12Cr1MoV vs 15CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen eng verwandten niedriglegierten Stählen, wenn sie Komponenten für Druckgeräte, Rohrleitungen und Anwendungen bei erhöhten Temperaturen spezifizieren. Typische Auswahlprobleme drehen sich um das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen im Vergleich zu Schweißbarkeit, Fertigungserleichterung und Kosten. Ein häufiger Vergleich besteht zwischen 12Cr1MoV und 15CrMo, die beide in Kesseln, Druckbehältern und hitzeexponierten Bauteilen verwendet werden.

Der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden Stählen ist ihre Legierungsstrategie: Eine Sorte enthält stärkere, karbidbildende Mikrolegierungselemente, die die Härtbarkeit und die Festigkeit bei hohen Temperaturen erhöhen, während die andere für eine einfachere Zusammensetzung und leichtere Verarbeitung formuliert ist. Dieser Unterschied führt zu Kompromissen in der mechanischen Leistung, den Schweißverfahren und der Eignung für den Einsatz bei höheren Temperaturen.

1. Normen und Bezeichnungen

• 12Cr1MoV
• Erscheint häufig in nationalen Normen für Druckbehälter- und Kesselstähle (zum Beispiel verschiedene chinesische und osteuropäische Normen). Es wird als niedriglegierter Stahl klassifiziert, der für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen (Druck-/Kesselstahl) ausgelegt ist.
• 15CrMo
• Erscheint in traditionellen europäischen und internationalen Spezifikationen für niedriglegierte Stähle für Kessel und Druckbehälter (historisch in EN/BS-bezogenen Bezeichnungen). Es ist ebenfalls eine niedriglegierte, hitzebeständige Stahlgüte.

Klassifikation für beide: niedriglegierter (ferritischer) Druck-/Kesselstahl (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstahl, nicht HSLA im modernen Mikrolegierungs-Sinn, obwohl Mikrolegierungselemente vorhanden sein können).

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die beiden Güten verwenden unterschiedliche Legierungsstrategien: Eine betont kleine Zusätze von Mikrolegierungselementen (Karbid-/Nitridebildner), um die Festigkeit bei hohen Temperaturen und die Kriechbeständigkeit zu verbessern, während die andere eine einfachere Chrom-Molybdän-Legierung ist, die für gute Zähigkeit und leichtere Schweißbarkeit optimiert ist.

Tabelle — qualitative Präsenz von Legierungselementen | Element | 12Cr1MoV (qualitative Präsenz) | 15CrMo (qualitative Präsenz) | |---|---:|---:| | C (Kohlenstoff) | Niedrig bis moderat (steuert die Festigkeit) | Niedrig bis moderat | | Mn (Mangan) | Vorhanden (Festigkeits-/Zähigkeitsunterstützung) | Vorhanden | | Si (Silizium) | In kleinen Mengen vorhanden (Entgasung) | In kleinen Mengen vorhanden | | P (Phosphor) | Rest-/kontrolliert (niedrig gehalten) | Rest-/kontrolliert (niedrig gehalten) | | S (Schwefel) | Spur/kontrolliert | Spur/kontrolliert | | Cr (Chrom) | Moderat (verbessert Oxidation und Festigkeit) | Moderat (primäre Legierung) | | Ni (Nickel) | Allgemein abwesend oder Spur | Allgemein abwesend oder Spur | | Mo (Molybdän) | Vorhanden (verbessert die Kriechfestigkeit und Härtbarkeit) | Vorhanden (aber typischerweise geringerer Gehalt als die stärker legierte Sorte) | | V (Vanadium) | Kleine Mikrolegierungszugabe (bildet Karbide/Nitride) | Üblicherweise abwesend oder nur Spur | | Nb (Niob) | Typischerweise abwesend oder Spur | Typischerweise abwesend oder Spur | | Ti (Titan) | Spur möglich (Entgasung/Stabilisierung) | Spur möglich | | B (Bor) | Nicht typisch | Nicht typisch | | N (Stickstoff) | Spur (beeinflusst die Mikrolegierungs-Karbid-/Nitridebildung) | Spur |

Wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen - Chrom und Molybdän erhöhen die Festigkeit bei hohen Temperaturen, die Kriechbeständigkeit und die Härtbarkeit; sie reduzieren auch leicht die Schweißbarkeit, wenn die Gehalte signifikant sind. - Vanadium (und andere Mikrolegierungselemente wie Niob) trägt zur Verstärkung durch feine Karbid-/Nitrideausfällungen und Kornverfeinerung bei; dies steigert die Streckgrenze und die Kriechbeständigkeit, erhöht jedoch die Härtbarkeit und das Risiko der Martensitbildung im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) während des Schweißens. - Kohlenstoff steuert die Grundfestigkeit und Härtbarkeit; in diesen Güten niedrig bis moderat gehalten, um die Schweißbarkeit und Zähigkeit zu erhalten. - Mangan und Silizium sind hauptsächlich Entgasungsmittel und tragen bescheiden zur Festigkeit und Zähigkeit bei.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen - Beide Güten weisen ferritisch-perlitische oder normalisierte ferritische Mikrostrukturen im gelieferten Zustand auf, wenn sie normalisiert oder normalisiert und vergütet sind. Für typische Druckbehälterstähle ist die Zielmikrostruktur eine vergütete bainitische oder feinkörnige Ferrit-/Perlitstruktur, abhängig von der Wärmebehandlung und der Abkühlrate. - 12Cr1MoV neigt aufgrund der Mikrolegierung (Vanadium) und Molybdän dazu, feinere Ausfällungen zu erzeugen und kann in stark gekühlten Bereichen eine feinkörnige, vergütete Martensit-/Ferritstruktur entwickeln; dies führt zu höherer Festigkeit und verbesserter Kriechbeständigkeit. - 15CrMo hat typischerweise eine konventionelle vergütete Ferrit-/Perlit-Mikrostruktur, die für Zähigkeit bei moderaten erhöhten Temperaturen optimiert ist.

Reaktion auf Wärmebehandlung - Normalisieren: Beide Stähle reagieren auf das Normalisieren mit Kornverfeinerung und verbesserter Zähigkeit; die Mikrolegierungselemente in 12Cr1MoV helfen, feine Körner unter geeigneten Normalisierungszyklen zu stabilisieren. - Abschrecken und Vergüten: Beide können abgeschreckt und vergütet werden, aber die Anwesenheit von Vanadium und die höhere Härtbarkeit in der stärker legierten Sorte erfordern eine sorgfältige Kontrolle der Abschreckschwere und des Vergütens, um übermäßige HAZ-Härte zu vermeiden und die erforderliche Zähigkeit zu erreichen. - Thermo-mechanische Verarbeitung: 12Cr1MoV profitiert mehr von kontrolliertem Walzen/thermo-mechanischer Verarbeitung, da Mikrolegierungs-Ausfällungen helfen, Korngrenzen zu fixieren, was die Festigkeit und Zähigkeit bei Temperatur verbessert.

4. Mechanische Eigenschaften

Die Bereitstellung qualitativ vergleichbarer mechanischer Eigenschaften vermeidet irreführende genaue Zahlen, während die Unterschiede klar gemacht werden.

Tabelle — vergleichendes mechanisches Verhalten (qualitativ) | Eigenschaft | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Zugfestigkeit | Höhere Tendenz (aufgrund von Mikrolegierung und Mo) | Moderat | | Streckgrenze | Höhere Tendenz | Moderat | | Dehnung (Duktilität) | Gut, kann leicht niedriger sein als 15CrMo, wenn stark legiert/übervergütet | Gut, allgemein duktiler im Standardzustand | | Schlagzähigkeit | Gut mit richtiger Wärmebehandlung; empfindlich gegenüber HAZ-Bedingungen | Allgemein sehr gut, oft überlegene HAZ-Zähigkeit unter denselben Schweißpraktiken | | Härte | Kann nach Abschrecken & Vergüten höhere Härte erreichen | Niedriger unter vergleichbaren Bedingungen |

Erklärung - 12Cr1MoV ist so konzipiert, dass es höhere Temperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit durch Mikrolegierung und höheres Molybdän liefert; daher erreicht es typischerweise höhere Zug- und Streckgrenzen nach geeigneter Wärmebehandlung. - 15CrMo, mit weniger Mikrolegierungszusätzen, ist in der Regel einfacher zu verarbeiten und zu schweißen, mit leicht besserer erhaltenen Duktilität und HAZ-Zähigkeit in vielen Fertigungsszenarien. - Tatsächliche mechanische Werte hängen von der genauen Spezifikation, dem Wärmebehandlungsweg und der Produktform ab; Ingenieure sollten sich auf die Lieferanten-Mühlenzertifikate für garantierte Mindestwerte beziehen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffäquivalent, Legierungselemente, die die Härtbarkeit erhöhen, und Mikrolegierungselemente, die stabile Karbide/Nitride bilden, bestimmt.

