StW22 vs StW24 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

StW22 und StW24 sind eng verwandte strukturelle Kohlenstoffstähle, die häufig für kaltgeformte und geschweißte Komponenten in mechanischen und strukturellen Anwendungen in Betracht gezogen werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig Kompromisse zwischen Kosten, Festigkeit, Formbarkeit und Schweißbarkeit ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl einer Sorte für tiefgezogene Teile, geschweißte Baugruppen oder tragende Bauteile mit höheren Lasten, bei denen die Formgrenzen und Nachbearbeitungskosten von Bedeutung sind.

Der Hauptunterschied zwischen StW22 und StW24 liegt in ihrem mechanischen Gleichgewicht: StW24 ist formuliert und verarbeitet, um eine leicht höhere Festigkeit und Härtbarkeit zu erreichen, während StW22 darauf ausgelegt ist, eine größere Duktilität und Dehnformfähigkeit zu bieten. Da beide Sorten benachbarte Positionen in derselben Familie einnehmen, hängt die Auswahl oft davon ab, ob das Projekt eine höhere Dehnung/Formbarkeit oder bescheidene Festigkeitssteigerungen bei ähnlicher Verarbeitbarkeit priorisiert.

1. Normen und Bezeichnungen

• Typische Normen, in denen „StW“-Bezeichnungen erscheinen, sind nationale und regionale Normen, die aus älteren deutschen/DIN-Namenskonventionen und Äquivalenten in EN/ISO und anderen nationalen Systemen abgeleitet sind. Moderne Spezifikationen können diese historischen Namen bestimmten EN- oder ISO-Bezeichnungen zuordnen; überprüfen Sie immer die genaue Normenausgabe, wenn Sie Material beschaffen.
• Klassifizierung:
• StW22 — unlegierter niedriglegierter Baustahl für die Kaltumformung (Kohlenstoffstahl).
• StW24 — niedriglegierter oder mikrolegierter Baustahl mit leicht höherer Festigkeit/Härtbarkeit als StW22 (generell immer noch als Kohlenstoff-/niedriglegierter Stahl behandelt).
• Hinweis: Bestätigen Sie für die Beschaffung die anwendbare Norm (z. B. Datenblatt des Lieferanten, EN-Normnummer), anstatt sich ausschließlich auf historische Sortennamen zu verlassen. Einige nationale Normen oder Werke können ähnliche Bezeichnungen mit kleinen Zusammensetzungs- oder Eigenschaftsunterschieden verwenden.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle fasst die übliche Legierungsstrategie für die beiden Sorten in qualitativen Begriffen zusammen (Präsenz und Rolle der Elemente anstelle von genauen Werten). Für projektkritische Auswahl fordern Sie das Werkszertifikat für präzise Gewichtsprozentwerte an.

Erklärung: - Beide Sorten sind niedriglegierte Stähle; ihr mechanisches Verhalten wird hauptsächlich durch die Kontrolle der Kohlenstoff- und Manganspiegel sowie durch kleine Mengen an Mikrolegierungselementen in StW24 abgestimmt, um die Festigkeit zu erhöhen, ohne übermäßige Verluste an Duktilität zu verursachen. - Mikrolegierung (V, Nb, Ti) ist eine gängige Strategie zur Erhöhung der Streckgrenze durch Ausscheidungsstärkung und Kornglättung, anstatt den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen, was die Schweißbarkeit und Formbarkeit beeinträchtigen würde.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen hängen vom Verarbeitungsweg ab (warmgewalzt, kaltgewalzt, normalisiert oder thermomechanisch gewalzt):

• StW22:
• Im gewalzten oder geglühten Zustand: hauptsächlich ferritisch mit perlitschen Inseln, wenn Kohlenstoff vorhanden ist; feiner Ferrit dominiert aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts.
• Reaktion auf Normalisieren: gleichmäßigerer Ferrit-Perlit-Mix mit leicht verfeinerten Körnern; behält hohe Duktilität.
• Härten & Anlassen: wird nicht häufig angewendet, da die Sorte für Formbarkeit und nicht für hohe Härtfestigkeit optimiert ist.

• Thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP): verfeinert die Korngröße und verbessert die Zähigkeit, ohne die Duktilität zu verlieren.

• StW24:

• Im gewalzten Zustand: ähnlicher Ferrit-Perlit, jedoch mit leicht höheren Perlit- oder bainitischen Bestandteilen, wenn mikrolegiert oder wenn die Abkühlraten höher sind.
• TMCP oder Mikrolegierung führen zu einer feinkörnigen ferritischen Matrix mit dispergierten Karbiden/Nitriden, was die Streckgrenze und Härtbarkeit erhöht.
• Härten & Anlassen kann bei ausgewählten Varianten verwendet werden, um höhere Festigkeitsklassen zu erreichen, aber der grundlegende kommerzielle StW24 wird oft in warmgewalzter oder kaltgewalzter Lieferform angeboten.

Praktische Implikation: Die Zusammensetzung und Verarbeitung von StW24 ermöglichen bescheidene Steigerungen der Festigkeit und Härtbarkeit bei ähnlicher Komplexität der Wärmebehandlung, während StW22 dazu neigt, die Dehnung und Formfähigkeit zu bewahren.

4. Mechanische Eigenschaften

Da die tatsächlichen Eigenschaftswerte von der genauen Chemie und Verarbeitung abhängen, präsentiert die folgende Tabelle typisches vergleichendes Verhalten (qualitativ).

Erklärung: - StW24 ist so konstruiert, dass es eine bescheidene Erhöhung der Zug- und Streckgrenze bietet, oft auf Kosten der maximalen Dehnung. Die Nettoänderung ist absichtlich, um leichtere Abschnitte oder kleinere Komponenten zu ermöglichen und gleichzeitig die Verarbeitbarkeit zu erhalten. - Die Schlagzähigkeit bei Raumtemperatur ist im Allgemeinen für beide akzeptabel, wenn sie ordnungsgemäß produziert und verarbeitet werden; die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen muss durch Lieferantentestberichte bestätigt werden.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffgehalt, härtende Elemente und Rückstände beeinflusst. Zwei gängige empirische Indikatoren sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und die Pcm-Formel:

• Verwenden Sie das IIW-Kohlenstoffäquivalent für eine schnelle Bewertung: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

