St12 vs St13 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

St12 und St13 sind traditionelle niedriglegierte Stahlgüten, die häufig in der europäischen Industriepraxis anzutreffen sind, insbesondere in der Produktion von kaltgewalzten Blechen und Bändern. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Auswahlproblem zwischen diesen beiden, wenn sie für konkurrierende Ziele wie die niedrigsten Kosten im Vergleich zu marginal höherer Festigkeit oder maximale Formbarkeit im Vergleich zu leicht verbesserter Verschleißfestigkeit optimieren. Typische Entscheidungskontexte umfassen Tiefziehen vs. leichte Strukturteile, geschweißte Baugruppen vs. Verbraucher-exponierte Paneele und Anforderungen an die Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen vs. allgemeine Fertigung.

Der primäre praktische Unterschied zwischen St12 und St13 ist eine kleine, gezielte Anpassung in der Zusammensetzung und der Anlasstgeschichte, die auf die Leistung bei Kaltwalzen ausgerichtet ist: Eine Güte betont maximale Duktilität und Oberflächenqualität für Umformoperationen, während die andere auf leicht höhere Streckgrenze/Zugfestigkeit und dimensionsstabilität abgestimmt ist. Da die beiden Güten benachbarte Positionen im Spektrum der niedriglegierten Stähle einnehmen, werden sie häufig während der Materialauswahl verglichen, wo marginale Eigenschaftsvergleiche wichtig sind.

1. Normen und Bezeichnungen

• Ursprung und Zuordnung:
• Die Namen St12 und St13 stammen aus der traditionellen deutschen/DIN-Nomenklatur für unlegierte, kaltgewalzte Baustähle.
• Zeitgenössische Spezifikationen und Lieferungen unterliegen breiteren Normen wie EN (europäisch), JIS (japanisch), GB (chinesisch) und nationalen Varianten; genaue Entsprechungen müssen anhand von Materialzertifikaten und aktuellen Normen überprüft werden.
• Klassifizierung:
• Sowohl St12 als auch St13 sind einfache Kohlenstoffstähle (unlegierte/milde Kohlenstoffstähle).
• Sie sind im modernen Sinne keine rostfreien, Werkzeug- oder HSLA-Güten; sie lassen sich am besten als niedriglegierte milde Stähle beschreiben, die für Umformung und Oberflächenqualität optimiert sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle fasst die charakteristischen Legierungstendenzen dieser Güten zusammen, ohne spezifische numerische Grenzen zu erfinden – immer auf die Werkstoffzertifikate und das anwendbare Normdokument für genaue Prozentsätze verweisen.

Wie die Legierungsstrategie die Eigenschaften beeinflusst: - Der niedrige Kohlenstoffgehalt erhält die Duktilität, verbessert die Kaltformbarkeit und verringert das Risiko von Rissen in der schweißbeeinflussten Zone (HAZ). - Niedriges Mangan und das Fehlen starker Legierungselemente bedeuten begrenzte Härtbarkeit; Festigkeitssteigerungen werden durch Kaltverformung und Temperwalzen anstelle des Legierungsgehalts erreicht. - Spuren von Mikrolegierungen in einigen Produktionswegen können die Korngröße verfeinern und die Streckgrenze leicht erhöhen, ohne die Formbarkeit zu opfern.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Beide Güten zeigen eine ferritische Matrix mit möglichem polygonalem Ferrit und kleinen Mengen von Perlit, abhängig von der genauen Kohlenstoff- und Abkühlgeschichte. Für kaltgewalzte und geglühte Produkte ist die Struktur ein feiner Ferrit mit dispergierten Karbiden in Stählen mit leicht höherem Kohlenstoff. - St12 (formbarkeitsorientiert) wird tendenziell geglüht, um eine weichere, gleichmäßigere ferritische Mikrostruktur mit minimalem Perlit zu erzeugen. - St13 (marginal höhere Festigkeit) kann einen leicht höheren Anteil an Perlit oder eine feinere ferritische Korngröße aufweisen, wenn sie mit kontrollierter Abkühlung oder Mikrolegierungszusätzen hergestellt wird.

