20Cr vs 20CrMnTi – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
20Cr und 20CrMnTi sind zwei weit verbreitete vergütete Stähle in der Energieübertragung und Maschinenkomponenten. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen dem einfacheren 20Cr und dem mikrolegierten 20CrMnTi, wenn sie Zahnräder, Wellen, Verzahnungen und andere gehärtete Teile spezifizieren. Typische Entscheidungskontexte umfassen das Abwägen von Kosten gegen Kernfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, die Auswahl einer Sorte für höhere Härtbarkeit oder bessere Kornkontrolle und die Wahl eines Stahls, der den Anforderungen an Wärmebehandlung und Schweißen entspricht.
Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, dass 20CrMnTi zusätzliches Mangan und Titan (und andere mikrolegierte Anpassungen) enthält, um die Härtbarkeit, Kornverfeinerung und die Stabilität des vergüteten Gefüges zu verbessern. Diese Unterschiede machen 20CrMnTi vorteilhaft, wo eine tiefere Vergütung, verbesserte Kerneigenschaften und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Temperbrittleness erforderlich sind, während 20Cr eine wirtschaftliche Wahl für Teile mit moderater Belastung bleibt.
1. Normen und Bezeichnungen
- Gemeinsame nationale und internationale Referenzen, in denen diese Sorten erscheinen oder Äquivalente haben:
- GB (China): 20Cr, 20CrMnTi (weit verbreitete Bezeichnungen in chinesischen Normen)
- JIS (Japan): vergütete Stähle mit ähnlicher Chemie (z.B. SC-Serie Äquivalente)
- EN (Europa): vergleichbar mit einigen 15–20Cr Serien vergüteten Stählen (aber genaue EN-Nummern überprüfen)
- ASTM/ASME: vergütete Stähle, die unter allgemeinen Spezifikationen für legierte Stähle zum Härten und Anlassen fallen; direkte AISI/ASTM Eins-zu-eins-Bezeichnungen existieren möglicherweise nicht, daher ist eine Querverweisung erforderlich
- Klassifikation: beide sind legierte vergütete Stähle (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstahl, nicht HSLA). Sie sind für die Vergütung ausgelegt, um eine harte, verschleißfeste Oberfläche und einen zäheren, duktilen Kern bereitzustellen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) die in der Industrie verwendet werden. Die genauen Bereiche variieren je nach Norm und Hersteller – verwenden Sie Werkszertifikate für den Einkauf.
| Element | 20Cr (typischer Gew.-%) | 20CrMnTi (typischer Gew.-%) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.17–0.24 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.30 | 0.90–1.30 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.10 | ≤0.10 |
| V | —/Spur | —/Spur |
| Nb | —/Spur | —/Spur |
| Ti | —/Spur (typischerweise keine) | 0.02–0.08 |
| B | — | — |
| N | Spur | Spur |
Wie die Legierungsstrategie die Eigenschaften beeinflusst: - Kohlenstoff: niedrig bis mittel einstellen, um Vergütung zu ermöglichen (niedriger Kernkohlenstoff für Zähigkeit), während eine hochkohlenstoffhaltige Oberfläche nach der Vergütung für Härte erlaubt wird. - Chrom: verbessert die Härtbarkeit und Anlasstemperaturbeständigkeit des vergüteten Gefüges und hilft der Verschleißfestigkeit. - Mangan: erhöht die Härtbarkeit und Zugfestigkeit; höheres Mn in 20CrMnTi erhöht die Eindringtiefe der Härtung und die Kernfestigkeit. - Titan: Mikrolegierung mit Ti verfeinert die Korngröße, bindet Stickstoff, stabilisiert Karbide/Nitride und kann die Ermüdungsbeständigkeit und Zähigkeit nach der Wärmebehandlung verbessern. - Silizium: unterstützt die Entgasung und kann Ferrit leicht verstärken. - Niedriges P, S: für verbesserte Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Als vergütet (vor der endgültigen Abschreckung): ein niedrigkohlenstoffhaltiger ferritisch/perlitischer Kern mit einem angereicherten austenitischen Gefüge (höherer Kohlenstoff) in beiden Sorten. - Nach Abschreckung & Anlassen (typischer Vergütungsweg): ein gehärtetes martensitisches oder bainitisches Gefüge mit erhaltenen Austenit-Taschen nahe der äußersten Oberfläche; ein angelassener, niedrigkohlenstoffhaltiger martensitischer oder ferritisch-perlitischer Kern.
