15CrMo vs 20CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

15CrMo und 20CrMo sind zwei Chrom-Molybdän-Legierungsstähle, die häufig in Anwendungen für Druckbehälter, Energieerzeugung und mechanische Komponenten vorkommen. Ingenieure und Beschaffungsteams entscheiden oft zwischen ihnen, wenn sie Anforderungen wie Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Kriechbeständigkeit im Vergleich zu Härte und Durchmesserfestigkeit für stark belastete Teile abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen, ob das Teil über längere Zeiträume bei erhöhten Temperaturen betrieben wird (was niedrigeren Kohlenstoff/höhere Temperstabilität begünstigt) oder ob höhere Festigkeit und Härtbarkeit nach dem Abschrecken erforderlich sind (was die höherkohlenstoffhaltige Sorte begünstigt).

Der primäre technische Unterschied zwischen diesen Sorten liegt in ihrem Kohlenstoffgehalt und der daraus resultierenden Wirkung auf Härtbarkeit und Anlasverhalten: Die niedrigkohlenstoffhaltige Sorte bietet bessere Zähigkeit und Gebrauchstauglichkeit bei erhöhten Temperaturen, während die höherkohlenstoffhaltige Sorte nach geeigneter Wärmebehandlung höhere Festigkeit und Verschleißfestigkeit erreichen kann. Da beide Cr-Mo-Stähle sind, werden sie häufig für Druckdienstkomponenten bei mittleren Temperaturen und für strukturelle/mechanische Teile verglichen, bei denen Schweißbarkeit, Wärmebehandlungsreaktion und Kosten eine Rolle spielen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Querverweise:
• GB/T (China): Bezeichnungen wie 15CrMo und 20CrMo erscheinen in GB-Spezifikationen für Druckbehälterstähle.
• EN / DIN: Ähnliche Cr-Mo-Stähle sind unter EN/DIN-Familien zu finden (z.B. 13CrMo4-5; genaue Entsprechung hängt von Chemie und Wärmebehandlung ab).
• JIS (Japan) und ASTM/ASME (USA): Entsprechende oder ähnliche Stähle existieren, aber genaue Sortenübereinstimmungen erfordern chemische und mechanische Bestätigungen.
• Klassifizierung:
• Sowohl 15CrMo als auch 20CrMo sind legierte Stähle (Cr-Mo niedriglegierte Stähle), keine rostfreien, keine Werkzeugstähle und nicht HSLA im strengen Sinne. Sie werden häufig für Druckbehälter, Rohrleitungen und mechanische Teile verwendet, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Typische nominale Zusammensetzungsbereiche (repräsentativ; gegen die spezifische Norm oder das Werkzertifikat zur endgültigen Auslegung überprüfen).

Element	15CrMo (typische Bereiche)	20CrMo (typische Bereiche)
C	0.10–0.18 Gew%	0.17–0.24 Gew%
Mn	0.35–0.65 Gew%	0.35–0.65 Gew%
Si	0.10–0.37 Gew%	0.10–0.37 Gew%
P	≤ 0.035 Gew%	≤ 0.035 Gew%
S	≤ 0.035 Gew%	≤ 0.035 Gew%
Cr	~0.8–1.1 Gew%	~0.8–1.3 Gew%
Mo	~0.12–0.25 Gew%	~0.12–0.30 Gew%
Ni	≤ 0.30 Gew% (Spur)	≤ 0.30 Gew% (Spur)
V, Nb, Ti, B, N	Wird normalerweise nicht in signifikanten Mengen hinzugefügt; kann in Spur-/Mikrolegierungsniveaus vorhanden sein	Dasselbe

Hinweise: - Diese Bereiche sind illustrativ für die häufig vorkommende Werkchemie der beiden Bezeichnungen; spezifische Normen (GB/T, EN, JIS, ASTM) und Wärme-Nummern bestimmen die genauen Grenzen. - Legierungsstrategie: Cr und Mo erhöhen die Härtbarkeit, Festigkeit bei Temperatur und Anlasbeständigkeit. Kohlenstoff erhöht die Festigkeit nach dem Abschrecken und die Härtbarkeit, verringert jedoch die Duktilität/Zähigkeit und Schweißbarkeit, wenn er erhöht wird. Mangan und Silizium sind Entgasungsmittel und tragen zur Festigkeit und Härtbarkeit bei.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

