20CrMnTi vs 20CrNiMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Die Wahl zwischen 20CrMnTi und 20CrNiMo ist ein häufiges Dilemma für Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner, die Einsatzhärtungsstähle für Zahnräder, Wellen und hochbelastete Maschinenkomponenten spezifizieren. Typische Auswahlkompromisse umfassen Kosten versus Durchhärtung, Schweißbarkeit versus Kerntoughness und Bearbeitbarkeit versus Lebensdauer unter Verschleiß und Ermüdung.

Der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden Werkstoffen ist ihre Legierungsstrategie: Der eine verlässt sich auf Mikrolegierung und optimiertes Mangan/Chrom-Verhältnis zur Unterstützung der Karbonitrierung und der Kontrolle der Zähigkeit, während der andere Nickel und Molybdän hinzufügt, um die Härtbarkeit zu erhöhen und die Kernfestigkeit sowie die Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern. Da beide als Karbonitrierstähle (Einsatzhärtungsstähle) verwendet werden, werden sie häufig verglichen, wenn Designer ein Gleichgewicht zwischen einer verschleißfesten Oberfläche und einem duktilen, zähen Kern benötigen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen, die bei der Spezifikation eines der beiden Werkstoffe überprüft werden sollten: nationale und internationale Normen wie GB/T (China), EN/ISO, JIS (Japan) und branchenspezifische Materiallisten, die von ASTM/ASME geregelt werden, wo Äquivalente erforderlich sind.
• Klassifizierung:
• 20CrMnTi — Einsatzhärtungslegierungsstahl (mikrolegierter Karbonitrierwerkstoff).
• 20CrNiMo — Einsatzhärtungslegierungsstahl mit Nickel und Molybdän (höhere Härtbarkeit Karbonitrierwerkstoff).
• Hinweis: Exakte chemische Grenzen und Toleranzen sollten gegen den spezifischen Standard oder das verwendete Datenblatt des Werks in der Beschaffung bestätigt werden; Namen wie „20CrMnTi“ und „20CrNiMo“ sind gängige kommerzielle/GB-Stil-Bezeichnungen und können lokale Äquivalente in EN oder JIS haben.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Wie die Legierung die Leistung beeinflusst - Titan in 20CrMnTi bindet Stickstoff und Kohlenstoff (TiN/TiC), verfeinert die Kornstruktur des vorherigen Austenits und kann die Ermüdungslebensdauer und die dimensionsstabilität des Einsatzes verbessern. Es ist besonders nützlich zur Kontrolle des Kornwachstums während der Wärmebehandlung. - Nickel und Molybdän in 20CrNiMo erhöhen die Härtbarkeit, ermöglichen eine tiefere Härtung für eine gegebene Abschreckung und verbessern die Kernfestigkeit und Zähigkeit nach dem Anlassen. Mo erhöht auch die Anlassempfindlichkeit und hilft, die Härte bei erhöhten Temperaturen aufrechtzuerhalten. - Chrom in beiden Werkstoffen hilft, nach der Karbonitrierung und Abschreckung eine harte, verschleißfeste Schicht zu erreichen.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typischer Verarbeitungsweg für beide Werkstoffe ist die Karbonitrierung (Gas, Packung oder Vakuum), gefolgt von Abschreckung und Anlassen, um eine harte martensitische oder bainitische Schicht mit einem zäheren, angelassenen Kern zu erzeugen.

Mikrostrukturverhalten: - Schicht: Nach der Karbonitrierung und Abschreckung entwickeln beide Legierungen eine hochkohlenstoffhaltige martensitische Schicht (oft auf die gewünschte Härte angelassen). Chrom und die Konzentration von Oberflächenkohlenstoff steuern die Schichthärte und Verschleißfestigkeit. - Kern: 20CrNiMo, mit Ni und Mo, erreicht eine höhere Härtbarkeit und damit einen zäheren, hochfesten Kern unter ähnlichen Abschreckbedingungen. 20CrMnTi ergibt oft einen etwas weicheren, duktileren Kern, der vorteilhaft ist, wenn Schlagzähigkeit und Ermüdungsrissverhinderung priorisiert werden. - Rolle von Ti: Titan in 20CrMnTi bildet feine Karbonitride, die die Korngrenzen fixieren und das Kornwachstum des Austenits während der Hochtemperaturverarbeitung reduzieren. Dies verfeinert die Paketgröße des angelassenen Martensits und kann die Ermüdungsfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Anlasserbrittelung verbessern.

