20Cr vs 20CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
20Cr und 20CrMo sind zwei weit verbreitete niedriglegierte Einsatzstahlarten, die in Getrieben, Automobilen und allgemeinen Maschinenkomponenten vorkommen. Ingenieure und Beschaffungsspezialisten bewerten sie häufig für Teile, die eine verschleißfeste Oberfläche in Kombination mit einem duktilen, ermüdungsbeständigen Kern erfordern (zum Beispiel Zahnräder, Wellen und Ritzel). Das Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise auf Kosten und Verfügbarkeit im Vergleich zum Bedarf an tieferer Härtbarkeit und verbesserter Kernfestigkeit in größeren oder höher belasteten Komponenten.
Der wesentliche metallurgische Unterschied ist die kontrollierte Zugabe von Molybdän in 20CrMo, die die Härtbarkeit und den Widerstand gegen Anlassen im Vergleich zur Mo-freien 20Cr-Familie erhöht. Da beide Sorten als Einsatzstähle konzipiert sind, werden sie häufig verglichen, wenn es um die Spezifikation von einsatzgehärteten Komponenten geht, bei denen die mechanischen Eigenschaften des Kerns, die Reaktion auf die Wärmebehandlung und die Schweißbarkeit in bedeutender Weise variieren.
1. Normen und Bezeichnungen
Übliche Normen und Bezeichnungsfamilien, in denen diese Stähle vorkommen, sind: - GB/T (China): 20Cr, 20CrMo (Einsatzlegierungsstähle) - JIS (Japan): ähnliche Einsatzsorten existieren (z. B. SNCM/SCM-Familien für Mo-haltige Stähle) - EN (Europa): ungefähre Entsprechungen befinden sich in den 16MnCr5 / 18CrNiMo7-Familien (Hinweis: direkte Eins-zu-eins-Übereinstimmungen sind selten) - ASTM/ASME: keine exakten direkten Bezeichnungen; Querverweise erfolgen in der Regel durch Übereinstimmung der chemischen Zusammensetzung und der Anforderungen an die Eigenschaften Klassifizierung: beide sind legierte Stähle, die für Einsatzhärtungsanwendungen vorgesehen sind — nicht rostfrei, Werkzeugstahl oder HSLA im modernen Sinne.
Bestätigen Sie immer den genauen Standard und die Spezifikation, die in den Bestellungen angegeben sind, da die Zusammensetzungsfenster und zulässigen Verunreinigungsgrade je nach Standard variieren.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische Zusammensetzungen (ungefähre Bereiche nach Gewicht %; konsultieren Sie den geltenden Standard oder das Analysezertifikat des Lieferanten für genaue Grenzen):
| Element | Typisches 20Cr (wt%) | Typisches 20CrMo (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.17 – 0.24 | 0.17 – 0.24 |
| Mn | 0.25 – 0.65 | 0.30 – 0.65 |
| Si | 0.10 – 0.35 | 0.10 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| S | ≤ 0.035 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| Cr | 0.50 – 1.10 | 0.30 – 0.70 |
| Ni | ≤ 0.40 (wenn vorhanden) | ≤ 0.40 (wenn vorhanden) |
| Mo | ≤ 0.08 (in der Regel minimal) | 0.15 – 0.30 |
| V | ≤ 0.08 (Spur) | ≤ 0.08 (Spur) |
| Nb | ≤ 0.02 (Spur) | ≤ 0.02 (Spur) |
| Ti | ≤ 0.02 (Spur) | ≤ 0.02 (Spur) |
| B | ≤ 0.001 (Spur) | ≤ 0.001 (Spur) |
| N | typischerweise niedrig (ppm) | typischerweise niedrig (ppm) |
Zusammenfassung der Legierungsstrategie: - Kohlenstoff wird moderat gehalten, um eine effektive Einsatzhärtung zu ermöglichen (ein niedriger Gesamt-C, um ein angereichertes Oberflächenkohlenstoffprofil zu akzeptieren). - Chrom bietet Härtbarkeit und einen gewissen Widerstand gegen Anlassen und trägt zur Verschleiß- und Abriebfestigkeit im Fall bei. - Molybdän in 20CrMo ist die beabsichtigte Zugabe: kleine Mengen erhöhen erheblich die tiefe Härtbarkeit, verzögern die Martensitstarttemperatur und verbessern den Widerstand gegen Anlassen und Überanlassen in schweren oder dicken Querschnitten. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti), wenn sie in Spuren vorhanden sind, können die Korngröße verfeinern und die Zähigkeit unterstützen, sind jedoch keine primären Härtungsmittel in diesen Sorten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Warmgewalzt oder normalisiert: überwiegend Ferrit + Perlit (feiner Perlit wünschenswert). - Nach Einsatzhärtung + Abschrecken: die Oberflächenhärte bildet hochkohlenstoffhaltigen Martensit (oft mit zurückgehaltenem Austenit, abhängig von der Einsatzhärtung und dem Abschrecken); der Kern verwandelt sich in temperierten Martensit oder Bainit, abhängig von der Härtbarkeit und der Abkühlrate. - Nach dem Anlassen: der Fall ist temperierter Martensit mit Karbiden; der Kern ist temperierter Martensit/Bainit, der Zähigkeit bietet.
