Umrechnung von ASTM-Stahlgüten: Praktischer Leitfaden für Konstrukteure

Stahl für die Fertigung im Ausland spezifizieren

Bei der Fertigung im Ausland müssen nordamerikanische Konstrukteure möglicherweise Sprachbarrieren überwinden. Ingenieursspezifikationen sind ebenfalls eine Sprache, und Standardvorgaben für Materialien und Prozesse werden in jedem Land der Welt unterschiedlich definiert. Für einen unerfahrenen Konstrukteur mögen Stahlgüten einfach erscheinen – 316er Edelstahl ist ein Werkstoff, Gusseisen ein anderer –, aber es gibt Variationen innerhalb jeder dieser Metallkategorien. Gerüchte über minderwertige Stähle aus anderen Rechtsordnungen machen sich breit. Das lässt einige Konstrukteure fragen, ob es in den offiziellen Standards anderer Länder etwas inhärent gibt, das zu diesen Beschwerden führen kann.

Internationale Standards lassen sich nicht Metall-für-Metall übersetzen, wie es Wörter tun. Beim Konvertieren von einem Standard in einen anderen ist es fast unmöglich, identische Zusammensetzungen für eine gegebene Metallart zu finden. Die Frage lautet: Kann man ein Äquivalent finden? Das kann verwirrend sein, da jede benannte Metallgüte ihre eigene Chemie und eigene Fertigungsrichtlinien hat.

Für Personen ohne Werkstoffhintergrund können diese Unterschiede den Kauf von im Ausland hergestelltem Metall unsicher erscheinen lassen, wie das Bestellen einer minderwertigen Kopie. Die Qualität der Stahlgüten ist jedoch länderübergreifend gleich gut. Zu verstehen, was einen Stahlstandard oder eine Spezifikation ausmacht, kann einem nordamerikanischen Unternehmen helfen, die Überseeproduktion zu steuern.

Stahlgüten erklärt

Metalllegierungen sind Gemische unterschiedlicher Anteile von Elementen. Ein Standard umfasst die Chemie, also das „Rezept“ für die Legierung, und dokumentiert, welche verschiedenen Elemente hineingeschmolzen werden sollen. Spezifische Anweisungen können auch zu Schmelztemperatur, Abkühlung und Behandlung gegeben werden.

Veröffentlichte Standards erfassen auch die mechanischen Eigenschaften eines spezifizierten Metalls. Wenn es korrekt hergestellt wurde, sollte ein Metall nicht nur die korrekte chemische Analyse aufweisen, sondern auch in mechanischen Tests im korrekten Bereich performen.

Stähle enthalten Eisen und Kohlenstoff. Standards für jede Stahlgüte spezifizieren die Anteile nach Gewicht dieser Elemente sowie eventueller zusätzlicher Legierungselemente. Diese Zusätze können unterschiedliche Eigenschaften erzeugen: Beispielsweise ist Chrom in Edelstahl vorhanden, um Rostbildung zu verhindern.

In den meisten verbrauchernahen Metallstandards werden die Anteile jedes Elements in einem akzeptablen Bereich angegeben, nicht als exakte Zahl. Beispielsweise ist der ASTM 1050 Stahl so benannt, weil er ca. 0,50 % Kohlenstoff nach Gewicht enthält. Die Toleranz für den Kohlenstoffgehalt im ASTM 1050 Standard beträgt jedoch 0,48–0,55 %. Eine ähnliche japanische Spezifikation setzt den Kohlenstoff zwischen 0,47–0,53 % an und erlaubt Silicium und andere Spurenelemente, während der ASTM-Standard dies nicht tut.

Stahlspezifikationen geben oft Bereiche für Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Phosphor, Schwefel, Chrom, Nickel und Molybdän an, und keiner setzt identische Bereiche für jedes Element fest. Aus diesem Grund sind Stahlstandards verschiedener Organisationen keine exakten Entsprechungen: Die Toleranzen überlappen sich lediglich. Wenn ein Stahl weniger als 0,007 % Schwefel spezifiziert und ein anderer bis zu 0,040 % erlaubt – sind es dann unterschiedliche Stähle? Kleine Änderungen spielen in vielen Situationen keine Rolle, können aber je nach Verwendungszweck des Metalls relevant sein.