• Für dickere Abschnitte und die Bewertung der strukturellen 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 (qualitativ): - Beide Sorten haben typischerweise einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und kontrollierte Legierung, was eine günstige Schweißbarkeit für gängige Schmelz- und Widerstandsschweißverfahren ergibt. - StW22, mit leicht niedrigeren härtenden Elementen, bietet im Allgemeinen einfacheres Schweißen mit minimalen Vorwärmeanforderungen und einem geringeren Risiko von Kaltverzügen. - StW24 kann aufgrund von leicht höherem Mn und möglicher Mikrolegierung eine höhere Härtbarkeit aufweisen; für dicke Abschnitte oder hochrestriktive Verbindungen kann Vorwärmen oder kontrollierte Wärmezufuhr ratsam sein. Verwenden Sie die vom Lieferanten angegebenen Vorwärm- und Nachschweißwärmebehandlungsrichtlinien und überprüfen Sie die Wasserstoffkontrolle und die Auswahl der Verbrauchsmaterialien. - Praktische Empfehlung: Bei Zweifeln führen Sie Schweißversuche durch und konsultieren Sie die Schweißbarkeitsdaten des Werks sowie die CE/Pcm-Berechnungen unter Verwendung der tatsächlichen Zusammensetzungsdaten aus dem Zertifikat.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Diese Sorten sind keine rostfreien Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist typisch für einfache Kohlenstoffstähle.
• Standard-Schutzmethoden:
• Feuerverzinkung für den Außeneinsatz von Konstruktionen.
• Organische Beschichtungen (Grundierungen und Decklacke) für ästhetische und moderate Korrosionsumgebungen.
• Schützende Umwandlungsbeschichtungen und kathodischer Schutz, wo angebracht.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) 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 gilt für rostfreie Familien (austenitisch/duplex), nicht für StW-Stähle.
• Für atmosphärische oder leicht korrosive Umgebungen hängt die Auswahl von der Expositionsklasse und den Lebenszykluskosten ab: Verzinkung oder Lackierung ist typischerweise ausreichend; für marine oder chemische Exposition sollte eine rostfreie Sorte oder zusätzlicher Schutz ausgewählt werden.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Formbarkeit:
• StW22: überlegene Dehnform- und Tiefziehleistung aufgrund höherer Dehnung; bevorzugt für komplexe Formen und starke Umformoperationen.
• StW24: fähig zur Umformung, jedoch mit begrenzterer tatsächlicher Dehnfähigkeit; Rückfederung kann aufgrund höherer Streckgrenze unterschiedlich sein.
• Zerspanbarkeit:
• Beide sind im Allgemeinen in geglühtem oder normalisiertem Zustand zerspanbar. Die leicht höhere Festigkeit in StW24 kann den Werkzeugverschleiß erhöhen und höhere Schnittkräfte erfordern.
• Schwefelhaltige Freischnitvarianten sind eine andere Produktfamilie; Standard-StW-Sorten priorisieren die Umformung gegenüber Zerspanungszusätzen.
• Oberflächenbearbeitung:
• Oberflächenqualität, Beizen/Reinigen und die Haftung von Beschichtungen benötigen für beide Sorten die gleiche Aufmerksamkeit. Wärmebehandlung oder Kaltverformung können die Härte und damit die Bearbeitungsparameter beeinflussen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie StW22, wenn die Komplexität der Umformung und die Dehnung entscheidend sind und die Lastniveaus moderat sind. - Wählen Sie StW24, wenn Sie die Querschnittsfläche oder die Masse für eine gegebene Last reduzieren müssen und die Umformanforderungen moderat bis mild sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: StW24 ist typischerweise leicht teurer als StW22 aufgrund strengerer Chemiekontrolle und möglicher Mikrolegierung oder TMCP-Verarbeitung. Die zusätzlichen Kosten variieren je nach Werk, Bestellmenge und Produktform.
• Verfügbarkeit: Beide Sorten werden häufig als warmgewalzte und kaltgewalzte Coils/Bleche sowie als strukturelle Platten von großen Lieferanten angeboten. Die Verfügbarkeit in genau standardisierten Formen hängt von regionalen Lieferketten und davon ab, ob moderne EN/ISO-Äquivalente spezifiziert sind; überprüfen Sie die Lieferzeiten für spezifische Dicken und Oberflächenbedingungen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Wählen Sie StW22, wenn: - Ihr Design maximale Formbarkeit, Tiefziehen oder komplexes Biegen und Dehnformung erfordert. - Geschweißte Baugruppen einfach sind und Sie einfacheres Schweißen mit minimalem Vorwärmen bevorzugen. - Kostenempfindlichkeit und einfache Verarbeitung über eine marginale Festigkeitssteigerung priorisiert werden.

Wählen Sie StW24, wenn: - Sie eine bescheidene Erhöhung der Zug- und Streckgrenze benötigen, um die Abschnittsgröße zu reduzieren oder Gewichtseinsparungen zu erzielen. - Die Anforderungen an Verarbeitung und Umformung moderat sind und eine leicht reduzierte Dehnung toleriert werden kann. - Sie einen leicht höheren Materialpreis im Austausch für ein verbessertes Festigkeits-Gewichts-Potenzial akzeptieren.

Letzte Anmerkung: Überprüfen Sie immer die genaue chemische und mechanische Zertifizierung vom Werk für die Charge, die Sie verwenden möchten. Kleine Zusammensetzungsunterschiede und Verarbeitungswege (geglüht, normalisiert, TMCP) haben materielle Auswirkungen auf Umformung, Schweißen und Einsatzleistung; bei Zweifeln fordern Sie Musterproben für Umformung, Schweißen und mechanische Prüfungen an, bevor Sie sich für die vollständige Produktion entscheiden.