHD reduziert oft die Rückfederungsvariabilität beim Formen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie SPHC für breite Verfügbarkeit, niedrigere Kosten und wenn die Umformoperationen einfach sind oder wenn eine höhere Streckgrenze akzeptabel sein kann. - Wählen Sie SPHD, wenn der Prozess Tiefziehen, starkes Biegen oder andere hochbelastete Umformoperationen umfasst, bei denen vorhersehbares plastisches Verhalten und höhere Dehnung erforderlich sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: SPHC ist typischerweise das kostengünstigere, allgemeine Produkt aufgrund breiterer Produktionsvolumina und weniger strenger Prozesskontrolle. SPHD kann einen moderaten Aufpreis haben aufgrund engerer Kontrolle der Chemie, Verarbeitung und garantierter Formbarkeitsmetriken.
• Verfügbarkeit: SPHC ist in vielen Dicken und Coils von mehreren Walzwerken weit verbreitet. Die Verfügbarkeit von SPHD kann je nach Walzwerk und Region etwas eingeschränkt sein, wird jedoch normalerweise für Automobil- und Haushaltsgeräte-Lieferketten vorrätig gehalten. Die Verfügbarkeit der Produktform (Coil, Blech, Platte) variiert je nach Walzwerk und Markt; bestätigen Sie immer die Lieferzeit mit den Lieferanten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle

Empfehlung: - Wählen Sie SPHC, wenn Ihre Anforderungen Verfügbarkeit und Kosten für allgemeine Struktur- und Stanzteile priorisieren, bei denen tiefes Formen und maximale Duktilität nicht kritisch sind. - Wählen Sie SPHD, wenn Ihre Teile signifikante plastische Verformungen (Tiefziehen, starkes Biegen, Mehrstufenformung) durchlaufen und Sie vorhersehbare, höhere Dehnung und verbesserte Formbarkeit selbst zu einem moderaten Aufpreis benötigen.

Abschließende Anmerkung: SPHC und SPHD sind verwandte niedriglegierte warmgewalzte Güten mit überlappenden Stärken. Die primäre ingenieurtechnische Entscheidung hängt von der Formbarkeit ab — wählen Sie die Güte, die zur Schwere der Formgebung passt, überprüfen Sie die Werkszertifikate für chemische und mechanische Grenzen und validieren Sie die Form- und Schweißverfahren an repräsentativen Materialchargen vor der vollständigen Produktion.