2Cr13 vs 3Cr13 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem gemeinsamen Auswahlproblem, wenn sie martensitische Edelstahl für Komponenten spezifizieren: Kosten und Bearbeitbarkeit gegen Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsverhalten abwägen. 2Cr13 und 3Cr13 sind zwei eng verwandte martensitische Edelstahlgüten, die häufig für Ventilkomponenten, Wellen, Befestigungen und Verschleißteile in Betracht gezogen werden; die Wahl zwischen ihnen hängt typischerweise von der Betriebsbelastung, der erforderlichen Härte, der Schweißbarkeit und den Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit ab.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Güten liegt in ihrer Kohlenstoffstrategie: Eine Güte ist mit einem moderaten Kohlenstoffgehalt konstruiert, um Zähigkeit und einfachere Verarbeitung zu priorisieren, während die andere einen höheren Kohlenstoffanteil enthält, um eine größere Härtbarkeit und Verschleißfestigkeit nach der Wärmebehandlung zu ermöglichen. Da sie einen ähnlichen Chromgehalt aufweisen, vergleichen Designer sie, wenn eine martensitische Edelstahl-Lösung erforderlich ist, aber Kompromisse zwischen Festigkeit/Härte und Zähigkeit/Schweißbarkeit abgewogen werden müssen.
1. Standards und Bezeichnungen
- Gemeinsame internationale Referenzen und Äquivalente:
- GB (China): