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Dillinger Lieferzustand „N“ unerlässlich für die Verarbeitung von Grobblechen

| Autor / Redakteur: Wolfram Hölbling und Fabrice Gottwalles / M.A. Frauke Finus

Verarbeiter von Stahlprodukten brauchen verlässliche Angaben zum Lieferzustand von Stahlprodukten, um die Verarbeitung fachgerecht auszuführen. Nur so weisen die fertigen Bauteile die berechneten Eigenschaften auf und können sicher betrieben werden.

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Das starke Dillinger-Walzgerüst walzt homogene Bleche dank hoher Dickenreduktion und Verformung im Blechkern.
Das starke Dillinger-Walzgerüst walzt homogene Bleche dank hoher Dickenreduktion und Verformung im Blechkern.
(Bild: Dillinger)

Es liegt in der Verantwortung der Hersteller von Stahlprodukten, dass die Stahlprodukte konform mit den Normvorgaben sind und der Lieferzustand korrekt ausgewiesen ist. Im Folgenden werden die Lieferzustände und Normanforderungen skizziert. Am Dillinger-Beispiel wird aufgezeigt, wie durch moderne Berechnungsverfahren und gründliche Prüfungen sichergestellt wird, dass ein als normalisiergeeignet ausgewiesenes Grobblech auch tatsächlich zum Normalisieren geeignet ist.

Bedeutung von Lieferzuständen für den Verarbeiter

Der Lieferzustand von Stahlprodukten beschreibt die Walz- und Wärmebehandlung des Stahlprodukts. Der Verarbeiter kann daraus auf die Verarbeitungseigenschaften schließen. „AR“, wie gewalzt, (englisch „as rolled“) ist nach EN 10025-2 ein Lieferzustand ohne jegliche besondere Walz- und/oder Wärmebehandlungsbedingungen. Der Hersteller gewährleistet, dass das Stahlprodukt bei Auslieferung die Normeigenschaften erfüllt. Der Hersteller übernimmt dagegen keinerlei Gewähr für Eigenschaften nach einem Normalglühen oder nach irgendeiner Behandlung im Austenitgebiet beim Verarbeiter. Der Verarbeiter ist in diesem Falle im Risiko.

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„+N“ beschreibt ein klassisches Normalisieren beim Hersteller zur Einstellung eines feinkörnigen Gefüges. „+N“ kann auch ein normalisierendes Walzen (NE-Walzen, das heißt Normalisier-Ersatz-Walzen) beschreiben. EN 10025-2 definiert NE-Walzen als ein Walzverfahren mit einer Endumformung in einem bestimmten Temperaturbereich, das zu einem Werkstoffzustand führt, der dem nach einem Normalglühen („N“) gleichwertig ist, so dass die Sollwerte der mechanischen Eigenschaften auch nach einem zusätzlichen Normalglühen eingehalten werden. Der Hersteller gewährleistet mit „N“ somit, dass die Eigenschaften auch nach einem Normalglühen oder nach einer Behandlung im Austenitgebiet beim Verarbeiter noch den Normanforderungen entsprechen. Hierbei sind die Angaben der CEN/TR 10347 zu beachten. Beim NE-Walzen wird mit niedrigen und kontrollierten Endwalztemperaturen ähnlich dem TM-Prozess gewalzt. Durch ein angepasstes Werkstoffdesign, das auf Modellrechnungen basiert, und durch Prüfungen an nachträglich normalisiertem Material kann und muss der Hersteller sicherstellen, dass auch bei NE-gewalzten Blechen ein Normalglühen keine unzulässige Beeinflussung der Eigenschaften bewirkt.

EN 10025-2:2004 sieht für Grobbleche, die üblicherweise auf Quartowalzgerüsten hergestellt werden, nur die Lieferzustände „+AR“ und „+N“ vor. Ein thermomechanisch gewalztes Grobblech ist nicht definiert. In diesem Teil der Norm ist dieser Lieferzustand nur für Langerzeugnisse und kontinuierlich gewalzte Flacherzeugnisse geregelt. Gütebezeichnungen wie S355J2+M sind nach dieser Norm somit für Grobbleche nicht vorgesehen und damit nicht normkonform.

Baustähle im thermomechanisch gewalzten Lieferzustand („M“) sind in Teil 4 von EN 10025 und Baustähle im vergüteten Lieferzustand („QT“ oder „Q+A“) im Teil 6 von EN 10025 geregelt.

