20CrMo vs 30CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Kompromiss zwischen Festigkeit, Zähigkeit, Kosten und Verarbeitbarkeit, wenn sie legierte Stähle für kritische mechanische Komponenten auswählen. 20CrMo und 30CrMo sind zwei Chrom-Molybdän-legierte Stähle, die häufig für Zahnräder, Wellen und Strukturteile verglichen werden, bei denen Ermüdungsbeständigkeit und Durchhärtungs- oder Oberflächenhärtungsfähigkeit wichtig sind.
Der wesentliche Unterschied zwischen diesen Güten liegt in ihrem nominalen Kohlenstoffgehalt und dem daraus resultierenden Designfokus: Eine Güte ist mit niedrigerem Kohlenstoff formuliert, um die Duktilität und Zähigkeit sowie die Schweißbarkeit zu verbessern; die andere hat einen höheren Kohlenstoffgehalt für eine höhere Festigkeit im vergüteten Zustand und eine höhere erreichbare Härte nach der Wärmebehandlung. Da die Gehalte an Chrom und Molybdän ähnlich sind, wählen Designer typischerweise zwischen ihnen basierend auf dem erforderlichen Festigkeits-/Zähigkeitsverhältnis und den Einschränkungen der nachgelagerten Verarbeitung.
1. Normen und Bezeichnungen
- Gemeinsame internationale und regionale Normen und Bezeichnungen, in denen diese Namen erscheinen:
- GB/T (China): 20CrMo, 30CrMo (häufig in nationalen Spezifikationen verwendet)
- EN (Europa): Entsprechungen werden normalerweise als EN 10083-Serie oder 1.xxxx-Nummern ausgedrückt; direkte Eins-zu-eins-Namen können abweichen
- JIS (Japan): Ähnliche legierte Stähle existieren, aber unter anderen Codes
- ASTM/ASME: Legierte Stähle, die unter AISI/SAE-Serien (z.B. AISI 4135/4140-Familie) abgedeckt sind, weisen ähnliche Chemien, aber unterschiedliche Bezeichnungen auf
- Klassifizierung: Sowohl 20CrMo als auch 30CrMo sind legierte Stähle (niedriglegierte Cr–Mo-Stähle). Sie sind keine rostfreien Stähle, Werkzeugstähle oder HSLA im strengsten Sinne; sie werden häufig als Ingenieurlegierungen für vergütete oder einsatzgehärtete Teile verwendet.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungstendenzen für beide Güten an. Die tatsächlichen Bereiche variieren je nach Norm und Hersteller; konsultieren Sie immer die Werkszertifikate für Beschaffungs- und Konstruktionsberechnungen.
| Element | Typisch 20CrMo (Gew.-%) | Typisch 30CrMo (Gew.-%) | Rolle / Kommentar |
|---|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.27–0.34 | Kohlenstoff steuert hauptsächlich die Härtbarkeit, Festigkeit und Härtefähigkeit. 30CrMo hat mehr C für höhere vergütete Härte. |
| Mn | 0.35–0.70 | 0.40–0.70 | Mangan verbessert die Härtbarkeit und Zugfestigkeit. |
| Si | ≤0.35 | ≤0.35 | Silizium zur Entgasung; kleine Mengen stärken Ferrit und beeinflussen das Anlassen. |
| P | ≤0.025 (max) | ≤0.025 (max) | Phosphor ist eine Restverunreinigung—niedrig gehalten, um Versprödung zu vermeiden. |
| S | ≤0.025 (max) | ≤0.025 (max) | Schwefel wird für die Bearbeitbarkeit kontrolliert; niedrig gehalten, um Warmversprödung zu vermeiden. |
| Cr | 0.80–1.20 | 0.90–1.30 | Chrom erhöht die Härtbarkeit, Festigkeit und Verschleißfestigkeit. |
| Ni | ≤0.30 (häufig null) | ≤0.30 (häufig null) | Nickel ist in diesen Güten selten signifikant. |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 | Molybdän erhöht die Härtbarkeit und die Festigkeit bei hohen Temperaturen. |
| V | Spuren–gering | Spuren–gering | Vanadium kann in geringen Mengen in einigen Schmelzen zur Kornverfeinerung vorhanden sein. |
| Nb, Ti, B | Spuren (wenn mikrolegiert) | Spuren (wenn mikrolegiert) | Mikrolegierung ist in standard 20/30CrMo selten, kann aber zur Kornkontrolle verwendet werden. |
| N | Spuren | Spuren | Stickstoff als Rest; beeinflusst die Zähigkeit in geringen Mengen. |