Reaktion auf gängige Verarbeitungswege: - Glühen (Rekristallisationsglühen für kaltgewalzte Wicklungen): Beide Güten gewinnen an Duktilität zurück; St12 erholt sich auf sehr hohe Dehnungswerte, St13 gewinnt Duktilität zurück, kann jedoch eine marginal höhere Streckgrenze beibehalten. - Normalisieren: nicht typisch für kaltgewalzte Anwendungen, produziert jedoch eine relativ gleichmäßige Ferrit-Perlit-Mikrostruktur; begrenzter Nutzen, da es sich um niedriglegierte Stähle handelt. - Härten & Anlassen: weitgehend nicht anwendbar für diese niedriglegierten Güten, da der Kohlenstoffgehalt unzureichend für eine signifikante Martensitbildung ist; die Festigkeitssteigerung auf diesem Weg ist minimal. - Thermo-mechanische Verarbeitung: wenn sie upstream (warmgewalzte oder mikrolegierte Stähle) angewendet wird, kann die Kornverfeinerung die Streckgrenze erhöhen und gleichzeitig die Duktilität erhalten; dennoch begrenzt die nominale Chemie die erreichbare Härtbarkeit.

4. Mechanische Eigenschaften

Nachfolgend finden Sie einen qualitativen Vergleich. Spezifische numerische Werte müssen aus den Prüfzeugnissen der Walzwerke oder der Einkaufsspezifikation entnommen werden.

Warum diese Unterschiede entstehen: - Kleine Anpassungen in Kohlenstoff, Mangan und prozessinduzierten Korngrößen führen zu den beobachteten Veränderungen. Da die Legierungsunterschiede gering sind, resultiert die meiste Eigenschaftsvariation aus der thermo-mechanischen Geschichte und der Kaltverformung und nicht aus der Chemie.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit beider Güten ist aufgrund ihrer niedrigen Kohlenstoffäquivalente im Allgemeinen ausgezeichnet. Zwei häufig verwendete Formeln für das Kohlenstoffäquivalent, die helfen, die Schweißbarkeit zu bewerten, sind unten aufgeführt; sie quantifizieren die Neigung zur HAZ-Härtung und Kaltverformung.

