0Cr13 vs 1Cr13 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

0Cr13 und 1Cr13 sind zwei häufig spezifizierte Grades innerhalb der martensitischen Edelstahlfamilie, die in Ventilen, Pumpen, Besteck, Befestigungselementen und Verschleißkomponenten verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen oft vor der Wahl zwischen den beiden, wenn sie Härte und Verschleißfestigkeit gegen Zähigkeit, Schweißbarkeit und Kosten abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl eines Materials für eine korrosionsbeständige Welle oder die Auswahl eines Ventiltrimmmaterials, bei dem Härte (Abriebfestigkeit) mit Bruchzähigkeit und Fertigungserleichterung konkurriert.

Der wesentliche praktische Unterschied zwischen 0Cr13 und 1Cr13 ist ihr Kohlenstoffgehalt und die Art und Weise, wie Kohlenstoff die martensitische Härtbarkeit beeinflusst: Die hochkohlenstoffhaltige Sorte bietet eine größere Härte/Stärke und Verschleißfestigkeit im Wärmebehandlungszustand auf Kosten von Zähigkeit und Schweißbarkeit, während die niedrigkohlenstoffhaltige Variante in der Fertigung nachsichtiger ist und eine bessere Zähigkeit, aber eine niedrigere maximale Härte bietet. Da beide martensitische Edelstähle mit ähnlichen Chromgehalten sind, werden sie häufig im Design verglichen, wo ein Gleichgewicht zwischen Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Leistung erforderlich ist.

1. Standards und Bezeichnungen

• GB (China): 0Cr13, 1Cr13 (häufige chinesische Bezeichnungen für martensitische Edelstähle).
• JIS (Japan): analoge Familien umfassen die SUS410 / SUS420-Serie (nützlich für Querverweise).
• EN (Europa): martensitische Edelstähle sind durch EN 10088 Teile abgedeckt, mit Äquivalenten oft in der 410 / 420-Serie.
• ASTM/ASME: vergleichbare Materialien finden sich in AISI-Klassifikationen (410, 420, 430 usw.); genaue Äquivalenz erfordert Querverweise auf nominale Chemie und Eigenschaften.

Klassifikation: Sowohl 0Cr13 als auch 1Cr13 sind martensitische Edelstähle (eisenhaltige Edelstähle, wärmebehandelbar). Sie sind keine austenitischen Edelstähle (nicht duplex) noch HSLA oder Werkzeugstähle im strengen Sinne, obwohl sie in Anwendungen verwendet werden, die verschleißfeste, wärmebehandelbare Edelstahleigenschaften erfordern.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsbereiche an, die kommerziell verwendet werden; die tatsächlichen Grenzen hängen vom Standard oder Lieferanten ab. Diese sind ungefähr und sollen die relativen Unterschiede zeigen (nicht normative Spezifikationsgrenzen).

Element	0Cr13 (typisch, ca.)	1Cr13 (typisch, ca.)
C	0.03 – 0.08 Gew.% (niedriger Kohlenstoff)	0.08 – 0.15 Gew.% (höherer Kohlenstoff)
Mn	≤ 1.0 Gew.%	≤ 1.0 Gew.%
Si	≤ 1.0 Gew.%	≤ 1.0 Gew.%
P	≤ 0.04 Gew.%	≤ 0.04 Gew.%
S	≤ 0.03 Gew.%	≤ 0.03 Gew.%
Cr	12.0 – 14.0 Gew.%	12.0 – 14.0 Gew.%
Ni	≤ 0.6 Gew.%	≤ 0.6 Gew.%
Mo	≤ 0.3 Gew.% (oft abwesend)	≤ 0.3 Gew.% (oft abwesend)
V	Spuren / nicht spezifiziert	Spuren / nicht spezifiziert
Nb, Ti, B, N	Spurenwerte, falls vorhanden	Spurenwerte, falls vorhanden