Nicht nur die Chemie, sondern auch die Verarbeitung verändert das Verhalten eines Metalls. Metall ist kristallin und bildet beim Abkühlen Gefügemikrostrukturen. Chemie, Schmelzen, Abkühlen und Wärmebehandlung können alle das Gefüge des Metalls verändern. Dies beeinflusst direkt Zugfestigkeit, Härte und Sprödigkeit. Daher können Stahlspezifikationen auch die Fertigungsschritte umfassen, die nötig sind, um bestimmte Mikrostrukturen zu erzeugen, einschließlich Martensit, Austenit oder Ferrit.

Bei einer Substitution zwischen einem Standard und einem anderen wird ein erfahrener Metallurg oder Ingenieur vergleichbare Güten basierend auf mechanischen Eigenschaften bewerten. Der Ingenieur berücksichtigt, was das Endprodukt leisten muss und unter welchen Bedingungen. Mit seinem Verständnis der Chemie, der zu erwartenden Arbeitslast und Kenntnis der Einsatzbedingungen kann er einen Stahl für die Produktanforderungen in jedem Standard finden. Alle anerkannten Stahlstandards haben im Allgemeinen vergleichbare Strenge, was diese Übersetzung möglich macht.

Es ist nicht der Unterschied in den veröffentlichten Standards, der die Quelle minderwertiger ausländischer Metalle ist.

Leitfaden zu Normungsorganisationen

Es gibt viele Normungsorganisationen, die Spezifikationen für die Fertigung festlegen.

In den meisten Ländern begannen Metallstandards, als sich Metallfertigungsorganisationen zusammenschlossen, um ein „Rezeptbuch“ für ihre Branche zu erstellen und zu verbreiten.

Mit fortschreitender Industrialisierung schien diese Standardisierung ein so großer Vorteil für die Industrie, dass Dach-Normungsorganisationen, die verschiedene verwandte Organisationen zusammenführten, entstanden.

Beispielsweise spezifiziert das American Iron and Steel Institute (AISI) viele Stahlgüten; es war die ursprüngliche Fertigungsorganisation zur Standardisierung von Stahl in den USA. Ihre Expertise, zusammen mit anderen an der Produktion und Verwendung von Stahl interessierten Gremien, wurde genutzt, um die American Society for Testing and Materials (ASTM) zu schaffen, eine allgemeinere Normungsorganisation, die Dokumente für Produktion und Prüfung in vielen verwandten Fertigungsbereichen erstellt. ASTM spezifiziert nicht nur Stahl, sondern auch andere Materialien (Metalle, Kunststoffe, Farben) sowie diverse Prüfverfahren – von der Messung von Beschichtungsgewicht bis zur Prüfung, wie gut Poller vor Fahrzeugangriffen schützen.

Es gibt auch übergeordnete Organisationen, die keine eigenen Standards erstellen, sondern andere Gremien organisieren und jene akkreditieren, die vollständige und rigorose Standarddokumente veröffentlichen. ANSI (American National Standards Institute) akkreditiert 41 spezialisierte Organisationen ähnlich wie ASTM. Diese reichen von Textilfarbwissenschaftlern bis zur Baumpflegeindustrie.

ISO (International Organization for Standardization) ist eine internationale Normungsorganisation, die auf Mitgliedsorganisationen – eine pro Land – für Expertise zurückgreift. ANSI ist das amerikanische Mitgliedsorgan für ISO.

Die Navigation in dieser Hierarchie von Standards kann unmöglich erscheinen, aber weil so viele es bereits getan haben, sind vergleichbare Metalle für die meisten regelmäßig verwendeten Legierungen bekannt.

Beispiel für Normungsorganisationen, die Stahl spezifizieren

Diese Liste ist nicht vollständig, sondern wurde ausgewählt, um die Komplexität und Variation der Standardisierung weltweit widerzuspiegeln und die Standards zu demonstrieren, auf die ein Metallingenieur bei der Spezifikation eines Produkts stoßen könnte.