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Kohlenstoff: primärer Hebel für Festigkeit und erreichbare Härte; höherer Kohlenstoff ermöglicht höhere vergütete Härte, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität. - Chrom und Molybdän: beide erhöhen die Härtbarkeit (Tiefe/Umfang der martensitischen Umwandlung beim Abschrecken), Anlassträgheit und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen. - Mangan und Silizium: unterstützen die Härtbarkeit und Festigkeit; Silizium unterstützt auch karbonisierende Oberflächenbehandlungen. - Spurenelemente der Mikrolegierung verfeinern die vorherige Austenitkornstruktur und können die Zähigkeit verbessern, ohne die Festigkeit erheblich zu erhöhen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen und Reaktionen auf gängige thermische Prozesse:
- Warmgewalzt/normiert:
- 20CrMo: Ferrit-Perlit-Matrix mit temperiertem Bainit möglich, abhängig von der Abkühlung; feinere Körner nach der Normalisierung verbessern die Zähigkeit.
- 30CrMo: höherer Perlitanteil und feinere Karbidverteilung; die Kontrolle der Kornstruktur bei der Normalisierung ist entscheidend, um eine gute Zähigkeit zu erreichen.
- Abschrecken und Anlassen:
- Beide Güten bilden Martensit beim Abschrecken aus Austenitisierungstemperaturen; das Anlassen wandelt Martensit in temperierten Martensit/tempered Bainit um, was das endgültige Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis bestimmt.
- 30CrMo erreicht bei vergleichbaren Anlasstemperaturen eine höhere Härte und Zugfestigkeit aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts; es kann jedoch anfälliger für Anlasversprödung sein, wenn das Anlassen nicht optimiert wird.
- Fallhärtung (wenn Oberflächenhärte erforderlich ist):
- Beide können als Kernstähle unter einem karbonisierten Fall verwendet werden. 20CrMo, mit niedrigerem Kernkohlenstoff, ergibt einen zäheren, duktileren Kern im Vergleich zu 30CrMo, wenn sie ähnlich verwendet werden.
- Thermomechanische Verarbeitung:
- Kontrolliertes Walzen und beschleunigte Abkühlung können bainitische oder verfeinerte martensitische Mikrostrukturen mit verbesserter Zähigkeit erzeugen; Mikrolegierungszusätze, wenn vorhanden, unterstützen die Kornverfeinerung.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung ab. Die folgende Tabelle gibt verallgemeinerte typische Bereiche für vergütete Bedingungen an, die im Ingenieurdienst verwendet werden; überprüfen Sie dies mit getesteten Werksberichten.
| Eigenschaft | Typisch 20CrMo (Q&T) | Typisch 30CrMo (Q&T) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~700–950 | ~800–1100 | 30CrMo neigt dazu, bei ähnlichem Anlassen eine höhere endgültige Festigkeit zu erzeugen. |
| Streckgrenze (MPa) | ~450–700 | ~500–850 | Höherer Kohlenstoff trägt zu einer höheren Streckgrenze nach Q&T in 30CrMo bei. |
| Dehnung (%) | ~10–18% | ~8–15% | 20CrMo bietet im Allgemeinen eine größere Duktilität. |
| Schlagzähigkeit (Charpy V-Kerbe) | Gut bis sehr gut (hängt von der Wärmebehandlung und der Kerbtemperatur ab) | Gut, aber typischerweise niedriger als 20CrMo bei gleichen Festigkeitsniveaus | Zähigkeit hängt von der Korngröße, dem Anlassen und der Reinheit ab. |
| Härte (HRC oder HB) | Mittel bis hoch nach Q&T; Kernhärte kontrolliert für Fallteile | Höhere erreichbare Härte; empfindlicher gegenüber Abschreckrissen | Härtekompromisse beeinflussen die Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit. |
Erklärung: - 30CrMo ist in den meisten vergleichbaren vergüteten Bedingungen stärker, da sein höherer Kohlenstoffgehalt den Martensitanteil und die Härte erhöht. - 20CrMo ist typischerweise zäher und duktiler bei vergleichbaren Festigkeitsniveaus und es ist einfacher, mit konservativer Wärmebehandlung eine gute Zähigkeit zu erreichen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird weitgehend durch den Kohlenstoffäquivalent und die Härtbarkeit aufgrund des Legierungsgehalts bestimmt.
