SUP10 vs SUP11A – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

SUP10 und SUP11A sind zwei häufig spezifizierte Kohlenstoffstahlgüten in ostasiatischen Lieferketten und der Maschinenbauteilfertigung. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Entscheidung, welche Güte sie spezifizieren sollen, wenn sie Materialkosten, Bearbeitbarkeit und mechanische Leistung im Einsatz abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl zwischen kostengünstiger, leicht bearbeitbarer Ware für hochvolumige Drehteile und leicht höherfestem Material für Komponenten, die erhöhten statischen oder Ermüdungsbelastungen ausgesetzt sind.

Der wesentliche praktische Unterschied zwischen SUP10 und SUP11A betrifft ihr angestrebtes Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit: Eine Güte ist für Standardanwendungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und guter Bearbeitbarkeit und Formbarkeit optimiert, während die andere auf eine moderate Erhöhung der Festigkeit oder der Durchhärtbarkeit abzielt, während sie versucht, eine akzeptable Herstellbarkeit zu erhalten. Da sie für überlappende Bauteiltypen (Wellen, Stifte, Befestigungen, gedrehte Komponenten) verwendet werden, sind direkte Vergleiche in Beschaffungs- und Konstruktionsprüfungen üblich.

1. Normen und Bezeichnungen

• Häufige Normen und Bezeichnungen, die bei internationaler Beschaffung vorkommen:
• JIS (Japanische Industrie-Normen): SUP-Serie-Bezeichnungen sind in JIS- und JIS-verwandter Lieferliteratur zu finden.
• ISO/EN/ASTM/ASME: Entsprechende oder vergleichbare Güten werden oft in Bezug auf allgemeine Kohlenstoffstahlkategorien diskutiert; direkte Eins-zu-eins-Entsprechungen existieren möglicherweise nicht.
• GB (Chinesische Nationale Norm): Chinesische Werke können ähnliche Handelsgüten unter anderen Bezeichnungen auflisten.
• Klassifizierung:
• Sowohl SUP10 als auch SUP11A sind Kohlenstähle (kommerziell als niedriglegierte oder freibearbeitbare Kohlenstoffgüten bezeichnet), keine rostfreien oder Werkzeugstähle.
• Sie werden nicht als moderne HSLA (hochfeste niedriglegierte) Stähle klassifiziert, obwohl SUP11A Mikrolegierungen oder Bearbeitungen enthalten kann, die auf eine leicht höhere Festigkeit abzielen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: qualitative Präsenz von Legierungselementen und erwartete Rolle

Erklärung: - SUP10 wird häufig als niedriglegierte, leicht bearbeitbare Güte angestrebt; die Legierungsstrategie betont eine gute Oberflächenbeschaffenheit und Drehverhalten – Schwefel wird manchmal verwendet, um das Spanbrechen zu verbessern. - SUP11A wird formuliert oder bearbeitet, um ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit zu erreichen; dies kann entweder durch leicht höheren Kohlenstoff, kleine Mengen von Mikrolegierungselementen (V, Nb) oder kontrollierte thermo-mechanische Bearbeitung erreicht werden.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