International

• ISO: International Organization for Standardization
  • Es mag wie ein falsches Akronym aussehen – sollte es nicht „IOS“ heißen? Nein; ISO soll kein Akronym sein. Der Präfix „iso“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „gleich“. ISO ist ein globales Netzwerk der führenden Normungsorganisationen jedes Landes. ISO bietet Metallstandards an, die getrennt, aber informiert durch globale Mitgliedsorganisationen sind.
• ASTM International: American Society for Testing and Materials
  • ASTM war ursprünglich eine amerikanische Normungsorganisation, hat aber jetzt 12.000 Standards in 140 teilnehmenden Ländern. ASTM integriert die Standards kleinerer industrieller Normungsorganisationen (siehe AISI und ASME unten).

Amerika

• AISI: American Iron and Steel Institute
  • 1855 als American Iron Association gegründet, um „geeignete Maßnahmen zur Förderung der Interessen des Handels in all seinen Zweigen zu ergreifen“, war AISI eine der ersten Organisationen, die nordamerikanische Standards für verschiedene Stahlproduktlinien bereitstellte.
• ASME: American Society of Mechanical Engineers
  • 1880 von Maschinenbauingenieuren gegründet. 1905 veranlasste ein Kesselsprung ASME, Standards zu schaffen, um ähnliche Tragödien zu verhindern. Stahlstandards sind für ASME wichtig, da Materialeigenschaften sichere Arbeitslasten bestimmen.
• ANSI: American National Standards Institute
  • ANSI ist die oberste Dachorganisation in den USA und das amerikanische Mitgliedsorgan bei ISO. 1918 gegründet, verwaltet es freiwillige Konsensstandards für Produkte, Dienstleistungen, Prozesse, Systeme und Personal in den USA.
• CSA Group: Canadian Standards Association
  • Die Canadian Standards Association spezifiziert Stahl in Kanada. Sie wurde 1919 gegründet, als die Industrie feststellte, dass mangelnde Kommunikation es kanadischen Unternehmen erschwerte, schnell genug auf den Kriegsaufwand zu reagieren. Die Standardisierung industrieller Prozesse ermöglichte es der Industrie, Produktion auf eine bisher nicht versuchte Weise zu bündeln. CSA arbeitet auf industrieller Ebene, aber es gibt eine höhere Instanz, den SCC (Standards Council of Canada), das dem ANSI entspricht. In Kanada ist es eine öffentliche Körperschaft, keine private.
• DGN: Dirección General de Normas
  • Diese Normungsorganisation ist das mexikanische Mitgliedsorgan der ISO. Es ist eine Regierungsbehörde statt einer freiwilligen, die Standards erstellt und die Befugnisse und Vorschriften mehrerer Regierungsabteilungen ausübt.

Europa

Europa hat drei Dachorganisationen: CEN, CENELEC und ETSI. In der Stahlspezifikation begegnet man häufiger folgenden:

• DIN: Deutsches Institut für Normung
  • 1917 als Industriennormungsorganisation gegründet, wurde DIN in den 1920ern zur bedeutenden Normungsorganisation umgewandelt. Dies ist Deutschlands Mitgliedsorgan bei ISO.
• BSI Group: British Standards Institution
  • BSI war die weltweit erste nationale Normungsorganisation, 1901 gegründet. Eine ihrer ersten Spezifikationen betraf den Stahl für Straßenbahnen, um Sicherheit und Haltbarkeit zu gewährleisten. Sie ist einer der Gründer der ISO und das britische Mitgliedsorgan.

Asien

• JISC: Japanese Industrial Standards Committee
  • JISC ist das japanische Mitgliedsorgan der ISO und pflegt die JIS (Japanese Industrial Standards), die während des Zweiten Weltkriegs etabliert wurden, um die Materialausgabe zu vereinfachen. 1949 wurden Gesetze erlassen, um die rechtliche Grundlage der JIS zu schaffen.
• GB: Guobiao
  • Die Standardization Administration of China (SAC) ist das Mitgliedsorgan bei ISO. Die von ihr herausgegebenen Standards heißen GB oder Guobiao. Diese bilden die Basis für Produkttests und Zertifizierung in China.

Spezifizierung in der Praxis

Über all diese Spezifikationen hinweg gibt es oft klare Substitutionen für gängige Legierungen. Der zuvor erwähnte ASTM 1050 Stahl könnte durch GB#50 oder JIS S 50 C ersetzt werden. Für jede Spezifikation gibt es kleine chemische Variationen. Ein Ingenieur mit Kenntnis der Anwendung kann beurteilen, ob diese Unterschiede für das Endprodukt problematisch sind.