Wie Wärmebehandlungswege sie beeinflussen: - Normalisieren verfeinert die Korngröße und homogenisiert die Mikrostruktur; beide Sorten reagieren ähnlich. - Einsatzhärtung + Abschrecken + Anlassen: der Prozess ist der primäre Anwendungsfall. Die Oberflächenhärte hängt vom Kohlenstoffgehalt des Falls und der Schärfe des Abschreckens ab; die Zähigkeit des Kerns hängt von der legierten Härtbarkeit ab. - Abschrecken & Anlassen (ohne Einsatzhärtung): wird für einige kleine Komponenten verwendet; 20CrMo erreicht eine höhere Kernfestigkeit für dasselbe Anlassen aufgrund der durch Mo induzierten Härtbarkeit und Anlasstoleranz. - Thermo-mechanische Bearbeitung: Kornverfeinerung und kontrolliertes Walzen können die Zähigkeit für beide Sorten verbessern; die Wirkung von Mo bleibt, um eine tiefere Härtung in großen Querschnitten zu unterstützen.
Da Molybdän die Härtbarkeit erhöht und das Weichwerden während des Anlassens verlangsamt, produziert 20CrMo einen zäheren, hochfesten Kern nach identischer Wärmebehandlung in dickeren Querschnitten im Vergleich zu 20Cr.
4. Mechanische Eigenschaften
Typische Eigenschaftsbereiche (nach üblichen Einsatzhärtungs + Abschreck- & Anlasseverfahren; ungefähre):
| Eigenschaft | 20Cr (typisch) | 20CrMo (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (Kern), MPa | 700 – 950 | 750 – 1000 |
| Streckgrenze (Kern), MPa | 450 – 700 | 500 – 800 |
| Dehnung (A5, Kern), % | 10 – 18 | 8 – 16 |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, Kern), J | 30 – 70 | 30 – 80 |
| Fallhärte (HRC, Oberfläche) | 58 – 62 (hängt von der Falltiefe ab) | 58 – 62 (hängt von der Falltiefe ab) |
Interpretation: - Die durch Einsatzhärtung erreichbare Oberflächenhärte ist für beide Sorten ähnlich, da der Oberflächenkohlenstoff die Fallhärte steuert. - 20CrMo erreicht im Allgemeinen eine höhere Kernfestigkeit und verbesserte Anlasstoleranz (weniger Festigkeitsverlust während des Anlassens) — besonders wichtig für größere Querschnitte. Dies macht 20CrMo bevorzugt, wenn tiefere Härtbarkeit und höhere Kerneigenschaften erforderlich sind. - Duktilität und Zähigkeit stehen im Austausch mit der Festigkeit; die Einzelheiten hängen stark von der Wärmebehandlung und der Querschnittsgröße ab.
Hinweis: Die oben genannten Werte sind repräsentative Bereiche; überprüfen Sie immer die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum spezifischen Standard oder Prüfzeugnis.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird durch den äquivalenten Gesamt-Kohlenstoff, die Legierungselemente und die Querschnittsdicke bestimmt. Zwei häufig verwendete prädiktive 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: - Sowohl 20Cr als auch 20CrMo haben moderaten Kohlenstoff und niedrige bis moderate Legierung; berechnete $CE$ und $P_{cm}$ liegen typischerweise in einem Bereich, der eine Vorwärmung und kontrollierte Zwischentemperaturen für dickere Querschnitte erfordert. - Das Vorhandensein von Mo in 20CrMo erhöht die Härtbarkeit und damit das Risiko von Kaltverzug in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) im Vergleich zu 20Cr. Daher benötigt 20CrMo oft konservativere Schweißverfahren (höhere Vorwärmung, Anlassen nach dem Schweißen bei dicken Querschnitten). - Für dünne Querschnitte mit ordnungsgemäßem Verfahren sind beide mit geeigneten Füllmetallen und Prozesskontrolle schweißbar. Für kritische Teile wird oft eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) empfohlen.
Berechnen Sie immer das relevante $CE$ oder $P_{cm}$ für die Chemie des Lieferanten und befolgen Sie die Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) entsprechend.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
Weder 20Cr noch 20CrMo sind rostfrei; der Korrosionswiderstand ist ähnlich und begrenzt. Typische Schutzmethoden: - Oberflächenbehandlungen: Lackieren, Pulverbeschichtung oder Umwandlungsbeschichtungen. - Verzinken: möglich, abhängig von der Geometrie des Bauteils und den Maßtoleranzen. - Korrosionsinhibitoren oder Schmierstoffe für Kontaktflächen.