• Typische Mikrostrukturen:
• SUP10: Nach typischem Warmwalzen und Normalisieren oder Glühen besteht die Mikrostruktur überwiegend aus Ferrit mit spärlichem Perlit. Dies ergibt eine gute Zähigkeit und Bearbeitbarkeit.
• SUP11A: Mit moderat höherem Kohlenstoff und/oder Mikrolegierungszusätzen enthält die Mikrostruktur nach ähnlicher Bearbeitung feineren Perlit und, wenn thermo-mechanisch bearbeitet oder mikrolegiert, eine feinere Ferritkorngröße mit Dispersion von Karbo-Nitrid-Niederschlägen.
• Reaktion auf Wärmebehandlung:
• Glühen/Normalisieren: Beide Güten reagieren vorhersehbar auf Glüh- und Normalisierungszyklen; SUP11A wird im Allgemeinen eine höhere Härte und Festigkeit nach derselben Behandlung erzeugen, aufgrund der Zusammensetzung und Kornverfeinerung.
• Härte und Anlassen: Beide können auf höhere Festigkeiten gehärtet werden, aber SUP11A zeigt eine höhere Härtbarkeit und erreicht eine höhere gehärtete Härte für den gleichen Querschnitt. Kontrolliertes Anlassen kann die Zähigkeit wiederherstellen.
• Thermo-mechanische Bearbeitung: SUP11A profitiert mehr von TMCP oder kontrolliertem Walzen, wenn es mikrolegiert ist, was eine feinere Korngröße und verbesserte Festigkeits-Zähigkeits-Kombinationen erzeugt.
• Praktische Implikation: Wenn das Design durchgehärtete Abschnitte oder höhere Festigkeit aus der Wärmebehandlung erfordert, bietet SUP11A eine bessere Marge; für unkomplizierte Kaltbearbeitung und Bearbeitung ist SUP10 einfacher zu verarbeiten.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: relative mechanische Eigenschaftsvergleich (qualitativ)

Erklärung: - Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit: SUP11A ist so konzipiert, dass es einen höheren Festigkeitsbereich auf Kosten von etwas Zähigkeit und manchmal Bearbeitbarkeit bietet. - Zähigkeit hängt vom Schwefelgehalt und der Einschlusseinstellung ab; niedriglegierte Varianten von SUP11A können eine gute Schlagfestigkeit aufrechterhalten und gleichzeitig höhere Festigkeit bieten.