In den meisten Fällen ändert sich nicht das Metall, sondern der Papierkram. Selbst wenn die Standards leicht abweichen, wird das am Ende herauskommende Material fast dasselbe sein. Die Spezifikation von Metall ist etwas wie das Mischen von Farben, bei dem gemessene Pigmentzugaben zu einer Basisfarbe hinzugefügt werden. Zwei fast identische Farben werden von verschiedenen Herstellern unterschiedlich benannt und haben unterschiedliche Pigmenttoleranzen. Zudem kann jede gemischte Farbcharge minimal von der letzten abweichen. Dennoch wissen Experten, welche Substitutionen zwischen Herstellern möglich sind, und ein Neongrün wird nie mit Rubinrot verwechselt.

Ebenso weiß ein Metallurg, was „gut genug“ bedeutet. Beim Produktdesign beziehen Ingenieure einen Sicherheitsfaktor ein. Das bedeutet, sie überdimensionieren das Produkt, sodass das Material größeren Kräften standhält als denen, für die es ausgelegt ist (ein typischer Sicherheitsfaktor bei Gefahr für Menschenleben ist Faktor fünf). Dieser Sicherheitsfaktor ist im Allgemeinen mindestens eine Größenordnung größer als die geringfügigen Variationen in mechanischen Eigenschaften zwischen Standards, sodass diese Variationen keine Designbedenken darstellen.

Ausnahmen bilden Militär- und Luftfahrtanwendungen, wo die Toleranz für Varianz viel, viel kleiner ist. Selbst eine geringfügige Verschiebung in mechanischen Eigenschaften kann katastrophal sein. Für diese Fälle muss immer derselbe Standard rigoros angewendet werden.

Vorsicht Käufer – in jeder Jurisdiktion

Papierkram ist einfach genug. Standards sind nicht so unterschiedlich und nicht so nachlässig, dass sie der Grund für Gerüchte über ausländischen Stahl wären.

Am wichtigsten ist die Qualitätskontrolle innerhalb der Fabrik. Guter Stahl sollte frei von Einschlüssen sein, durchgehend konsistent und nur sehr geringe, meist oberflächliche Defekte aufweisen. Beim Gießen gibt es viele Stellen, an denen eine gut spezifizierte Stahlgüte schlecht hergestellt werden könnte: Eingangsmaterial, Alter und Wartung der Öfen, Zeit bei Hitze, Entschlacken, das Handwerk des Modells und Sorgfalt beim Gießen tragen alle zum Erfolg des Produkts bei.

Schlechter Stahl kann nach jeder Spezifikation produziert werden, wenn er nicht sorgfältig hergestellt wird.

Den Papierkram zu erledigen ist nicht annähernd so wichtig wie sicherzustellen, dass ein Hersteller mit Sorgfalt und Aufmerksamkeit Qualität produziert. Das ist einer der Gründe, warum Stahl aus anderen Jurisdiktionen einen schlechten Ruf bekommen kann. Wenn man von weit weg bestellt und die Fabrik nicht besucht, kann man Hinweise verpassen, die darauf hindeuten, dass ein Hersteller nachlässig arbeitet. Wenn der Hersteller auf der anderen Seite der Welt sitzt statt um die Ecke, ist das schwerer zu beurteilen.

Doch Geschäftsreisen machen die Welt viel kleiner als früher. Beziehungen und Überwachung entlang der Lieferkette sind in einer globalen Wirtschaft genauso wichtig wie in einer lokalen. Menschen treffen, erfahren, was sie in ihrem Geschäft wertschätzen, macht den Unterschied bei der Auswahl des richtigen Lieferanten. Qualitätssicherung an beiden Enden ist wichtig, um Varianzen zu überwachen, die im Laufe eines Produktionslaufs auftreten können.

Wie so vieles im Geschäft ist das Problem menschlicher Natur. Standards und Automatisierung sind wichtig, aber sie ersetzen nicht gutes Urteilsvermögen und Engagement für Exzellenz. Am Ende ist die Qualität des Stahls ein Produkt der Sorgfalt und Aufmerksamkeit in der Fertigung, egal in welcher Jurisdiktion er hergestellt wird.

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