Wie Wärmebehandlungswege jede Sorte beeinflussen: - Normalisieren: beide Sorten reagieren auf das Normalisieren mit verfeinerten, einheitlichen ferritisch-perlitischen Mikrostrukturen; der Ti-Gehalt von 20CrMnTi verbessert die Kornverfeinerung beim Normalisieren. - Vergütung + Abschreckung + Anlassen (Standardweg): beide sind für diesen Weg ausgelegt. 20Cr produziert ein angemessenes Gefüge und einen duktilen Kern für Standardanwendungen. 20CrMnTi erreicht aufgrund des höheren Mn und Ti eine tiefere Härtbarkeit und im Allgemeinen einen zäheren Kern nach dem Anlassen; es behält auch eine feinere vorherige Austenit-Korngröße, was die Ermüdungsbeständigkeit verbessert. - Abschreckung & Anlassen ohne Vergütung: nicht typisch für diese niedrigkohlenstoffhaltigen Stähle, da ihr Grundkohlenstoff niedrig ist; der Nutzen der Mikrolegierung ist weniger ausgeprägt. - Thermo-mechanische Verarbeitung: mikrolegierter 20CrMnTi profitiert von kontrolliertem Walzen, um das Korn weiter zu verfeinern und die Zähigkeit zu verbessern; 20Cr profitiert weniger von den Mikrolegierungseffekten.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark vom spezifischen Wärmebehandlungsplan ab (Gefügetiefe, Abschreckschwere, Anlasstemperatur). Die folgende Tabelle vergleicht die Sorten qualitativ unter typischen vergüteten und abgeschreckten/angelassenen Bedingungen.
| Eigenschaft | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (nach HT) | Mäßig (oberflächenstarke Gefüge) | Höher (verbesserte Kern- und Durchhärtung) |
| Streckgrenze (Kern) | Mäßig | Höher (bessere Kernhärtbarkeit) |
| Dehnung (Duktilität, Kern) | Bessere Duktilität bei typischer mäßiger Wärmebehandlung | Leicht reduzierte Duktilität bei hoher Härtung, aber bessere erhaltene Zähigkeit aufgrund der Kornverfeinerung |
| Schlagzähigkeit (Kern) | Gut bis mäßig | Verbesserte Zähigkeit bei vergleichbarer Festigkeit, aufgrund der Ti-Kornverfeinerung |
| Härte (Oberflächenhärte) | Hoch erreichbar (nach Vergütung) | Ähnliche Oberflächenhärte erreichbar; neigt dazu, die Gefügeintegrität unter Last besser aufrechtzuerhalten |
Erklärung: - 20CrMnTi erreicht häufig höhere Kern-Zug- und Streckgrenzen nach der gleichen Vergütung und Abschreckung, da höheres Mn die Härtbarkeit erhöht und Ti die Korngröße verfeinert. Das Ergebnis ist eine bessere Tragfähigkeit und Ermüdungsleistung für Teile mit hohen Anforderungen. - Die durch Vergütung erreichbare Oberflächenhärte ist für beide vergleichbar, wenn identische Vergütungszyklen verwendet werden, da der Oberflächenkohlenstoff die Martensithärte bestimmt. Unterschiede treten in der Gefügeintegrität, der Stabilität des erhaltenen Austenits und der Widerstandsfähigkeit gegen Anlassen auf.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt hauptsächlich vom Kohlenstoffäquivalent und der Härtbarkeit ab. Zwei gängige Indizes:
Formel für das IIW-Kohlenstoffäquivalent anzeigen: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Formel für Pcm anzeigen: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 20Cr: mäßiges CE; angemessene Vorwärmung und kontrollierte Abkühlung können kalte Risse vermeiden. Typische Praxis ist es, das Schweißen im stark vergüteten Zustand zu vermeiden oder eine Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) durchzuführen, wenn erforderlich. - 20CrMnTi: leicht höheres Schweißrisiko aufgrund des höheren Mn (erhöht $CE_{IIW}$) und mikrolegierter Elemente wie Ti, die die lokale Mikrostruktur und das Potenzial zur Härtung in der wärmebeeinflussten Zone beeinflussen. $P_{cm}$ kennzeichnet Ti als einen Faktor für das Schweißrisiko. In der Praxis erfordert das Schweißen beider Sorten Vorwärmung, niedrige Zwischentemperaturen und geeignete Füllmaterialien; das Schweißen von vergüteten Oberflächen wird im Allgemeinen vermieden, wenn die Funktion von den Eigenschaften des Gefüges abhängt. - Praktischer Hinweis: Reparaturen an vergüteten Oberflächen sollten strengen Verfahren folgen (härten, lokal vorwärmen, kompatibles Schweißmaterial verwenden, PWHT), und Designer spezifizieren oft geschraubte oder geschmiedete Verbindungen, wo Schweißen die Leistung beeinträchtigen würde.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 20Cr als auch 20CrMnTi sind nicht rostfreie legierte Stähle; sie bieten keinen inhärenten Korrosionsschutz für aggressive Umgebungen.
- Übliche Schutzstrategien: Lackieren, Ölen, Phosphatieren, Schwarzoxidieren und Verzinken (heißtauchen oder elektro) wo angemessen. Für stark belastete vergütete Teile wird das Verzinken auf Kontaktflächen oft vermieden, da potenzielle Beschichtungsbrüche und Wasserstoffversprödungsrisiken bestehen, wenn nicht ordnungsgemäß kontrolliert.
- PREN (Pitting-Widerstand-Äquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar; zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Aber dies gilt nur für rostfreie Legierungen – nicht für die Auswahl von 20Cr/20CrMnTi verwenden.
- Korrosionszulage: Wo Korrosion ein Anliegen ist, wählen Sie Oberflächenbehandlungen, die mit den Anforderungen an Gefügehärte und Ermüdung kompatibel sind (z.B. Duplexsysteme, dünne keramische Beschichtungen, die vor dem endgültigen Schleifen nur mit validierten Prozessen aufgebracht werden).
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Zerspanbarkeit: Beide Sorten sind im normalisierten oder geglühten Zustand relativ gut zerspanbar. 20CrMnTi kann aufgrund des höheren Mn und der Anwesenheit von Ti-Karbiden/Nitriden etwas schwieriger zu bearbeiten sein; die Unterschiede sind in der Praxis gering.
- Hartbearbeitung: Nach Vergütung und Abschreckung erfordern beide Sorten Schleif- oder Hartbearbeitungstechniken zur Fertigstellung des Gefüges. Vergütete Oberflächen sollten auf Endmaße geschliffen werden; hartdrehen mit geeigneten Werkzeugen ist in der Produktion möglich.
- Formbarkeit und Biegen: im niedrigkohlenstoffhaltigen Grundzustand (vor der Vergütung) verhalten sich beide ähnlich. Nach der Vergütung wird das Formen nicht empfohlen.
- Wärmebehandlungsverzerrung: Die höhere Härtbarkeit von 20CrMnTi kann das Risiko von durch Abschreckung induzierter Verzerrung erhöhen, wenn nicht kontrolliert; das Design der Geometrie und Vorrichtung, die Auswahl des Abschreckmediums und die Anlasstechnik sind wichtig.