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Kohlenstoff: primäres Härtungselement für martensitische Stähle. Höherer C erhöht die maximal erreichbare Härte und Verschleißfestigkeit, verringert jedoch Zähigkeit und Schweißbarkeit. - Chrom (≈12–14%): liefert Korrosionsbeständigkeit durch Bildung einer passiven Oxidschicht; bei diesen Gehalten bietet es ein grundlegendes „Edelstahl“-Verhalten in milden Umgebungen, jedoch weniger Lochkorrosionsbeständigkeit als höherlegierte Edelstähle. - Mangan und Silizium: Entgasungsmittel und beeinflussen die Härtbarkeit moderat. - Niedrig Ni und Mo: typischerweise minimal in diesen Grades; das Fehlen von Mo schränkt die Lochkorrosionsbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ein.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Mikrostruktur: - Beide Grades bilden Martensit, wenn sie aus der Austenitisierungstemperatur abgeschreckt werden, gegeben ihrer Zusammensetzung und dem Wärmebehandlungsweg. - Im als geglüht Zustand können sie ferritische/perlitische Reste zeigen, abhängig von der Abkühlung, aber für den vorgesehenen Einsatz werden sie typischerweise zu Martensit + temperiertem Martensit gehärtet.

Reaktionen auf Wärmebehandlung: - Austenitisierung (typisch für martensitische Edelstähle): Lösungsglühen bei einer geeigneten Temperatur, um eine homogene Austenitstruktur zu bilden, dann Abschrecken, um Martensit zu erhalten. - Anlassen: verringert Sprödigkeit, verbessert Zähigkeit und setzt die endgültige Härte fest. Anlassen bei höheren Temperaturen senkt die Härte und erhöht die Duktilität. - Normalisieren vs. Abschrecken: Normalisieren kann bei weniger kritischen Teilen verwendet werden, um die Korngröße zu verfeinern; vollständiges Abschrecken + Anlassen wird verwendet, wenn höhere Festigkeit oder Verschleißfestigkeit erforderlich ist.

Relative Reaktion: - 1Cr13 (höherer C) erreicht eine höhere Härte im abgeschreckten Zustand und kann auf einen höheren erhaltenen Härtebereich angelassen werden; es ist empfindlicher gegenüber der Anlasstemperatur, wenn Stärke vs. Zähigkeit abgestimmt wird. - 0Cr13 (niedriger C) entwickelt Martensit mit niedrigerer Härte für die gleiche Wärmebehandlung und ist weniger wahrscheinlich, spröde martensitische Strukturen zu bilden, die eine sehr sorgfältige Anlasstemperatur erfordern – dies verbessert die Zähigkeit und verringert das Risiko von Rissen während der Abschreck-/Anlaszyklen.

Thermo-mechanische Verarbeitung: - Schmieden und kontrolliertes Walzen, gefolgt von einer ordnungsgemäßen Wärmebehandlung, können die Mikrostruktur verfeinern und die Zähigkeit in beiden Grades verbessern; jedoch bleibt der höherkohlenstoffhaltige 1Cr13 härter und damit empfindlicher gegenüber der Querschnittsdicke und der Abkühlrate.

4. Mechanische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung ab. Anstatt absoluter Werte (die mit dem Anlassen variieren), vergleicht die folgende Tabelle relative Tendenzen für typische abgeschreckte und angelassene Bedingungen, die in der Industrie verwendet werden.

Eigenschaft	0Cr13	1Cr13
Zugfestigkeit	Moderat	Höher
Streckgrenze	Moderat	Höher
Dehnung (Duktilität)	Höher (duktiler)	Niedriger (weniger duktil)
Schlagzähigkeit	Besser (höhere Zähigkeit)	Niedriger (reduzierte Zähigkeit bei äquivalenter Härte)
Härte (nach Abschrecken/Anlassen)	Moderat maximal	Höhere maximal erreichbare

Erklärung: - 1Cr13, mit erhöhtem Kohlenstoff, erlaubt höhere Festigkeit und Härte nach Abschrecken und Anlassen; das macht es bevorzugt, wo Verschleißfestigkeit kritisch ist. - 0Cr13 bietet bessere Zähigkeit und Duktilität für die gleiche nominale Verarbeitung, da niedrigerer Kohlenstoff die Neigung zu sprödem Martensit und verbleibenden Spannungen verringert. - Die Auswahl eines Wärmebehandlungs- und Anlasregimes kann Härte gegen Zähigkeit in beiden Grades abwägen; 1Cr13 bietet einen breiteren Härtebereich, erfordert jedoch eine sorgfältigere Wärmebehandlung, um Sprödigkeit zu vermeiden.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von martensitischen Edelstählen wird von dem Kohlenstoffgehalt, der allgemeinen Härtbarkeit und der Anwesenheit von Elementen, die den Austenitbereich erweitern, dominiert.