Für den Verarbeiter ist bei diesen Stählen der Lieferzustand klar ersichtlich und er weiß, dass Wärmebehandlungen wie Normalglühen oder ein Warmumformen bei Temperaturen höher als der AC3-Punkt (bei normalen Baustählen beträgt dieser etwa 850 °C) die Werkstoffeigenschaften beeinträchtigen. Wärmebehandlungen wie Spannungsarmglühen bei abhängig von der Haltedauer deutlich niedrigeren Temperaturen von maximal 580 °C oder Flammrichten mit üblichen Temperaturen sind dagegen auch bei TM-Stählen gemäß EN 10025-4 ohne unzulässige Beeinträchtigung der Eigenschaften möglich. Bei vergüteten Stählen gemäß EN 10025-6 muss nach Rücksprache mit dem Hersteller die Glühtemperatur ausreichend weit unter der Anlasstemperatur liegen. Meistens ist ein Spannungsarmglühen bis 560 bis 580 °C abhängig von der Haltedauer möglich.

Sicherstellung der Normanforderungen

Das komplexe Design eines Grobblechs umfasst die Vorgaben zur chemischen Zusammensetzung, zu Prozessparametern im Stahlwerk sowie zum Stichplan im Walzprozess und zur Wärmebehandlung. Bei Dillinger basieren diese Designvorgaben auf langjähriger Erfahrung und auf Prognose-Modellen wie neuronalen Netzen. Diese lernenden Systeme sind vom Aufbauprinzip dem menschlichen Nervensystem nachempfunden. Verschiedenste Eingabeinformationen werden im Netz verknüpft und das Netz wichtet diese Informationen, um zutreffende Ausgabeinformationen zu berechnen. So können solche Netze zum Beispiel mit verschiedensten Produktionsparametern und Ergebnissen von Abnahmeprüfungen trainiert werden. Nach einer Lernphase kann das Netz dann für gewisse Prozessparameter eine zutreffende Vorhersage der Eigenschaften ausgeben.

Diese Modelle werden basierend auf umfangreichen bei Dillinger gesammelten Prozessdaten und Daten der in Normen geforderten und zusätzlichen internen qualitätssichernden Prüfungen entwickelt, laufend überprüft und angepasst. Die Modelle erlauben somit die Einschätzung von Produktionsrisiken und werden auch dazu genutzt, um den Verarbeitern und Kunden zu helfen, wenn die Auswirkung von nicht spezifizierten Wärmebehandlungen eingeschätzt werden sollen.

Bei Dillinger liegen zum einen abgesicherte Modelle für Grobbleche vor, die nach dem Walzen klassisch, durch ein nachgelagertes Normalglühen normalisiert werden („N-Modell“). Zum anderen liegen Modelle vor, mit denen die Effekte eines normalisierenden Ersatzwalzens („NE-Modell“) berechnet werden. In diesem zweiten Fall wird mit dem NE-Modell das Eigenschaftsprofil im Lieferzustand berechnet. Zusätzlich wird bei Dillinger neben dem NE-Modell immer noch mit dem N-Modell überprüft, dass auch nach einem Normalisieren beim Kunden die Normanforderungen eingehalten werden. So wird sichergestellt, dass die mit „N“ bezeichneten Bleche beim Verarbeiter auch ohne unzulässige Beeinträchtigung normalisiert werden können.

In Tabelle 1 sind beispielhaft für ein dickes Grobblech mit einem Kohlenstoffäquivalent (CEV) von 0,43 % die berechneten Eigenschaften im Walzzustand „AR“ und nach dem Normalisieren „N“ angegeben. Die Streckgrenze ReH liegt sowohl nach dem Walzen „AR“ als auch Normalisieren „N“ sicher über der Normvorgabe. Zur sicheren Einstellung der Kerbschlagzähigkeit ist bei diesem beispielhaften Design und der großen Blechdicke ein Normalisieren erforderlich, weil die Kerbschlagzähigkeit im Walzzustand bereits im Übergangsbereich liegt und deshalb, basierend auf den Modell-Berechnungen, die Normanforderung risikobehaftet wäre.

Tabelle 2 zeigt ein Beispieldesign, das bei Bestellung eines relativ dünnen S355J2 oder eines S355J2+AR ohne die Spezifikation „N“ und damit ohne gesicherte Normalglüheignung zum Einsatz kommen könnte. Die Bleche werden gewalzt und erreichen im Walzzustand „AR“ sicher die Normvorgaben: Aufgrund der geringen Blechdicke kühlt die Walztafel auf der Walzlinie so schnell ab, dass automatisch niedrige Endwalztemperaturen erreicht werden. Das Blech mit diesen Eigenschaften käme als S355J2 oder als S355J2+AR zur Auslieferung. Ein Normalglühen „N“ wäre hier, wie die Berechnung im Zustand „N“ zeigt, mit einem signifikanten Risiko verbunden, die Mindestvorgabe an die Streckgrenze ReH zu unterschreiten. Für ein solches Blech würde Dillinger nicht den Lieferzustand „+N“ bescheinigen sondern nur „+AR“ ohne die Gewährleistung von „+N“.