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

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

Interpretation: - Niedrige Werte von $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ weisen auf eine geringe Anfälligkeit für HAZ-Härte und Kaltverformung hin; sowohl St12 als auch St13 liefern typischerweise günstige (niedrige) Werte, da sie niedriglegiert und unlegiert sind. - St13, mit seiner leicht höheren Festigkeit, kann ein marginal höheres Kohlenstoffäquivalent aufweisen, abhängig von seiner genauen Chemie, aber in den meisten praktischen Chargen lassen sich beide Güten problemlos mit gängigen Füllmetallen schweißen, und Standard-Vorwärm-/Zwischenpasskontrollen sind in der Regel für dünne Abschnitte nicht erforderlich. - Für kritische geschweißte Strukturen sollten $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ aus der tatsächlichen Chemie überprüft werden, und die Schweißverfahrenqualifizierung sollte befolgt werden, wenn die Betriebsbedingungen dies erfordern.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl St12 als auch St13 sind nicht rostfreie niedriglegierte Stähle und sind daher auf Oberflächenschutz für Korrosionsbeständigkeit angewiesen.
• Typische Schutzstrategien:
• Feuerverzinkung für den Außeneinsatz und Teile, die einen opferanodischen Korrosionsschutz erfordern.
• Elektroverzinkung für kontrollierte Oberflächenoptik und anschließende Beschichtung.
• Organische Beschichtungen (Coil-Beschichtungen, Pulverbeschichtung oder Farbsysteme) für ästhetischen und Barriere-Schutz.
• Umwandlungsbeschichtungen (Phosphat-, Passivierungsschichten), um die Haftung der Farbe zu verbessern.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) wird für rostfreie Legierungen verwendet; es ist nicht auf diese nicht rostfreien Güten anwendbar. Zum Vergleich ist PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Bei der Spezifikation der Oberflächenbehandlung sollten die Umform- und Schweißsequenzen (verzinken nach der Umformung oder lokale Nachverzinkung nach dem Schweißen) sowie die Auswirkungen der Beschichtungen auf die nachfolgende Verarbeitung berücksichtigt werden.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit:
• St12 ist für Tiefziehen und aggressive Umformoperationen optimiert (hohe Dehnung, niedrige Streckgrenze).
• St13 behält eine gute Formbarkeit, ist jedoch etwas weniger permissiv für extremes Ziehen; das Werkzeugdesign kann geringfügige Anpassungen erfordern.
• Bearbeitbarkeit:
• Beide Güten lassen sich gut bearbeiten; das weichere St12 bietet im Allgemeinen eine etwas bessere Werkzeuglebensdauer und niedrigere Schnittkräfte.
• Schmierung, Werkzeuggeometrie und Vorschub/Geschwindigkeiten dominieren das Bearbeitungsverhalten mehr als die geringfügigen chemischen Unterschiede.
• Biegen und Stanzen:
• Der Rückfederungswert ist für das höherfeste St13 marginal höher; eine Kompensation im Werkzeug oder Biegezulagen kann erforderlich sein.
• Oberflächenfinish und Stanzqualität:
• Kaltgewalzte geglühte Wicklungen beider Güten bieten eine hohe Oberflächenqualität; St12 wird oft dort spezifiziert, wo eine überlegene Oberflächenkontinuität und minimale Mikrorissbildung erforderlich sind.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie St12, wenn Formbarkeit, Oberflächenfinish und minimale Rückfederung die dominierenden Anforderungen sind. - Wählen Sie St13, wenn eine bescheidene Erhöhung der Festigkeit oder dimensionskontrolle Fertigungs- oder Servicevorteile bietet, ohne die Formbarkeit erheblich zu opfern.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• Beide Güten sind einfache niedriglegierte Stähle und gehören typischerweise zu den kostengünstigsten Stählen nach Materialkosten.
• Preisdifferenzen zwischen ihnen sind in der Regel vernachlässigbar; jedoch beeinflussen Produktionsvolumen, Oberflächenbehandlung (verzinkt/beschichtet) und Lagerbestände des Lieferanten die Stückkosten mehr als der Gütename.
• Verfügbarkeit:
• Kaltgewalzte St12- und St13-Wicklungen und -Bleche sind in Regionen, in denen die traditionellen DIN/EN-Bezeichnungen weiterhin verwendet werden, weit verbreitet erhältlich.
• Die Verfügbarkeit nach Produktform (Wicklung, zuschnitt, Rohlinge) ist für beide im Allgemeinen stark, aber die Lieferzeiten für spezielle Oberflächenbehandlungen sollten bestätigt werden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie St12, wenn Ihre primären Anforderungen maximale Kaltformbarkeit, minimale Rückfederung, überlegene Oberflächenqualität für Lackierung oder sichtbare Paneele und die niedrigstmöglichen Bearbeitungskräfte sind. - Wählen Sie St13, wenn Sie eine kleine, aber nützliche Erhöhung der Streck- oder Zugfestigkeit und dimensionsstabilität benötigen, während Sie eine gute Formbarkeit und Schweißbarkeit beibehalten — zum Beispiel, wenn eine leichte strukturelle Leistung erforderlich ist oder wenn eine bescheidene Reduzierung der Dicke wünschenswert ist, um Gewicht/Kosten zu sparen.

Letzte Anmerkung: St12 und St13 sind benachbarte Güten im Spektrum der niedriglegierten Stähle; ihre praktischen Unterschiede werden oft ebenso sehr durch die Verarbeitungsgeschichte (Glühen, Temperwalzen, Oberflächenbehandlung) und die Praxis der Lieferanten wie durch die Chemie bestimmt. Fordern Sie immer Werkstoffzertifikate an, führen Sie einen Prozessversuch mit repräsentativem Material durch und spezifizieren Sie die erforderlichen mechanischen und Oberflächenkriterien in den Beschaffungsdokumenten, anstatt sich ausschließlich auf den Gütenamen zu verlassen.