8. Typische Anwendungen
| 20Cr (häufige Anwendungen) | 20CrMnTi (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Mäßig belastete Zahnräder, Ritzel, Verzahnungen | Schwer belastete Zahnräder, große Ritzel und Hochlast-Übertragungswellen |
| Wellen und Achsen für allgemeine Maschinen | Komponenten, die eine tiefere Vergütung und höhere Kernfestigkeit erfordern (Windgetriebe-Wellen, schwere Fahrzeugzahnräder) |
| Kettenräder, Nockenwellen in leichteren Anwendungen | Teile, die dynamischen Belastungen und Ermüdung ausgesetzt sind, wo Kornverfeinerung vorteilhaft ist |
| Allgemeine vergütete Befestigungen und Hülsen | Hochbelastete vergütete Komponenten und sicherheitskritische Antriebsteile |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 20Cr, wenn Kostensensitivität erheblich ist und die Einsatzzyklen moderat sind – angemessene Gefügehärte mit einem duktilen Kern zu niedrigeren Materialkosten. - Wählen Sie 20CrMnTi, wenn tiefere Härtbarkeit, bessere Kernfestigkeit, verbesserte Ermüdungslebensdauer und verfeinertes Gefüge erforderlich sind, trotz höherer Materialkosten und potenziell strengerer Kontrolle der Wärmebehandlung.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 20Cr ist typischerweise die wirtschaftlichere Option, da es weniger legierte Zusätze und einfachere Schmelz-/Verarbeitungssteuerung enthält. 20CrMnTi hat einen Aufpreis für zusätzliches Mn und Ti-Mikrolegierung und engere Prozesskontrolle.
- Verfügbarkeit: Beide Sorten werden häufig von Stahlwerken produziert, die Schmiedeteile, Stangen und Rohlinge in Regionen mit schwerer Maschinenbauindustrie liefern. 20Cr ist tendenziell in Standardstangen und Schmiedevorräten breiter verfügbar; 20CrMnTi kann eine Bestellung bei Werken oder Händlern erfordern, die mikrolegierte vergütete Stähle liefern.
- Produktformen: beide sind als Stangen, Schmiedeteile und bearbeitete Rohlinge erhältlich. Geben Sie Werkszertifikate und Wärmebehandlungsbedingungen an, um die Rückverfolgbarkeit sicherzustellen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Attribut | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Mäßig (besser als hochlegierte Stähle) | Leicht niedriger (höherer CE und Mikrolegierungsgehalt) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Ausreichend für Standardanwendungen | Verbesserte Kernfestigkeit und Zähigkeit bei ähnlicher Gefügehärte |
| Kosten | Niedriger | Höher |
Empfehlung: - Wählen Sie 20Cr, wenn: - Die Anwendung einen Standardvergütungsstahl für moderate Lasten und Ermüdungsanforderungen erfordert. - Kosten und breite Verfügbarkeit Priorität haben. - Die Anforderungen an die Gefügetiefe flach bis moderat sind und eine konventionelle Wärmebehandlung ausreicht. - Wählen Sie 20CrMnTi, wenn: - Das Teil tiefere Härtbarkeit, höhere Kernfestigkeit oder überlegene Ermüdungsbeständigkeit erfordert. - Kornverfeinerung und verbesserte Anlasstoleranz wichtig sind (z.B. Hochzyklus-Ermüdungsteile). - Sie einen leicht höheren Materialpreis für bessere Leistung akzeptieren und die Wärmebehandlung (Abschreckung, Anlassen) präzise steuern können.
Letzter Hinweis: Geben Sie immer die erforderliche vergütete Gefügetiefe, Oberflächenhärte, Kernhärte/Zähigkeit und alle Nachschweißwärmebehandlungen oder Oberflächenschutzmaßnahmen in der Beschaffung und den Zeichnungen an. Bestätigen Sie die Werkszertifikate und Wärmebehandlungsunterlagen für jede Charge: Die praktische Leistung hängt hauptsächlich von der genauen gelieferten Chemie und der Strenge des Verarbeitungsweges ab, nicht nur vom nominalen Gradnamen.