• Als gewalzte / normalisierte Mikrostruktur:
• 15CrMo im normalisierten Zustand ist typischerweise eine vergütete Ferrit-Perlit- oder feine Bainit-Mikrostruktur mit relativ niedriger zurückgehaltener Härte und guter Zähigkeit; gewählt für Druckteile, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden.
• 20CrMo, mit höherem Kohlenstoff und vergleichbarem Cr-Mo, kann feinere Perlit bilden oder während des schnellen Abkühlens leichter in Bainit/Martensit umwandeln, was nach dem Abschrecken und Anlassen zu erhöhter Härte und Festigkeit führt.
• Wärmebehandlungseffekte:
• Normalisieren/Verfeinern: Beide Stähle reagieren auf das Normalisieren (Luftkühlung von der Austenitisierungstemperatur) mit der Bildung von feinem Ferrit-Perlit oder Bainit, abhängig von der Abkühlrate; 20CrMo neigt dazu, aufgrund des Kohlenstoffgehalts höhere Härte zu entwickeln.
• Abschrecken und Anlassen: 20CrMo erreicht höhere Festigkeit nach dem Abschrecken und höhere Anlasfestigkeit, ist jedoch anfälliger für Abschreckrisse und erfordert strengere Kontrolle der Vorwärm- und Zwischenpass-Temperaturen beim Schweißen. 15CrMo erreicht ausreichende Festigkeit für den Druckbehälterdienst mit reduzierter Abschreckempfindlichkeit.
• Thermomechanische Verarbeitung: Kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen können die Festigkeit und Zähigkeit für beide Sorten verbessern, aber die niedrigkohlenstoffhaltige Sorte bietet im Allgemeinen eine schadenstolerantere Mikrostruktur für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Vergleichende Eigenschaften (qualitatives/typisches Verhalten; Produktzertifizierung für genaue Werte überprüfen)

Eigenschaft	15CrMo	20CrMo	Hinweise
Zugfestigkeit	Moderat	Höher	20CrMo erreicht höhere Zugfestigkeit nach Abschrecken & Anlassen aufgrund höherem C/Härtbarkeit
Streckgrenze	Moderat	Höher	20CrMo hat bei höherem Stress nach Wärmebehandlung eine höhere Streckgrenze
Dehnung (%)	Höher (duktiler)	Niedriger (weniger duktil)	Höherer Kohlenstoff verringert die Duktilität
Schlagzähigkeit	Besser bei erhöhten Temperaturen	Gut bei Raumtemperatur, wenn abgeschreckt/vergütet, aber niedriger bei hohen T	15CrMo ist für nachhaltige Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen vorgesehen
Härte (HRC/HRB)	Niedriger (leichter zu bearbeiten/formen)	Höher (bei Wärmebehandlung)	20CrMo kann nach geeigneter Wärmebehandlung höhere Härte erreichen

Interpretation: - Bei vergleichbaren Wärmebehandlungsbedingungen, die auf den Druckbehälterdienst abzielen (vergütete Bedingungen), bietet 15CrMo typischerweise eine duktilere und zähere Reaktion bei Betriebstemperaturen, während 20CrMo dort eingesetzt werden kann, wo höhere Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit erforderlich sind. - Designer müssen die Wärmebehandlung an die Betriebsumgebung anpassen: Für Kriechbeständigkeit können Temperstabilität und niedriger Kohlenstoff wünschenswert sein; für tragende Komponenten, die höhere Streckgrenze/Zugfestigkeit erfordern, kann höherer Kohlenstoff/Härtbarkeit priorisiert werden.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt hauptsächlich vom Kohlenstoffäquivalent und der Legierung ab. Zwei weit verbreitete empirische Indizes sind:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

und

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 20CrMo, mit höherem Kohlenstoffgehalt, wird im Allgemeinen ein höheres $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ als 15CrMo für die gleichen Gehalte an Mn, Cr und Mo haben — was auf eine größere Anfälligkeit für HAZ-Härtung und Kaltverzug hinweist, es sei denn, es werden geeignete Vorwärm- und Nachschweißwärmebehandlungen (PWHT) angewendet. - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von 15CrMo verringert die Notwendigkeit für starkes Vorwärmen und ermöglicht nachgiebigere Schweißpraktiken, obwohl PWHT immer noch oft für den Druckbehälterdienst erforderlich ist, um Restspannungen abzubauen und die HAZ zu tempern. - Beide Sorten enthalten Cr und Mo, die die Härtbarkeit erhöhen; Schweißverfahren (Vorwärmen, Zwischenpass und PWHT) müssen gemäß den Vorschriften (z.B. ASME Section IX) für Druckanwendungen qualifiziert werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder 15CrMo noch 20CrMo sind rostfrei; beide benötigen Oberflächenschutz in korrosiven Umgebungen.
• Typische Schutzmaßnahmen: Lackierung, industrielle Beschichtungssysteme, Verzinkung (wo angemessen für die Entwurfstemperatur und den Dienst) oder Verkleidung mit korrosionsbeständigen Legierungen für aggressivere Umgebungen.
• PREN ist für diese nicht rostfreien niedriglegierten Stähle nicht anwendbar, aber bei der Diskussion über Korrosionsbeständigkeit für rostfreie Legierungen würde man verwenden:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Für Hochtemperatur-Oxidations-/Skalenbeständigkeit hilft der Gehalt an Cr und Mo, aber für echte Korrosionsbeständigkeit (Chlorid, saure Medien) sind rostfreie Legierungen oder Oberflächenverkleidungen erforderlich.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: 15CrMo (niedrigerer Kohlenstoff) ist im Allgemeinen leichter zu bearbeiten als 20CrMo unter ähnlichen wärmebehandelten Bedingungen. Höhere Härte in 20CrMo erhöht die Schnittkräfte und den Werkzeugverschleiß.
• Formen/Biegen: 15CrMo toleriert besser das Kaltformen und Biegen aufgrund höherer Duktilität; 20CrMo kann niedrigere Biegeradien oder Anlassen/Normalisieren vor dem Formen erfordern.
• Oberflächenbearbeitung: Schleifen, Polieren und Strahlen sind ähnlich, aber die höhere Härte von 20CrMo kann aggressivere Werkzeuge oder langsamere Vorschubgeschwindigkeiten erforderlich machen.
• Schweißen und Verarbeitung: Beide Sorten erfordern typischerweise Vorwärmen und PWHT, wenn sie in Druckanwendungen verwendet werden; der Grad und die Temperatur hängen vom Kohlenstoffäquivalent und der Dicke ab.