Gemeinsame Kohlenstoffäquivalent-Formeln, die für qualitative Bewertungen verwendet werden: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ und ein konservativerer Parameter: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation (qualitativ): - Da 30CrMo mehr Kohlenstoff hat, werden seine $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte im Allgemeinen höher sein als die von 20CrMo, was auf ein höheres Risiko von harten, spröden wärmebeeinflussten Zonen und Kaltverzug hinweist. Vorwärmen und kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen sind häufiger für 30CrMo erforderlich. - Chrom und Molybdän erhöhen die Härtbarkeit gleichermaßen für beide Güten, sodass die Schweißverfahren die Legierung berücksichtigen müssen, die die Martensitbildung fördert. - 20CrMo, mit niedrigerem Kohlenstoff, ist typischerweise einfacher zu schweißen, profitiert jedoch immer noch von Vorwärmen/Nachschweißwärmebehandlung (PWHT), wenn es in kritischen, hochfesten Anwendungen verwendet wird.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder 20CrMo noch 30CrMo sind rostfreie Güten; die Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt und vergleichbar mit anderen niedriglegierten Stählen.
- Typische Schutzstrategien:
- Oberflächenbeschichtungen: Feuerverzinkung, lackierte Systeme, Pulverbeschichtung oder spezialisierte korrosionsbeständige Beschichtungen.
- Verzinkung: für Komponenten, bei denen Verschleiß- und milde Korrosionsschutz erforderlich sind.
- Designüberlegungen: Entwässerung, Vermeidung von Spalten und opfernde Anoden in marinen oder aggressiven Umgebungen.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist nur für rostfreie Güten sinnvoll und nicht anwendbar auf diese Cr–Mo-legierten Stähle: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index sollte nicht für nicht rostfreie Stähle wie 20CrMo/30CrMo verwendet werden.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- 20CrMo (niedriger C) lässt sich in der Regel leichter und mit längerer Werkzeuglebensdauer bearbeiten als 30CrMo; beide sind jedoch schwieriger zu bearbeiten als unlegierte Stähle mit vergleichbarem RU aufgrund der Legierung.
- Höhere Härtegrade (vergütet oder nicht vollständig angelassen) verringern die Bearbeitbarkeit und erhöhen den Werkzeugverschleiß.
- Formbarkeit:
- Kaltumformung ist mit 20CrMo aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts und der höheren Duktilität einfacher; 30CrMo ist weniger nachgiebig und kann höhere Umformkräfte oder warmes Umformen erfordern.
- Oberflächenveredelung:
- Beide reagieren gut auf Schleifen, Polieren und Oberflächenbehandlungen nach angemessenem Anlassen; Karbonisieren gefolgt von Niedertemperaturanlassen ist üblich für Zahnradoberflächen.
- Wichtiger Hinweis zur Verarbeitung: Für geschweißte oder wärmebehandelte Baugruppen sind die Kontrolle der Zwischenpass-Temperatur, Vorwärmen und PWHT entscheidend, um Rissbildung zu minimieren und die gewünschte Zähigkeit zu erreichen.