Einfluss der Wärmebehandlung: - Normalisieren: Wird verwendet, um die vorherige Austenitkornstruktur vor der Karbonitrierung und Schmiedeverarbeitung zu homogenisieren und zu verfeinern. Beide Werkstoffe profitieren vom Normalisieren vor den endgültigen Karbonitrierzyklen. - Karbonitrieren + Abschrecken + Anlassen: Primärer industrieller Weg. 20CrNiMo kann mit demselben Karbonitrierzeitplan tiefere effektive Schichtdicken erreichen, dank größerer Härtbarkeit; 20CrMnTi ist optimiert für stabile, verschleißfeste dünne bis mittlere Schichten mit einem duktilen Kern. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Umformung, kontrolliertes Walzen oder Schmieden, gefolgt von geeigneten Wärmebehandlungen, verbessert weiter die Zähigkeit und Lebensdauer—martensitische/bainitische Strukturen und Karbiddispersion können durch Prozesskontrolle angepasst werden.

4. Mechanische Eigenschaften

Interpretation - 20CrNiMo zeigt typischerweise eine höhere Kernfestigkeit und vergleichbare oder leicht verbesserte Zähigkeit, wenn es richtig wärmebehandelt wird, aufgrund von Nickel und Molybdän, die das Anlassen und die Härtbarkeit verbessern. - 20CrMnTi betont die Stabilität der Schicht, die Ermüdungsbeständigkeit und einen duktilen Kern; die Titansteuerung der Korngröße unterstützt die Lebensdauer unter zyklischen Kontaktspannungen. - Die absoluten Eigenschaften hängen von der Karbonitriertiefe, der Abschreckschwere und der Anlasstemperatur ab—geben Sie diese Prozessparameter an, um die erforderliche Bauteilleistung zu erreichen, anstatt sich nur auf den Gradnamen zu verlassen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von Karbonitrierstählen wird durch den Kohlenstoffäquivalent und das Vorhandensein von legierungsbildenden Elementen, die die Härtbarkeit erhöhen, beeinflusst. Zwei häufig verwendete empirische Indizes sind:

• Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (Ito und modifizierte Formel): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - 20CrMnTi: Moderater Kohlenstoff und mikrolegierendes Ti erzeugen ein moderates Kohlenstoffäquivalent. Ti kann stabile Ausfällungen bilden; übermäßiges Titan oder unsachgemäße Wärmebehandlung können zu lokalisierter Härte oder HAZ-Empfindlichkeit führen. Vorwärmen und kontrollierte Zwischenpass-Temperatur, kombiniert mit geeignetem Füllmaterial und PWHT für dicke Abschnitte, sind Standardvorkehrungen. - 20CrNiMo: Zusätzliches Ni und Mo erhöhen die Härtbarkeit und heben die Kohlenstoffäquivalent-Indizes im Vergleich zu einfacheren Karbonitrierstählen an. Dies erhöht das Risiko der Härtung der Schweiß-HAZ und kalten Rissbildung, es sei denn, es werden ordnungsgemäße Vorwärmung, Zwischenpasskontrolle und Nachschweißwärmebehandlung verwendet. Verwenden Sie wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien und passen Sie das Füllmaterial an die erforderliche Zähigkeit an.

Allgemeine Empfehlung: Für beide Stähle sollte das Schweißen idealerweise an normalisiertem/annealtem Material erfolgen, wobei Vorwärmung und PWHT durch Dicke und berechnete $CE_{IIW}$/$P_{cm}$-Werte sowie durch Konsultation der Werk- und Schweißverfahrensspezifikationen bestimmt werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Beide 20CrMnTi und 20CrNiMo sind nichtrostende Legierungsstähle. Die Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen oder leicht aggressiven Umgebungen ist begrenzt und wird typischerweise durch Beschichtungen und Design verwaltet:
• Oberflächenschutzoptionen: Feuerverzinkung (begrenzt für Hochtemperaturverwendung), Galvanisierung, Phosphat + Lack, Pulverbeschichtung, Umwandlungsbeschichtungen oder verschleißfeste Überzüge in Gleit Anwendungen.
• Hinweis: Nachkarbonitrierungsprozesse und Oberflächenfinish beeinflussen die Haftung der Beschichtung und die Korrosionsbeständigkeit—Reinigung, Neutralisierung und Spannungsabbaupraktiken sind wichtig.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) gilt für rostfreie Stähle und ist nicht anwendbar auf diese nichtrostenden Einsatzhärtungsstähle: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Verwenden Sie schützendes Design und Beschichtungen, wenn Komponenten korrosiven Medien ausgesetzt sind; für kombinierten Verschleiß und Korrosion ziehen Sie Oberflächenengineering (Hartchrom, Nitrieren, PVD/CVD-Beschichtungen oder korrosionsbeständige Legierungen für opferbare Zonen) in Betracht.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• Im geglühten oder normalisierten Zustand ist 20CrMnTi im Allgemeinen leichter zu bearbeiten als 20CrNiMo, da der Ni/Mo-Gehalt des Letzteren dazu neigt, sich zu verfestigen und die Bearbeitbarkeit zu verringern.
• Beide Werkstoffe sollten, wenn möglich, auf die Toleranz vor der Karbonitrierung bearbeitet werden; das endgültige Schleifen oder Polieren nach der Wärmebehandlung erreicht die Dimensionen und die Oberflächenqualität.
• Formbarkeit:
• Beide Werkstoffe können im weichen oder normalisierten Zustand geformt werden (Biegen, Walzen). Nach der Karbonitrierung und Abschreckung geht die Formbarkeit im Wesentlichen verloren; Bearbeitung und Finish müssen vorher abgeschlossen sein.
• Oberflächenfinish:
• Nachkarbonitrierendes Schleifen und Polieren sind erforderlich für enge Toleranzen und Zahnflanken von Zahnrädern. Karbidausfällungen (z.B. TiC) in 20CrMnTi können die abrasive Abnutzung von Schneidwerkzeugen moderat beeinflussen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 20CrMnTi, wenn Sie Ermüdungsbeständigkeit, kontrollierte Schichtmetallurgie und niedrigere Legierungskosten für typische karbonitrierte Komponenten priorisieren. - Wählen Sie 20CrNiMo, wenn Sie eine größere Härtbarkeit für tiefere Schichten oder höhere Kernfestigkeit/Zähigkeit benötigen, insbesondere für große Querschnitte oder Komponenten, die hohen dauerhaften Lasten ausgesetzt sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: 20CrNiMo ist aufgrund des Nickel- und Molybdängehalts im Allgemeinen teurer als 20CrMnTi. Der Preisunterschied hängt von den Marktmetallpreisen und dem Bestellvolumen ab.
• Verfügbarkeit: Beide Werkstoffe sind kommerziell häufig in Stab-, Schmiede- und Ringformen von Stahlwerken erhältlich, die Einsatzhärtungsstähle produzieren; die regionale Versorgung kann variieren. 20CrMnTi ist oft ein Standardangebot in vielen Werken, während 20CrNiMo auf Bestellung oder als Standardhochlegierungsgrad in Regionen produziert werden kann, die die Schwerindustrie bedienen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Wählen Sie 20CrMnTi, wenn: - Sie einen wirtschaftlichen Karbonitriergrad mit guter Ermüdungsbeständigkeit und einem duktilen Kern für Komponenten wie Zahnräder, Ritzel und mittelgroße Wellen benötigen. - Bearbeitbarkeit im weichen Zustand und stabile, verfeinerte Schichtmikrostruktur Prioritäten sind.

Wählen Sie 20CrNiMo, wenn: - Sie eine größere Härtbarkeit benötigen, um tiefere effektive Schichtdicken oder höhere Kernfestigkeit in großen Querschnittskomponenten oder in schweren Übertragungen zu erreichen. - Die Anwendung eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Anlassen und überlegene Kernzähigkeit erfordert, selbst bei einigen zusätzlichen Materialkosten.

Letzter Hinweis: Beide Werkstoffe funktionieren zuverlässig, wenn sie mit einem geeigneten Karbonitrierzeitplan, Abschreckschwere und Anlasstemperatur kombiniert werden. Geben Sie die erforderliche Schichttiefe, Kernhärte-/Zähigkeitsziele und erwartete Betriebsbelastungen an, um Metallurgen oder Stahlzulieferern zu ermöglichen, die genaue Legierung und den Wärmebehandlungszyklus zu empfehlen, die den Leistungs- und Kostenanforderungen des Bauteils entsprechen.