Feinkornbaustähle

Der Name „Feinkornbaustahl“ informiert uns bereits über zwei wichtige Eigenschaften dieser Stähle: Sie haben - wegen eines feinkörnigen Gefüges - eine gute Festigkeit und sie sind – da Baustähle - zum Schweißen geeignet. Bekannterweise ist diese Eignung die Hauptanforderung an alle Baustähle (Baustähle-Einführung). Feinkornbaustähle sind vor allem für den heute wichtigen Leichtbau vorgesehen. Beim Leichtbau spielen die spezifischen Eigenschaften eines Werkstoffs – seine spezifische Steifigkeit (E-Modul bezogen auf die Dichte) und seine spezifische Festigkeit (Zugfestigkeit bezogen auf die Dichte) – die wichtigste Rolle.

a) Eigenschaften von Feinkornbaustählen
Feinkornbaustähle zeichnen sich durch eine gute bis sehr gute Festigkeit (Streckgrenze > 350 MPa) aus. Ihre Eignung zum Schweißen hängt von der Zusammensetzung ab, wobei der CEV-Wert (Baustähle-Einführung) vom Hersteller angegeben wird. Jedoch sind hochfeste Feinkornbaustähle nur mit speziellen Methoden schweißbar.
Wie erwähnt, deutet der Name dieser Stahlgruppe auf die Methode der Steigerung der Festigkeit. Sie wird durch ein feinkörniges Gefüge erreicht, das aus Ferrit und Karbiden besteht. Dafür muss die Zusammensetzung des Stahls abgestimmt werden. Zudem ist oft eine geeignete Wärmebehandlung notwendig. Feinkornbaustähle sind kohlenstoffarm (Kohlenstoffgehalt von ca. 0,15 %) und meist niedriglegiert. Zu den Legierungselementen gehören Chrom, Nickel und Titan, Niob und Vanadin. Die drei Letzteren bilden sehr harte Karbide, die dann in einer ferritischen Masse im Gefüge vorliegen.
Die Herstellung dieser Stähle (insbesondere der hochfesten Sorten) ist aufwendig. Nach den bei der Herstellung durchgeführten Behandlungen werden Feinkornbaustähle in zwei Gruppen eingeteilt:
                - Normalgeglühte (N) und thermomechanisch behandelte (M) Feinkornbaustähle                                              mit Streckgrenzen bis 500 MPa,
                - Wasservergütete, hochfeste Feinkornbaustähle (Q) mit Streckgrenzen höher als 500 MPa.
Unter thermomechanischer Behandlung verstehen wir eine Warmumformung, bei der eine gezielte Kontrolle der Temperatur und der Umformbedingungen stattfindet. Eine solche Behandlung verleiht dem Endprodukt Eigenschaften, die durch konventionelle Fertigungsschritte nicht erreichbar wären. In Tab. 1 sind verschiedene Anforderungen an Feinkornbaustähle und die dazu notwendigen Maßnahmen zusammengefasst.
        Tab. 1 Anforderungen und notwendige Maßnahmen

Anforderung  Maßnahme
Schweißeignung  niedrige Kohlenstoff- und Legierungsgehalte
Kaltumformbarkeit  wenig Perlit im Gefüge
Kaltzähigkeit bei -40°C  Feinkorn und abgesenkte Phosphor- u. Schwefelgehalte
Hohe Streckgrenze  Feinkorn +weitere festigkeitssteigernde Maßnahmen 

Wie alle Baustähle werden auch die Feinkornbaustähle im Anlieferungszustand verwendet und nach der Streckgrenze gekennzeichnet. Verwendung im Anlieferungszustand bedeutet, dass keine Gefügeänderung beim Anwender vorgenommen wird und der Stahl hat bestimmte gegebene Eigenschaften. Drei Sortenbeispiele von hochfesten Stählen mit ihren mechanischen Eigenschaften sind in Tab. 2 dargestellt.
        Tab. 2 Hochfeste Feinkornbaustähle (Auswahl) Quelle: www.salzgitter-flachstahl.de

Kurzname Werkstoff-Nr.

Zugfestigkeit in MPa

Streckgrenze in MPa Bruchdehnung in %
S420M 1.8825 500 ... 660 420 19
S500Q 1.8924 590 ... 770 500 17
S960Q 1.8933 980 ... 1.150 960 10

b) Anwendung von Feinkornbaustählen
Feinkornbaustähle werden vor allem für stark belastete Bauteile wie beispielsweise Kranausleger (Abb. 1a) verwendet.

      a)   b) 

  Abb. 1 a) Kranausleger, b) Shanghai World Financial Center

Insbesondere im Mobilkranbau zeigte sich schon in den 1960er-Jahren, dass der typische Baustahl St 37 (heutige Bezeichnung S235), der auch ein wenig scherzhaft „Feld-Wald-und-Wiesen-Baustahl“ genannt wurde, mit einer Mindeststreckgrenze von 240 MPa die Anforderungen an Festigkeit und Zähigkeit nicht mehr erfüllte. So wurden hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen über 550 MPa entwickelt. Nachdem die Konstruktionen weitgehend optimiert wurden, treiben jetzt ultrafeste Stahlsorten die Entwicklung von hochbelasteten Kranen. Zu weiteren Anwendungen dieser Stähle gehören Brückenbauteile Maschinengestelle, Fahrzeugkomponenten u.a. Das „Viaduc de Millau“, die höchste Schrägseilbrücke der Welt, konnte nur mit Feinkornbaustahl so modern gebaut werden. Dank Bauteilen aus hochfesten und ultrafesten Feinkornbaustählen ist das Golfmodel VII größer und trotzdem um ca. 12 kg leichter als sein Vorgänger. Auch beim Bau von Wolkenkratzern werden große Mengen an Feinkornbaustählen verwendet. Ein gutes Beispiel dafür ist das Shanghai World Financial Center (Abb. 1b). Bei seinem Bau wurden ca. 8 t Grobbleche aus dem thermomechanisch gewalzten höherfesten Stahls DI-MC 460 der Dillinger Hütte GTS verbraucht.
Die Feinkornbaustähle tragen nicht nur Lasten, auch einen wichtigen Beitrag zur technologischen Entwicklung.<<