Wichtige Kohlenstoffäquivalentformeln, die für qualitative Bewertungen nützlich sind: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm-Formel: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation (qualitativ): - Da 1Cr13 den höheren Kohlenstoffgehalt hat, ergibt es ein höheres $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu 0Cr13, was die Neigung zu Kaltverzug, Martensitbildung in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) und wasserstoffunterstütztem Riss erhöht. - 0Cr13, mit niedrigerem Kohlenstoff, ist einfacher zu schweißen, wenn konventionelle Füllmetalle und Vorwärm-/Nachwärmverfahren (PWHT) verwendet werden, und erfordert weniger aggressives Vorwärmen. Praktische Hinweise: - Vorwärmen und PWHT sind für beide Grades häufig erforderlich, wenn dickere Abschnitte oder kritische Baugruppen geschweißt werden. Für 1Cr13 reduzieren höheres Vorwärmen und kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen sowie rigorose PWHT die HAZ-Härte und das Risiko von Rissen. - Wahl des Füllmetalls: Verwenden Sie kompatible martensitische oder austenitisch-ferritische Füllstoffe, je nach gewünschten Eigenschaften; austenitische Füllstoffe können das Risiko von HAZ-Rissen minimieren, ändern jedoch das Korrosions- und mechanische Verhalten lokal.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

Sowohl 0Cr13 als auch 1Cr13 sind rostfrei, da sie Chrom im Bereich von ~12–14% enthalten, was die Bildung einer passiven Schicht in vielen Atmosphären unterstützt. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist jedoch moderat und erheblich niedriger als die von höherlegierten Edelstählen (z.B. 304/316).

• Allgemeine Korrosion: ausreichend in mild korrosiven Umgebungen (Luft, Wasser), aber nicht empfohlen für chloridreiche oder pitting-Umgebungen ohne Schutzmaßnahmen.
• Pitting- und Spaltbeständigkeit: begrenzt – Mo-Gehalt ist normalerweise niedrig oder abwesend; daher ist die gängige Pitting-Beständigkeitsäquivalenznummer (PREN) niedrig und weniger anwendbar für diese Grades.

Nützlicher Korrosionsindex (wenn anwendbar): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Für 0Cr13 und 1Cr13, mit vernachlässigbarem Mo und N, wird PREN hauptsächlich durch Chrom bestimmt und wird im Vergleich zu Duplex- oder austenitischen Edelstählen moderat sein.

Oberflächenschutz für nicht schwere Umgebungen: - Verzinkung: ungewöhnlich bei Edelstählen; kann stattdessen bei kostengünstigen Kohlenstoffstählen verwendet werden. - Lackierung, Beschichtung: üblich für zusätzlichen Korrosionsschutz, wo Ästhetik und Schutz erforderlich sind. - Passivierung: chemische Passivierung (Salpetersäure oder Zitronensäure) kann die passive Schicht nach der Verarbeitung wiederherstellen/optimieren.

Klärung: PREN ist bedeutend für Edelstahlgrade mit spürbarem Mo und N; für diese martensitischen Grades unterstreicht PREN lediglich ihre begrenzte Pitting-Beständigkeit.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit: Der höherkohlenstoffhaltige 1Cr13 ist im als abgeschreckten Zustand im Allgemeinen härter und damit schwieriger zu bearbeiten. Die Zerspanbarkeit ist im geglühten oder niedrigeren Härtebereich besser. 0Cr13 ist einfacher zu bearbeiten, wenn ähnliche wärmebehandelte Härte erforderlich ist.
• Schleifen und Finish: Die höhere Härte von 1Cr13 macht das abrasive Finish herausfordernder und erhöht den Werkzeugverschleiß; 0Cr13 ist nachsichtiger.
• Formbarkeit und Biegen: Der niedrigkohlenstoffhaltige 0Cr13 hat bessere Formbarkeit und Rückfederungseigenschaften im erweichten (geglühten) Zustand. Martensitische Edelstähle sind im Allgemeinen nicht so formbar wie austenitische Grades.
• Oberflächenfinish und Ätzen: Beide Stähle reagieren auf gängige Edelstahl-Oberflächenbehandlungen; jedoch sind nach dem Schweißen Schleifen und Passivierung oft erforderlich, um die Korrosionsbeständigkeit nach der Verarbeitung wiederherzustellen.

