1Cr13 vs 2Cr13 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen routinemäßig vor Entscheidungen zwischen eng verwandten rostfreien und legierten Stählen, bei denen kleine Zusammensetzungsunterschiede überproportionale Auswirkungen auf Leistung und Kosten haben. Zwei häufig vorkommende Sorten für verschleißfeste, martensitische rostfreie Anwendungen sind als 1Cr13 und 2Cr13 bezeichnet. Das praktische Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise auf Abwägungen zwischen Festigkeit und Verschleißfestigkeit versus Zähigkeit, Schweißbarkeit und Kosten.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden handelsüblichen Sorten liegt in ihrem Legierungsverhältnis – insbesondere in den Chrom- und Kohlenstoffgehalten – was zu unterschiedlichen Härtbarkeit, erreichbarer Härte und Korrosionsverhalten führt. Da beide Sorten in ähnlichen Produktfamilien (Ventile, Wellen, Pumpenteile, Klingen und Werkzeuge) verwendet werden, vergleichen Ingenieure sie, um zu entscheiden, ob sie höhere Festigkeit und Verschleißfestigkeit oder bessere Zähigkeit und einfachere Verarbeitung priorisieren.

1. Standards und Bezeichnungen

• Allgemeine Standards und Querverweise, wo Sorten mit ähnlicher Chemie erscheinen können:
• GB (China): 1Cr13, 2Cr13 (häufige chinesische Bezeichnungen)
• JIS (Japan): enge Äquivalente, die oft mit der SUS420-Serie (für martensitische rostfreie Stähle) verglichen werden
• EN / EN ISO: kann mit Teilen der X12Cr-Serie (martensitische rostfreie Familie) verglichen werden

• ASTM/ASME: keine direkten 1:1-Äquivalente, aber AISI 420 und andere martensitische rostfreie Spezifikationen sind funktionale Vergleiche

• Klassifizierung:

• Sowohl 1Cr13 als auch 2Cr13 sind martensitische rostfreie Stähle (rostfrei, wärmebehandelbar). Sie sind keine niedriglegierten HSLA- oder Werkzeugstähle im traditionellen Sinne, obwohl sie aufgrund ihrer Härtbarkeit für Verschleiß- und Schneidanwendungen verwendet werden.

Hinweis: Exakte numerische Bereiche und Bezeichnungen variieren je nach Land und Werk; immer mit dem Materialzertifikat des Lieferanten überprüfen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt repräsentative Zusammensetzungsbereiche, die in der Industrie für die beiden Sorten verwendet werden. Dies sind typische Bereiche – spezifische Werksspezifikationen und Standards sollten für Beschaffungs- oder Konstruktionsberechnungen konsultiert werden.

Element	Typisch 1Cr13 (Gew%)	Typisch 2Cr13 (Gew%)
C	0.08 – 0.20	0.15 – 0.30
Mn	≤ 1.0 (typ. 0.3 – 0.8)	≤ 1.0 (typ. 0.3 – 0.8)
Si	≤ 1.0 (typ. 0.2 – 0.8)	≤ 1.0 (typ. 0.2 – 0.8)
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~12.0 – 13.5	~13.0 – 14.5
Ni	≤ 0.3	≤ 0.3
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.10	≤ 0.10
Nb / Ti / B	Spuren / oft <0.03	Spuren / oft <0.03
N	Spuren	Spuren

Erklärung, wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen: - Kohlenstoff erhöht Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und Härtbarkeit, verringert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit, wenn er erhöht wird. - Chrom bietet Korrosionsbeständigkeit und trägt zur Härtbarkeit und Anlassempfindlichkeit in martensitischen rostfreien Stählen bei; inkrementelle Erhöhungen verbessern die Stabilität der passiven Schicht und die Härtebeständigkeit bei hohen Temperaturen. - Mangan und Silizium sind Entgasungsmittel und beeinflussen die Härtbarkeit; überschüssiges Mangan kann die Zähigkeit verringern. - Geringe Mikrolegierung (V, Nb) kann Karbide und Kornstruktur verfeinern, was die Zähigkeit und Kriechbeständigkeit leicht verbessert.