8. Typische Anwendungen
| 20CrMo — Häufige Anwendungen | 30CrMo — Häufige Anwendungen |
|---|---|
| Stark belastete Wellen, Schmiedeteile, bei denen ein durchgehender zäher Kern erforderlich ist | Hochfeste Wellen, Zahnräder und Komponenten, die höhere vergütete Härte erfordern |
| Einsatzgehärtete Komponenten mit zähen Kernen (z.B. Ritzel, kleinere Zahnräder) | Hochfeste Befestigungselemente, vergütete Zahnräder, bei denen die Kernfestigkeit betont wird |
| Strukturblöcke und Komponenten, die gute Schweißbarkeit und Zähigkeit erfordern | Komponenten, die höheren statischen Lasten ausgesetzt sind oder bei denen höhere Anlassträgheit erforderlich ist |
| Allgemeine mechanische Teile, bei denen Bearbeitbarkeit und Duktilität wichtig sind | Teile, die höhere Verschleißfestigkeit oder höhere Betriebsbelastungen erfordern |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 20CrMo, wenn Zähigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit und Nachschweißeigenschaften Priorität haben oder wenn ein duktiler Kern unter einem karbonisierten Fall erforderlich ist. - Wählen Sie 30CrMo, wenn eine höhere Festigkeit oder höhere vergütete Härte erforderlich ist und wenn Design und Verarbeitung strengere Schweiß- und Wärmebehandlungsanforderungen berücksichtigen können.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Rohmaterialkosten: Beide Güten sind in den Legierungselementen (Cr, Mo) ähnlich, sodass die Unterschiede in den Rohstahlkosten moderat sind; 30CrMo kann aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts, der sich auf die Anforderungen an die nachgelagerte Wärmebehandlung und potenziell strengere Verarbeitungsanforderungen auswirkt, pro Tonne etwas teurer sein.
- Wärmebehandlungs- und Verarbeitungskosten: 30CrMo verursacht häufig höhere Prozesskosten aufgrund strengerer Vorwärm-/PWHT-Anforderungen und einer größeren Anfälligkeit für Abschreckrisse, wenn dies nicht verwaltet wird, und manchmal längerer Anlaszyklen.
- Verfügbarkeit nach Produktform: Beide sind von großen Lieferanten in Stab-, Schmiede-, Platten- und Ringformen weit verbreitet erhältlich; die Lieferzeiten hängen von den erforderlichen Wärmebehandlungen und Zertifizierungen ab.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 20CrMo | 30CrMo |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedriger CE) | Niedriger (höherer CE) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis | Duktiler / zäher bei vergleichbarer Festigkeit | Höhere erreichbare Festigkeit und Härte, niedrigere Duktilität |
| Kosten (Material + Verarbeitung) | Moderat | Leicht höher insgesamt aufgrund der Verarbeitung |
Empfehlung: - Wählen Sie 20CrMo, wenn Sie eine ausgewogene Legierung mit besserer Schweißbarkeit, höherer Kernzähigkeit, einfacher Verarbeitung und einem sicheren Spielraum gegen rissbedingte Abschreckung benötigen—typisch für Komponenten, die duktilere Kerne, einfachere Schweißverfahren oder bessere Ermüdungsbeständigkeit bei moderaten Festigkeitsniveaus erfordern. - Wählen Sie 30CrMo, wenn die Anwendung höhere vergütete Festigkeit oder höhere endgültige Härte (aus Verschleiß- oder Belastungsgründen) erfordert und Sie kontrollierte Schweißverfahren, angemessenes Vorwärmen/PWHT und strenge Wärmebehandlungsüberwachung spezifizieren können, um Rissbildung und Zähigkeitsverlust zu mindern.
Letzter Hinweis: Geben Sie immer den genauen Standard, die erforderliche Wärmebehandlungsbedingung und die Akzeptanztestkriterien an. Bestätigen Sie die Werkszertifikate und fordern Sie für kritische Komponenten mechanische Tests (Zug, CVN), Härtekarten und Bruchzähigkeitsdaten für die genaue Wärmebehandlungscharge an, um die Konstruktionsannahmen zu validieren.