8. Typische Anwendungen

Tabelle: Typische Verwendungen

15CrMo	20CrMo
Kessel- und Druckbehälterkomponenten für moderate erhöhte Temperaturen	Mechanische Wellen, Bolzen, Schrauben und tragende Komponenten, die höhere abgeschreckte/vergütete Festigkeit erfordern
Rohrleitungen und Fittings in Kraftwerken, wo Zähigkeit bei Temperatur erforderlich ist	Getriebe, Schwerlastkupplungen und strukturelle Teile, wo höhere Festigkeit oder Verschleißfestigkeit nach Wärmebehandlung benötigt wird
Wärmetauscherrohre, -köpfe und -flansche, wo Kriechbeständigkeit und Temperstabilität wichtig sind	Presseinschraub- oder Schrumpfkomponenten und Teile, die zyklischen mechanischen Lasten ausgesetzt sind (nach geeigneter Wärmebehandlung)

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 15CrMo, wenn nachhaltige Temperaturleistung, Duktilität und Schweißbarkeit mit geringerem Risiko von Wasserstoffrissbildung Priorität haben (Druckbehälter und Rohrleitungen). - Wählen Sie 20CrMo, wenn höhere Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit erforderlich sind und wenn kontrollierte Wärmebehandlung möglich ist.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Rohmaterialkosten: Beide sind Cr-Mo-Legierungsstähle; die Materialkostenunterschiede sind bescheiden und werden weitgehend durch die lokale Versorgung, Form (Platte, Stange, Rohr) und Verarbeitungsanforderungen bestimmt.
• Verarbeitungskosten: 20CrMo kann höhere Verarbeitungskosten verursachen, aufgrund strengerer Wärmebehandlungs-/Schweißkontrollen und potenziell teurerer Bearbeitung/Werkzeuge, wenn höhere Härte angestrebt wird.
• Verfügbarkeit: Beide Sorten sind in gängigen Produktformen (Platte, Stange, nahtloses Rohr) in vielen Industrien weit verbreitet; spezifische wärmebehandelte Bedingungen und Zertifizierungen für Druckmaterial mit großem Durchmesser können begrenzter sein und längere Vorlaufzeiten erfordern.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Hochrangiger Vergleich

Attribut	15CrMo	20CrMo
Schweißbarkeit	Besser (niedriger CE)	Erfordert strengere Vorwärmung/PWHT (höherer CE)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Gute Zähigkeit, moderate Festigkeit	Höhere erreichbare Festigkeit, niedrigere Duktilität bei Härtung
Kosten (Material + Verarbeitung)	Niedrig bis moderat	Moderat bis höher (abhängig von der Wärmebehandlung)

Empfehlungen: - Wählen Sie 15CrMo, wenn Sie einen Cr-Mo-Legierungsstahl für moderate Anwendungen bei erhöhten Temperaturen, Druckbehälterkomponenten oder Rohrleitungen benötigen, bei denen langfristige Temperstabilität, Zähigkeit und nachgiebigere Schweißbarkeit wichtig sind. - Wählen Sie 20CrMo, wenn Sie höhere Durchmesserfestigkeit oder Härtbarkeit für mechanische Teile, Zahnräder, Wellen oder Komponenten benötigen, die auf eine höhere Härte und Festigkeitsstufe abgeschreckt und vergütet werden, und wenn Sie die Wärmebehandlung und Schweißverfahren kontrollieren können.

Letzte Anmerkung: Bestätigen Sie immer die erforderlichen mechanischen Eigenschaften, den Wärmebehandlungszustand und die Werkzertifikatschemie gemäß dem geltenden Code oder der Spezifikation für Ihre Anwendung. Für geschweißte Druckgeräte folgen Sie dem geltenden Entwurfscode (ASME, EN, GB/T) und validieren Sie die Schweißverfahren und PWHT-Anforderungen basierend auf dem berechneten Kohlenstoffäquivalent und der Dicke.