5. Schweißbarkeit

• Schlüsselfaktoren: Kohlenstoffgehalt, effektive Härtbarkeit, Schwefel-/Phosphorgehalt und Mikrolegierung.
• Verwenden Sie Standardindizes, um qualitativ über die Schweißbarkeit nachzudenken:
• Kohlenstoffäquivalent (IIW-Form) bietet einen Indikator für die Anfälligkeit für Kaltreiß: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$
• Der umfassendere Pcm-Index ist nützlich, um die Vorwärm- und Nachschweißwärmebehandlungsbedürfnisse vorherzusagen: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Interpretation:
• SUP10: Niedriger Kohlenstoff und begrenzte Legierung führen im Allgemeinen zu niedrigen $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ Werten, was auf gute Schweißbarkeit und minimales Vorwärmen für typische Dicken hinweist.
• SUP11A: Leicht höherer Kohlenstoff und mögliche Mikrolegierungen erhöhen die effektive Härtbarkeit; dies erhöht $CE_{IIW}$/$P_{cm}$ im Vergleich zu SUP10, was bedeutet, dass mehr Aufmerksamkeit auf Vorwärmen, Interpass-Temperatur und Wasserstoffkontrolle für dickere Abschnitte oder eingeschnürte Verbindungen erforderlich sein kann.
• Praktische Anleitung: Für beide Güten etablierte Schweißverfahren befolgen – verwenden Sie wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien und kontrollieren Sie die Wärmeaufnahme; aber beim Wechsel von SUP10 zu SUP11A die Schweißverfahrensqualifikation für dickere oder stark eingeschnürte Designs überprüfen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder SUP10 noch SUP11A sind rostfreie Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist ähnlich wie bei generischen Kohlenstählen und wird hauptsächlich durch den Oberflächenzustand und die Umgebung bestimmt.
• Häufige Schutzmaßnahmen:
• Feuerverzinkung für den Außeneinsatz und atmosphärische Anwendungen.
• Elektroplattierung (Zink, Cadmium-Alternativen), Umwandlungsbeschichtungen und Lack-/Beschichtungssysteme für ästhetischen und Korrosionsschutz.
• Öl oder Rostschutzmittel für Lagerung und Transport.
• Wenn rostfreie Indizes irrelevant sind:
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist nicht auf Kohlenstähle anwendbar, aber zur Referenz lautet die Formel für rostfreie Legierungen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Verwenden Sie Korrosionsminderungsmaßnahmen (Beschichtungen, Materialauswahl) anstelle der Legierungschemie für SUP-Güten.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• SUP10: Typischerweise bessere Bearbeitbarkeit, insbesondere wenn als freibearbeitbare Variante mit kontrolliertem Schwefel spezifiziert; ergibt kürzere Späne und geringeren Werkzeugverschleiß.
• SUP11A: Reduzierte Bearbeitbarkeit im Vergleich zu SUP10 aufgrund höherer Festigkeit und möglicher Mikrolegierung; Werkzeuge und Vorschübe müssen angepasst werden.
• Formbarkeit und Biegen:
• SUP10: Bessere Formbarkeit und Vorhersagbarkeit des Rückfederverhaltens; geeignet für tiefes Ziehen und komplexe Biegungen bei niedrigem Kohlenstoff.
• SUP11A: Weniger formbar bei gleichem Maß; kann größere Biegeradien oder Glühen vor dem Formen erfordern.
• Oberflächenfinish und Schleifen:
• SUP10 ist einfacher, um ein feines Oberflächenfinish mit Standard-Dreh-/Schleifparametern zu erreichen.
• SUP11A kann zähere Späne und höhere Werkzeugkräfte erzeugen, was die Zykluszeit und die Oberflächenintegrität beeinflusst.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie SUP10, wenn Durchsatz, niedrige Kosten und Formbarkeit die Spezifikation dominieren. - Wählen Sie SUP11A, wenn eine höhere Grundfestigkeit oder verbesserte Durchdringungseigenschaften erforderlich sind, ohne zu legierten oder wärmebehandelten Stahlklassen zu wechseln.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• SUP10 ist aufgrund der einfacheren Chemie, geringeren Legierung und weit verbreiteten Produktion für allgemeine Stähle im Allgemeinen kostengünstiger.
• SUP11A verlangt eine moderate Prämie, die eine engere Zusammensetzungskontrolle, mögliche Mikrolegierungszusätze oder zusätzliche Bearbeitung widerspiegelt.
• Verfügbarkeit:
• Beide Güten sind häufig in Stab-, Rund- und Plattenformen von regionalen Werken erhältlich, obwohl die genaue Verfügbarkeit von den Werkportfolios abhängt. SUP10 ist oft breiter für Standarddurchmesser und -längen vorrätig.
• Für nicht-standardisierte Größen können die Lieferzeiten steigen; SUP11A kann als Sonderanfertigung bestellt werden müssen, wenn Mikrolegierung oder kontrollierte Bearbeitung spezifiziert sind.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: prägnante qualitative Zusammenfassung

Empfehlungen: - Wählen Sie SUP10, wenn: - Hochvolumenbearbeitung, Kosteneffizienz und hervorragende Formbarkeit die Haupttreiber sind. - Teile nicht erwartet werden, hohe statische Lasten zu tragen oder durchgehärtete Abschnitte zu erfordern. - Einfaches Schweißen mit minimalem Vorwärmen erforderlich ist. - Wählen Sie SUP11A, wenn: - Höhere Grundzug- und Streckfestigkeiten erforderlich sind, während die Wirtschaftlichkeit von Kohlenstahl erhalten bleibt. - Das Teil einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann oder verbesserte Härtbarkeit/Festigkeit durch Prozesskontrolle erfordert. - Die Anwendung eine etwas niedrigere Bearbeitbarkeit toleriert und von einer feineren Kornstruktur oder Mikrolegierungsstärkung profitieren kann.

Abschließende Überlegungen: - Fordern Sie immer Werkzertifikate und Aufzeichnungen über thermo-mechanische Bearbeitung an, wenn Festigkeits- und Zähigkeitsmargen kritisch sind. - Validieren Sie Schweißverfahren und führen Sie Qualifikationsproben für dicke oder stark eingeschnürte Verbindungen durch, wenn Sie von SUP10 zu SUP11A wechseln. - Optimieren Sie Werkzeuge und Schneidparameter, wenn Sie SUP11A anstelle von SUP10 verwenden, um Zykluszeit und Oberflächenfinish zu erhalten.