Die praktische Konsequenz: 2Cr13 wird tendenziell spezifiziert, um höhere Härte und Verschleißfestigkeit nach der Härtung zu erreichen, während 1Cr13 gewählt wird, wenn etwas bessere Zähigkeit und einfachere Verarbeitung erforderlich sind.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Im geglühten Zustand enthalten beide Sorten Ferrit plus Karbide; nach dem Abschrecken bilden sie Martensit mit verteilten Chromkarbiden (M23C6, M7C3 und Zementit, abhängig vom C-Gehalt und anderen Elementen). - 1Cr13 (niedrigerer C- und etwas niedrigerer Cr-Gehalt) produziert eine martensitische Matrix mit weniger und kleineren Karbiden bei einer bestimmten Wärmebehandlung, was tendenziell zu besserer Zähigkeit nach dem Anlassen führt. - 2Cr13 (höherer C- und oft höherer Cr-Gehalt) bildet einen höheren Volumenanteil an martensitischer Phase und mehr Karbidniederschläge, was eine größere Härte und Verschleißfestigkeit nach dem Abschrecken, aber geringere Zähigkeit bietet.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Üblicher Weg: Austenitisieren (typischerweise 950–1050 °C, abhängig von der Querschnittsgröße und Zusammensetzung), Abschrecken (Öl oder Luft für dünne Abschnitte), dann Anlassen auf Zielhärte/Zähigkeit. - Normalisieren verfeinert die Korngröße und kann die Bearbeitbarkeit und Zähigkeit vor dem endgültigen Abschrecken und Anlassen verbessern. - Abschrecken und Anlassen: Die Anlasstemperatur und -zeit steuern den Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit. Höhere Anlasstemperaturen verringern die Härte, erhöhen jedoch die Duktilität und Schlagfestigkeit. - Thermo-mechanische Verarbeitung (kontrolliertes Walzen + Abkühlen) ist für diese martensitischen rostfreien Sorten weniger verbreitet, kann jedoch die Mikrostruktur verfeinern und die Zähigkeit verbessern.

Praktischer Hinweis: Da 2Cr13 eine höhere Kohlenstoff-/Härtbarkeit hat, ist es anfälliger für harten, spröden Martensit in dicken Abschnitten und erfordert sorgfältige Austenitisierungs- und Anlaszyklen, um Rissbildung zu vermeiden.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle zeigt repräsentative erreichbare Eigenschaften nach typischen Abschreck- und Anlasbehandlungen. Die Werte hängen stark von der Querschnittsgröße, den Wärmebehandlungsparametern und der genauen Chemie ab; betrachten Sie diese Bereiche als Richtlinie und nicht als garantierte Mindestwerte.

Eigenschaft (typisch nach Q&T)	1Cr13	2Cr13
Zugfestigkeit (MPa)	600 – 900	700 – 1100
Streckgrenze (0.2% Offset, MPa)	300 – 700	500 – 950
Dehnung (%)	8 – 18	6 – 14
Charpy-Schlag (J, Raum T)	moderat (höher)	niedriger (verringerte Zähigkeit)
Härte (HRC)	35 – 54 (prozessabhängig)	40 – 58 (kann höhere HRC erreichen)

Interpretation: - 2Cr13 erreicht im Allgemeinen höhere Zugfestigkeit und Härte aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und des härteren Martensits, auf Kosten von Duktilität und Schlagzähigkeit. - 1Cr13 wird oft ausgewählt, wenn moderate Festigkeit mit besserer Zähigkeit und Bearbeitbarkeit erforderlich ist.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffäquivalent und die Härtbarkeit beeinflusst. Höherer C- und höherer Cr-Gehalt erhöhen die Neigung zur Bildung von hartem Martensit im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ), was das Risiko von Kaltverzügen erhöht.

Nützliche empirische Indizes umfassen das IIW-Kohlenstoffäquivalent und die Pcm-Formel: - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 2Cr13 hat mit seinem höheren Kohlenstoff- und etwas höheren Chromgehalt ein höheres Kohlenstoffäquivalent und eine größere Härtbarkeit, sodass es wahrscheinlicher ist, dass sich im HAZ harter Martensit entwickelt, und daher eine Vorwärmung, kontrollierte Zwischentemperaturen und eine Nachbehandlung erforderlich sind, um Rissbildung zu vermeiden. - 1Cr13 (niedrigerer C) schweißt leichter, erfordert jedoch dennoch Schweißverfahren, die für martensitische rostfreie Stähle geeignet sind (Vorwärmung, Niedrigwasserstoffpraxis und Nachbehandlung, wo erforderlich). - Verwendung von Füllmetallen: Übliche Praktiken sind das Verwenden von Fülldrähten mit passender oder niedrigerer Härtbarkeit und das Nachwärmen/Anlassen der Schweißnähte.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Beide Sorten sind martensitische rostfreie Stähle mit moderater Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu austenitischen Sorten. Chrom sorgt für die Bildung einer passiven Schicht, aber der insgesamt niedrigere Chromgehalt und die kohlenstoffangereicherten Karbidniederschläge an den Korngrenzen können lokal Cr abbauen und die Korrosionsbeständigkeit verringern.
• Für typische Umgebungen:
• 1Cr13: ausreichend für leicht korrosive Umgebungen (atmosphärisch, mildes Wasser), wenn poliert und passiviert.
• 2Cr13: leicht verbesserte Lochkorrosionsbeständigkeit, wenn der Chromgehalt geringfügig höher ist, aber die erhöhte Karbidbildung kann die praktische Korrosionsbeständigkeit verringern, es sei denn, sie wird korrekt wärmebehandelt und passiviert.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist für diese niedrig-Mo, niedrig-N martensitischen Sorten nicht besonders nützlich, aber die Formel lautet:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Für 1Cr13 und 2Cr13 wird der PREN im Vergleich zu Duplex- oder Superaustenit-Sorten niedrig sein, da Mo und N vernachlässigbar sind.
• Oberflächenschutz: Verzinken, Schutzbeschichtungen, Lackieren und Passivieren sind gängige Strategien, wenn höhere Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist. Für Verschleißteile werden häufig Hartchrom- oder thermische Spritzbeschichtungen aufgebracht.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden und Bearbeiten:
• 2Cr13 (höheres Härtepotenzial) ist im Allgemeinen abrasiver auf Werkzeugen und schwieriger zu bearbeiten im gehärteten Zustand. Die Bearbeitung im geglühten Zustand verringert den Werkzeugverschleiß.
• 1Cr13 im geglühten Zustand lässt sich leichter bearbeiten; nach der Härtung erfordern beide Hartmetallwerkzeuge und starre Aufbauten.
• Umformen und Biegen:
• Kaltumformung ist begrenzt, sobald das Material gehärtet ist. Das Glühen vor dem Umformen ist gängige Praxis.
• Oberflächenbearbeitung:
• Beide Sorten können geschliffen und poliert werden; 2Cr13 erfordert tendenziell aggressiveres Schleifen aufgrund der höheren Härte und des Karbidgehalts.
• Die Risiken von Verzug und Rissbildung bei der Wärmebehandlung sind für 2Cr13 während des Abschreckens höher; Vorrichtungen und kontrolliertes Abkühlen helfen, Verzug zu steuern.