Rostfreiheitsindizes wie PREN sind für diese nicht rostfreien legierten Stähle nicht anwendbar. Wenn Korrosionsbeständigkeit ein primäres Erfordernis ist, wählen Sie eine rostfreie oder korrosionsbeständige Legierung, anstatt sich ausschließlich auf Beschichtungen zu verlassen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Beide Sorten im warmgewalzten Zustand bieten eine angemessene Bearbeitbarkeit, die typisch für niedriglegierte Stähle ist; die Bearbeitbarkeit verschlechtert sich nach der Wärmebehandlung und Einsatzhärtung.
- Formbarkeit: Umformoperationen werden im niedrigkohlenstoffhaltigen, vorgefertigten Zustand für beide Sorten durchgeführt. 20CrMo kann ein leicht anderes Formverhalten aufweisen, wenn Mikrolegierung oder höhere Härtbarkeit den Fließstress verändern, aber praktische Unterschiede sind gering.
- Schleifen und Finish: Fertigteile (einsatzgehärtet + geschliffen) sind vergleichbar; Kernabschnitte von 20CrMo können schwerer zu schleifen sein, wenn sie auf höhere Festigkeitsniveaus angelassen werden.
Für die Hochvolumenfertigung sollten die nachgelagerten Auswirkungen von hinzugefügtem Molybdän auf den Werkzeugverschleiß und die Schleifzykluszeiten berücksichtigt werden.
8. Typische Anwendungen
| 20Cr (typische Anwendungen) | 20CrMo (typische Anwendungen) |
|---|---|
| Kleine bis mittlere Zahnräder, Ritzel und Verzahnungen (dünne Querschnitte) | Stark belastete Zahnräder, große Ritzel und Wellen (dicke Querschnitte) |
| Wellen, Achsen für moderate Lasten | Automobilkurbelwellen, schwerlastfähige Getriebe |
| Kleine Kettenräder, Verbindungselemente, die eine einsatzgehärtete Oberfläche erfordern | Hochbelastete Verbindungselemente, Bolzen und Komponenten, die höhere Kernfestigkeit erfordern |
| Teile für landwirtschaftliche Maschinen | Teile, die zyklischen Belastungen mit größeren Querschnitten ausgesetzt sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 20Cr, wenn die Herstellungskosten und die standardmäßige einsatzgehärtete Leistung für dünne bis mittlere Querschnittskomponenten ausreichen. - Wählen Sie 20CrMo, wenn tiefere Härtbarkeit, bessere Anlasstoleranz und höhere Kernfestigkeit erforderlich sind — insbesondere für größere Zahnräder und Komponenten, die starken Ermüdungs- oder Stoßbelastungen ausgesetzt sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 20CrMo ist im Allgemeinen teurer als 20Cr aufgrund der Molybdänzugabe und der etwas komplexeren Schmelz-/Analyseüberwachung.
- Verfügbarkeit: Beide sind in Märkten, die GB/JIS-Normen verwenden, verbreitet; die Verfügbarkeit nach Produktform (Stange, Platte, Schmiedeteil, Ring) hängt von regionalen Werken ab. Größere Querschnittsschmiedeteile in 20CrMo können Vorlaufzeiten oder Mindestbestellmengen haben.
- Einkaufstipp: Geben Sie genaue chemische Grenzen und Anforderungen an die Wärmebehandlung an; fordern Sie Prüfberichte (MTRs) an und bestätigen Sie die Vorlaufzeiten für Mo-haltige Sorten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Aspekt | 20Cr | 20CrMo |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (geringeres Härtungsrisiko) | Mäßig — erfordert sorgfältigere Vorwärmung/PWHT |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance (Kern nach Behandlung) | Gut für dünne/normale Querschnitte | Überlegen für dickere/stark belastete Querschnitte |
| Kosten | Niedriger | Höher |
Wählen Sie 20Cr, wenn: - Sie einen kosteneffektiven Einsatzstahl für kleine bis mittlere Querschnitte benötigen, bei denen die konventionelle Falltiefe und die Kernzähigkeit ausreichend sind. - Schweiß- oder einfachere Wärmebehandlungsverfahren bevorzugt werden und die Querschnittsgrößen moderat sind.
Wählen Sie 20CrMo, wenn: - Komponenten große Querschnitte, tiefe Fallanforderungen oder sehr hohe Kernfestigkeits-/zähigkeitsanforderungen haben. - Das Design eine verbesserte Anlasstoleranz und ein reduziertes Risiko des Weichwerdens im Einsatz für stark belastete Teile erfordert und das Projekt leicht höhere Materialkosten und kontrolliertere Fertigungs-/Schweißverfahren aufnehmen kann.
Letzter Hinweis: Diese Empfehlungen sind allgemein. Bestätigen Sie immer den geltenden Standard, die Chemie des Lieferanten und den erwarteten Wärmebehandlungszyklus. Für kritische Komponenten validieren Sie die Auswahl mit mechanischen Tests von repräsentativem Material und vollständiger Qualifizierung des Schweißverfahrens, wenn Schweißen erforderlich ist.