OES - die schnellste und zuverlässigste Technologie zur Einhaltung der Spezifikationen für niedriglegierte Stähle

Bevor sie niedriglegierte Stähle einsetzen, sind produzierende Unternehmen verpflichtet, sich zu 100% zu vergewissern, dass die auf dem Zertifikat ihres Materiallieferanten angegebene chemische Zusammensetzung korrekt ist. Nur so können Rückrufaktionen und, noch schlimmer, Ausfälle vermieden werden, die zu schweren Verletzungen oder gar zum Tod führen können. In solchen Fällen haftet der Hersteller. Vorfälle dieser Art sind durchaus realistisch und können schwerwiegende Folgen haben.   

Was ist niedriglegierter Stahl?

Niedriglegierter Stahl (LAS, = low alloy steel), der manchmal auch als hochfester legierter Stahl (HSAL = high strength alloy steel) oder mikrolegierter Stahl bezeichnet wird, ist eine Art von Legierung mit zusätzlichen Eigenschaften, die den Stahl widerstandsfähiger macht als herkömmliche kohlenstoffhaltige Stähle (z.B. Baustähle). Technisch gesehen ist niedriglegierter Stahl definiert als Stahl, der etwa 1 - 5 % eines anderen Materials enthält, das der Legierung zugesetzt wurde. Die meisten niedriglegierten Stähle bestehen aus Kohlenstoff und Eisen wie herkömmliche Kohlenstoffstähle, aber es wurden zusätzliche Metalle zum Legierungsgemisch hinzugefügt, um die strukturellen und mechanischen Eigenschaften zu optimieren. So wird die gewünschte Toleranz für Festigkeit, Zähigkeit, Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit erreicht. 

Welche Eigenschaften besitzt niedriglegierter Stahl und wo wird er eingesetzt?

Je nachdem, welche Eigenschaft des Metalls gewünscht ist, können die Legierungselemente Kupfer, Nickel, Niob, Chrom, Schwefel, Bor, Phosphor, Titan oder verschiedene andere Metalle beinhalten, die dem Stahl zugesetzt werden, um ihn widerstandsfähiger zu machen. HSAL- und LAS-Stähle werden für viele Zwecke verwendet, wie z.B. für Gebäudekonstruktionen, große Rohrleitungssysteme, Brücken, Eisenbahnen, Lastkähne, Landmaschinen, Lastkraftwagen, Kräne, Industrieanlagen, Automobil-, Militär- und Luftfahrtindustrie. wenn mechanische Teile und Einzelteile so konstruiert werden müssen, dass sie hohem Druck, Temperaturschwankungen oder großen Belastungen standhalten. Diese Stähle sind so konzipiert, dass sie eine bestimmte mechanische Eigenschaft erfüllen und nicht eine bestimmte chemische Konzentration. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass niedriglegierte Einsatzstähle typischerweise auch einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (0,05 bis -0,25% C) aufweisen während z.B. Vergütungsstähle und Nitrierstähle einen etwas höheren Kohlenstoffbereich enthalten (0,22 - 0,6).

Produktionshaftung

Wenn Sie zu 100% sicher sein müssen, sollten Sie auf die tragbare oder stationäre optische Funkenemissionsspektroskopie (OES) zurückgreifen. ASTM International hat eine Standardprüfmethode namens ASTM E415-17 für die Analyse von Kohlenstoff und niedriglegiertem Stahl verfasst, die durch die Funkenatomemissionsspektroskopie durchgeführt werden soll. Der Funkenmodus für OES funktioniert am besten, da Argon in den Prozess eingebracht wird. Dies ermöglicht die Messung von Kohlenstoff, Stickstoff, Bor, Phosphor und Schwefel. Die Verwendung von Argon ist aus zwei Gründen zwingend erforderlich:

1. Vermeidung von Oxidation bei der Anregung über das Plasma
2. Schaffung von Transparenz für Wellenlängen im ultravioletten Bereich (die für Kohlenstoff, Stickstoff, Bor, Phosphor und andere Elemente verwendet werden). Argon ist für dieses Licht transparent, während Luft Wellenlängen unter 200 nm absorbiert.