Nützliche empirische Indizes (für qualitative Interpretation) - Kohlenstoffäquivalent (IIW-Formel): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm-Formel für Schweißrissanfälligkeit: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation - Höhere Werte von $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ weisen auf eine größere Härtbarkeit und einen erhöhten Bedarf an Vorwärmung, kontrollierten Zwischentemperaturen und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) hin. - 12Cr1MoV liefert typischerweise höhere $CE$/$P_{cm}$-Beiträge aufgrund von Molybdän und Vanadium, sodass Schweißverfahren die erhöhte HAZ-Härtbarkeit berücksichtigen müssen: Vorwärmung, kontrollierte Wärmezufuhr und PWHT sind häufig für die Fertigung von Druckbehältern erforderlich. - 15CrMo, mit weniger Mikrolegierungselementen, hat typischerweise niedrigere berechnete CE- und Pcm-Werte und ist allgemein nachsichtiger beim Schweißen — obwohl Vorwärmung und PWHT oft immer noch für dicke Abschnitte und Druckgeräte spezifiziert werden.

Praktische Hinweise - Beide Güten, die in Druckgeräten verwendet werden, erfordern normalerweise qualifizierte Schweißverfahren und PWHT, um die Zähigkeit wiederherzustellen und Restspannungen abzubauen. - Bei der Auswahl zwischen den beiden sollten die erforderliche Komplexität des PWHT-Zyklus und die Schweißproduktivität berücksichtigt werden. Stark legierte Stähle erfordern eine engere Kontrolle.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder 12Cr1MoV noch 15CrMo sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit entspricht der von niedriglegierten ferritischen Stählen. Die Auswahl sollte die Notwendigkeit von Schutzbeschichtungen oder kathodischem Schutz annehmen, wo Korrosion ein Anliegen ist.
• Typische Schutzmaßnahmen: Beschichtungssysteme, Epoxid-/Phenolbeschichtungen, Verkleidungen (Schweißüberzug) oder Feuerverzinkung für Umgebungsbedingungen, in denen galvanischer Schutz angemessen ist.
• Für vollständig nicht rostfreie Stähle ist PREN nicht anwendbar; jedoch ist der PREN-Index für legierte Stähle, bei denen Molybdän zur lokalen Korrosionsbeständigkeit in speziellen Umgebungen beiträgt, nur relevant, wenn der Stahl signifikantes Chrom und Molybdän sowie messbaren Stickstoff enthält — was bei den Standardgüten 12Cr1MoV oder 15CrMo nicht der Fall ist.
• Wo die Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen wichtig ist, bieten höhere Cr- und Mo-Gehalte (wie in der stärker legierten Sorte) eine bessere Leistung, aber diese Stähle sind dennoch keine Ersatzstoffe für rostfreie oder hochtemperaturbeständige Legierungen.

Beispiel PREN-Formel (normalerweise nicht anwendbar auf diese Güten): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit: Beide Stähle sind in normalisierten oder geglühten Zuständen vernünftig zerspanbar. Leicht höhere Härte und Ausfällungsstärkung in 12Cr1MoV können die Werkzeuglebensdauer im Vergleich zu 15CrMo reduzieren.
• Formbarkeit: 15CrMo ist aufgrund der einfacheren Mikrostruktur und der leicht niedrigeren Streckgrenze im gelieferten Zustand tendenziell etwas einfacher kalt zu formen und zu biegen.
• Verbindung und Verarbeitung: 12Cr1MoV erfordert eine engere Kontrolle der Wärmezufuhr und des Wasserstoffs (saubere Elektroden, Vorwärmung) aufgrund der höheren Härtbarkeit durch Mo und V. Der Einsatz von qualifizierten Füllmetallen, die für PWHT und übereinstimmende mechanische Eigenschaften bewertet sind, ist unerlässlich.
• Oberflächenbearbeitung: Beide akzeptieren Standard-Schleifen, Bearbeitung und Oberflächenvorbereitung für Beschichtungen. Karbid-Ausfällungen in mikrolegierten Stählen können lokale Härte verursachen, die die Bearbeitungsoperationen beeinträchtigt.