8. Typische Anwendungen

0Cr13 (niedriger Kohlenstoff)	1Cr13 (höherer Kohlenstoff)
Ventilkörper und -trimms, bei denen verbesserte Zähigkeit und Schweißbarkeit priorisiert werden	Verschleißfeste Komponenten wie Klingen, Schneidkanten und Wellen, die höhere Härte erfordern
Wellen, Befestigungselemente, Pumpenkomponenten in mäßig korrosivem Einsatz mit routinemäßigem PWHT	Kugellagerkäfige, Ventilsitze und Dichtungsringe, bei denen Härte/Verschleißfestigkeit kritisch ist
Allzweckstrukturteile aus Edelstahl, bei denen die Fertigungserleichterung wichtig ist	Werkzeuge, Verschleißplatten und Komponenten, die abrasivem Verschleiß ausgesetzt sind, wo höhere Härte benötigt wird

Auswahlbegründung: - Verwenden Sie 0Cr13, wenn Schweißbarkeit, Zähigkeit und Duktilität wichtiger sind als die Spitzenhärte; es wird für Komponenten mit dynamischen Lasten und wo die Nachschweißleistung wichtig ist, bevorzugt. - Verwenden Sie 1Cr13, wenn maximale erreichbare Härte und Verschleißfestigkeit die Hauptfaktoren sind und wo sorgfältige Wärmebehandlung und Schweißkontrollen akzeptabel sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: 1Cr13 und 0Cr13 sind im Allgemeinen in den Kosten für das Grundmaterial ähnlich, da der Chromgehalt den Legierungspreis dominiert. 1Cr13 kann pro Einheit der Verarbeitungskosten etwas günstiger sein, wenn die fertige Härte die Nachbearbeitungsoperationen reduziert, aber zusätzliche Schweiß- und Wärmebehandlungsmaßnahmen können die Gesamtkosten des Teils erhöhen.
• Verfügbarkeit: Beide Grades werden weit verbreitet produziert und sind in Platten-, Stangen- und geschmiedeten Formen in Regionen erhältlich, die nach GB und entsprechenden Spezifikationen fertigen. Bestimmte Produktformen, enge Zusammensetzungskontrollen oder spezialisierte Wärmebehandlungszustände können die Lieferzeiten beeinflussen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ)

Merkmal	0Cr13	1Cr13
Schweißbarkeit	Gut (besser als 1Cr13)	Befriedigend bis Schlecht (erfordert strengere Vorwärmung & PWHT)
Stärke-Zähigkeit-Abwägung	Ausgewogen zugunsten der Zähigkeit	Ausgewogen zugunsten höherer Festigkeit/Härte
Kosten (nur Material)	Vergleichbar	Vergleichbar

Fazit – wählen Sie basierend auf den Anwendungsbedürfnissen: - Wählen Sie 0Cr13, wenn Sie verbesserte Schweißbarkeit, höhere Zähigkeit und bessere Duktilität für Komponenten benötigen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind oder wo die Fertigungssimplizität wichtig ist. - Wählen Sie 1Cr13, wenn Sie höhere Härte im Wärmebehandlungszustand und Verschleißfestigkeit benötigen und strenge Wärmebehandlungs- und Schweißkontrollen anwenden können, um Sprödigkeit und das Risiko von Rissen in der HAZ zu steuern.

Abschließende Hinweise für Spezifikation und Beschaffung: - Fordern Sie immer die zertifizierte chemische Analyse und den Wärmebehandlungszustand des Lieferanten an; spezifizieren Sie die erforderlichen mechanischen Eigenschaften und das Wärmebehandlungs-/Anlasregime in den Bestellungen. - Für geschweißte Baugruppen stellen Sie Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) bereit, die Vorwärmung, Zwischenpasskontrolle, Verbrauchsmaterialien und PWHT-Anforderungen detailliert beschreiben, und ziehen Sie NDT/Inspektionen in Betracht, wenn die Folgen eines Versagens erheblich sind.