8. Typische Anwendungen

Typische Anwendungen von 1Cr13	Typische Anwendungen von 2Cr13
Wellen, Ventilkomponenten, Pumpenteile, mäßig verschleißfeste Klingen, allgemeine Hardware, wo Zähigkeit und angemessene Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind	Verschleißteile, Blattfedern, höher belastete Wellen, Schneidelemente, Komponenten, die höhere Härte und Verschleißfestigkeit nach der Härtung erfordern
Befestigungen, Schrauben und mäßig belastete Komponenten, wo die Bearbeitbarkeit geschätzt wird	Werkzeuge und Matrizen für leichte Anwendungen, Komponenten, die höheren Kontaktspannungen ausgesetzt sind, wo Abriebfestigkeit priorisiert wird

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 1Cr13, wenn das Design Zähigkeit, einfachere Verarbeitung/Schweißen und moderate Korrosionsbeständigkeit zu niedrigeren Kosten betont. - Wählen Sie 2Cr13, wenn höhere Härte und Verschleißfestigkeit unter Last dominierende Anforderungen sind und anwendungsspezifische Wärmebehandlungen und Nachbehandlungsverfahren implementiert werden können.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: Im Allgemeinen sind die Basismaterialkosten für beide ähnlich, da der Unterschied im Chromgehalt moderat ist; 2Cr13 kann aufgrund einer strengeren Kontrolle der Kohlenstoff-/Cr-Bereiche und der Möglichkeit zusätzlicher Bearbeitung (z. B. Anlassen auf hohe Härte) etwas teurer sein.
• Verfügbarkeit: Beide sind in Regionen, in denen martensitische rostfreie Stähle produziert werden, gängig; spezifische Produktformen (Stangen, Schmiedeteile, Platten, präzisionsgeschliffenes Material) variieren je nach Werk. Die Lieferzeiten können länger sein für spezielle Chemien, spezielle Größen oder zertifizierte Chargen.
• Prozesskosten: Die Verarbeitung und das Schweißen von 2Cr13 können die Gesamtkosten des Teils erhöhen aufgrund von Vorwärmung/Nachbehandlung und zusätzlicher Bearbeitungszeit.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ)

Attribut	1Cr13	2Cr13
Schweißbarkeit	Besser (niedrigerer C, niedrigeres CE)	Anfordernder (höherer C, höheres CE)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Ausgewogen zugunsten von Zähigkeit und Duktilität	Höhere Festigkeit und Härte, reduzierte Zähigkeit
Kosten (Material + Verarbeitung)	Niedriger bis moderat	Moderat bis höher (aufgrund der Verarbeitung)

Empfehlung: - Wählen Sie 1Cr13, wenn Sie einen martensitischen rostfreien Stahl benötigen, der Festigkeit mit besserer Zähigkeit, einfacherem Schweißen und Verarbeitung sowie kosteneffizienter Bearbeitung ausbalanciert – zum Beispiel Wellen, Ventile und allgemeine Komponenten, die Korrosionsbeständigkeit in milden Umgebungen und anständige Schlagfestigkeit erfordern. - Wählen Sie 2Cr13, wenn die Priorität auf höherer Härte nach der Härtung, Verschleißfestigkeit und höherer Zugfestigkeit für Komponenten liegt, die Abrieb oder Kontaktmüdigkeit ausgesetzt sind – vorausgesetzt, Sie können strengere Kontrollen der Wärmebehandlung, anspruchsvollere Schweißverfahren und potenziell höhere Verarbeitungskosten berücksichtigen.

Letzter praktischer Rat: Geben Sie immer die genaue Chemie des Werkes/Testzertifikats und die erforderliche Wärmebehandlung an und führen Sie anwendungsspezifische Tests (Härte, Schlag, Korrosion) an Produktionschargen durch, bei denen die Betriebsbedingungen kritisch sind.