8. Typische Anwendungen

Tabelle — typische Verwendungen nach Güte | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---| | Hochtemperaturkesselrohre und -sammler, wo verbesserte Kriechbeständigkeit erforderlich ist | Kessel- und Druckbehälterrohre für den Einsatz bei moderaten Temperaturen | | Druckbehälterkomponenten, die höhere langfristige Festigkeit bei erhöhten Temperaturen erfordern | Allgemeine Druckbehältergehäuse, Flansche und Fittings, bei denen die Fertigungserleichterung priorisiert wird | | Komponenten, bei denen verbesserte Kornstabilität und Kriechbeständigkeit durch Mikrolegierung vorteilhaft sind | Anwendungen mit häufigem Schweißen und höherem Bedarf an guter HAZ-Zähigkeit und leichterer Qualifizierung | | Dampfleitungen und -sammler, die bei höheren Temperaturen/Druck arbeiten (je nach Spezifikation) | Wirtschaftliche Rohre und Bauteile für niedrigere bis moderate Temperaturen |

Auswahlbegründung - Wählen Sie die stärker mikrolegierte Sorte, wenn die Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen, Kriechfestigkeit und Kornstabilität von größter Bedeutung sind und das Projektbudget sowie die Schweißkontrollen strengere Verfahren zulassen. - Wählen Sie die einfachere Chrom-Molybdän-Legierung, wenn Fertigungsgeschwindigkeit, geringere Schweißempfindlichkeit und Kosteneffizienz wichtiger sind und die Betriebstemperaturen moderat sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: Im Allgemeinen wird die Sorte mit zusätzlichen Mikrolegierungselementen (Vanadium, leicht höheres Mo) pro Tonne teurer sein als die einfachere Chrom-Molybdän-Sorte aufgrund der Kosten der Legierungselemente und potenziell strengerer Verarbeitungssteuerungen.
• Verfügbarkeit: Beide Güten werden häufig in Standardproduktformen (Platten, Rohre, Schmiedeteile) für den Kessel-/Druckbehältermarkt produziert. Die Verfügbarkeit variiert regional — überprüfen Sie lokale Mühlen und Händler auf Lieferzeiten. Standardformen und -größen sind in einigen Märkten für die einfachere 15CrMo-Variante leichter verfügbar.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle — prägnanter Vergleich | Kriterium | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | Schweißbarkeit | Befriedigend — erfordert strengere Vorwärm-/PWHT-Kontrolle | Gut — nachsichtiger beim Schweißen | | Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Höhere Festigkeit bei hohen Temperaturen; gute Zähigkeit mit richtiger Wärmebehandlung | Gute Zähigkeit und Duktilität; moderate Festigkeit | | Kosten | Höher (aufgrund von Mikrolegierung und Verarbeitung) | Niedriger (wirtschaftlicher) |

Empfehlung - Wählen Sie 12Cr1MoV, wenn: Ihr Bauteil höhere Temperaturen oder längere Kriechlebensdauer aushalten muss, Sie eine bessere Kornstabilität und höhere langfristige Festigkeit benötigen und Sie strengere Schweißverfahren, Vorwärmung und PWHT umsetzen können. - Wählen Sie 15CrMo, wenn: die Anwendung Druckgeräte oder Rohrleitungen bei moderaten Temperaturen ist, wo Fertigungsgeschwindigkeit, leichtere Schweißbarkeit und niedrigere Materialkosten die Haupttreiber sind und das Design nicht die verbesserte Kriechfestigkeit von mikrolegiertem Stahl erfordert.

Letzte Anmerkung: Bestätigen Sie immer die genauen chemischen und mechanischen Anforderungen anhand der Projektspezifikation und der Mühlenzertifikate. Die Qualifizierung des Schweißverfahrens, PWHT-Zeitpläne und mechanische Akzeptanzkriterien müssen basierend auf der ausgewählten Güte, Dicke und der beabsichtigten Betriebstemperatur festgelegt werden.