Schweißbarkeit von niedriglegierten Stählen

Durch die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts wird es schwieriger, niedriglegierten Stahl zu schweißen. Es ist wichtig, die Zusammensetzung und den Materialtyp zu kennen, um die Legierung richtig zu schweißen. Dies erfordert angemessene Vorsichtsmaßnahmen und kontrollierte Verfahren, um Fehler zu vermeiden, die zu Rissen oder Ausfällen führen könnten. Denn ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt könnte zu einer geringen Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff führen und die Kaltrissanfälligkeit erhöhen.  

Niedriglegierte Stähle können eine Wärmebehandlung vor oder nach dem Schweißen (PWHT) erforderlich machen. Dadurch werden die durch das Schweißen eingeleiteten Eigenspannungen im Material reduziert und neu verteilt, was zu Sprödbruchrisiken führen kann, da die Zusammensetzung die Schweißbarkeit erheblich beeinflusst. Trotz ihrer höheren Festigkeit können HSLA-Stähle mit einer geringeren Vorwärmung geschweißt werden, als es bei herkömmlichem Stahl der Fall wäre.

Häufig, wenn ein Legierungsmittel dem Stahl zugesetzt wird, ist es wichtig, den entsprechenden Kohlenstoffgehalt für die Schweißbarkeit festzulegen. Dies gilt insbesondere für die Öl- und Gasindustrie, die durch Branchenvorschriften stark kontrolliert wird. Das Kohlenstoffäquivalent wird durch Umwandlung des Prozentsatzes der Legierungselemente als Kohlenstoffäquivalent angegeben. Dies liegt auch daran, dass Eisen-Kohlenstoff für die Schweißbarkeit besser verstanden wird als Eisenlegierung; einige niedriglegierte und Kohlenstoffstähle lassen sich nur am Kohlenstoffgehalt erkennen. Es gibt viele Kohlenstoffäquivalenzgleichungen, hier sind Beispiele für die häufigsten: 

• Kohlenstoffäquivalent: CE = (%C)+((%Mn)/6)+(((%Cr)+(%Mo)+(%V))/5)+(((%Cu)+(%Ni))/15)

• Kohlenstoffäquivalent: CEM = (%C)+((%Si)/25)+(((%Mn)+(%Cu))/20)+(((%Cr)+(%V))/10)+((%Mo)/15)+((%Ni)/40)

• Kohlenstoffäquivalent: CET = (%C)+(((%Mn)+(%Mo))/10)+(((%Cr)+(%Cu))/20)+((%Ni)/40)

• Kohlenstoffäquivalent: CEV = (%C)+((%Mn)/6)+(((%Cu)+(%Ni))/15)+(((%Cr)+(%Mo)+(%V))/5)

• Kohlenstoffäquivalent: PCM = (%C)+((%Si)/30)+(((%Cr)+(%Cu)+(%Cr))/20)+((%Ni)/60)+((%Mo)/15)+((%V)/10)+((%B)*5)

Auf den Funkenspektrometern von Hitachi High-Tech sind die Kohlenstoffäquivalente bereits vorinstalliert. Die Instrumente verfügen außerdem über eine umfangreiche Datenbank, die die Identifizierung einer Legierung oder eines Werkstoffs vereinfacht.  

Warum ist OES die am besten geeignete Technologie, um Risiken für hochlegierte Stähle zu minimieren?

Es gibt verschiedene Arten von Technologien zur Elementanalyse. Leichte Elemente wie Bor, Phosphor und Schwefel sind wichtig für Stahlprodukte. Die Röntgenfluoreszenz (RFA) ist in der Regel nicht in der Lage, geringe Mengen an ppm für Phosphor und Schwefel zu bestimmen. Bor und Kohlenstoff können mit der RFA gar nicht gemessen werden.

Auch tragbare laserinduzierte Plasmaspektrometer (LIBS) können die OES bei der Bestimmung von Kohlenstoff nicht ersetzen, da sie aufgrund ihrer Einschränkungen bei niedrigen Nachweisgrenzen (LODs) und der Identifizierung von Spuren- und unerwünschten Elementen für andere leichte Elemente als Kohlenstoff noch nicht in der Lage sind.

Die OES ist nach wie vor die beste Technologie für die Analyse von niedriglegiertem Stahl. Die optische Emissionsspektrometrie kann zu 100% die chemische Zusammensetzung nachweisen sowie Spuren- und unerwünschte Elemente bei sehr niedrigen Nachweisgrenzen messen. Sie kann auch leichte Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Bor im ppm-Bereich erkennen.

Wenn so viel auf dem Spiel steht, können Sie es sich leisten, ein Risiko einzugehen?

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