Seriös den Lieferzustand „+N“ gewährleisten

Abbildung 1 zeigt die mit den Modellen „N“, „NE“ und „AR“ berechnete Streckgrenzen abhängig vom Kohlenstoffäquivalent und der Blechdicke. Im Bild sind zur Einordnung die Normvorgaben der EN 10025-2:2004 für S355J2+N abhängig von der Blechdicke angegeben.

Die Berechnungen im Zustand „N“ für verschiedene CEV von 0,34 % bis 0,44 % zeigen, dass für relativ geringe CEV von 0,36 % und insbesondere von 0,34 % die Normvorgaben teils deutlich unterschritten werden. Entsprechend des Beispiels ist es demnach nicht möglich, ein Blech mit diesen niedrigen CEV herzustellen und seriös gleichzeitig den Lieferzustand „+N“ zu gewährleisten. Für „+N“ müssten etwas höher legierte Konzepte mit höheren CEV eingesetzt werden.

Der Hersteller hat jedoch, wie die Berechnung NE für ein CEV von 0,34 % zeigt, die Möglichkeit, durch ein kontrolliertes NE-Walzen die Normanforderungen sicher zu erfüllen. Sobald jedoch ein solches Blech über dem AC3 Punkt wärmebehandelt wird („normalisiert“), ist das Risiko hoch, die Anforderungen der Norm nicht mehr zu erreichen (siehe wiederum Berechnung „N“ für das CEV von 0,34 %). Die hier durchgeführten Berechnungen basieren auf einfachen CMn-Analysekonzepten ohne Mikrolegierungen. Durch solche mikrolegierten Konzepte können im kontrollierten Walzzustand NE die Normanforderungen mit noch tieferen CEV erreicht werden. Im Zustand N nach einem Normalisieren fallen die Festigkeitseigenschaften dann aber auch umso stärker ab und unterschreiten die Normanforderung. Aus diesem Grund sollen nach EN 10025-2 solche, zur Erreichung höherer Festigkeit kontrolliert gewalzten Bleche nicht als S355+AR deklariert werden. Kapitel 3.2 in EN 10025-2 definiert deshalb den Zustand „AR“ so: “Lieferzustand ohne jegliche besonderen Walz- und/oder Wärmebehandlungsbedingungen“. Die zukünftige Ausgabe der EN 10025-2 wird dies laut des Entwurfstexts noch klarer definieren („conventional hot rolling without any normalized rolling or thermomechanical rolling and/or heat treatment like normalizing or quenching“).

Aus Abbildung 1 für die Berechnung „AR“ mit einem niedrigen CEV von 0,34 % ist ersichtlich, dass es für dünne Bleche mit kleinen CEV von 0,34 % möglich ist, ohne besondere Temperatur-Kontrolle die Eigenschaften im Walzprozess einzustellen, da die Walztafel aufgrund des großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses auf der Walzlinie schnell abkühlt und niedrige Endwalztemperaturen im Bereich einer normalisierenden Walzung erreicht werden. Oberhalb von gewissen Blechdicken ist dann die Endwalztemperatur allerdings so hoch, dass beim Walzen das Gefüge kaum beeinflusst wird und somit die gewünschten Eigenschaften im Zustand „AR“ nicht eingestellt werden können. Durch kontrollierte Bedingungen NE ist dies möglich, wobei dann aber ein zusätzliches Normalisieren die Festigkeit zu stark reduziert und die Ausweisung als „+N“ somit unzulässig wäre.

Genaue Vorhersagen der Eigenschaften

Moderne Berechnungswerkzeuge erlauben es Herstellern von Grobblechen, genaue Vorhersagen der Eigenschaften abhängig von Analyse, Walzverfahren und möglichen Wärmebehandlungen beim Verarbeiter zu treffen. EN 10025-2 definiert den Zustand „+N“ klar und zum Schutz des Verarbeiters als einen Zustand, in dem ein Normalisieren die Eigenschaften nicht unzulässig beeinträchtigt. Darauf muss für den Verarbeiter Verlass sein. Bleche mit sehr niedrigen CEV können heute in großen Blechdicken zwar durch moderne Walzverfahren so hergestellt werden, dass im Lieferzustand die Eigenschaften erfüllt sind. Solche Bleche werden z.B. als TM-Bleche mit hervorragenden Eigenschaften zum Schweißen gemäß EN 10025-4 vertrieben. Der Verbraucher kann seine Fertigung auf die Vorteile des TM-Stahls ausrichten, weiß aber auch, dass eine Wärmebehandlung oder Warmumformung im Austenitgebiet nicht ohne Eigenschaftsbeeinträchtigung möglich ist. Solch zur Erreichung hoher Festigkeiten kontrolliert gewalzte Bleche als S355J2+N zu vertreiben, ist nach Norm EN 10025-2 nicht zulässig und kann für den Verarbeiter ein Sicherheitsrisiko darstellen.

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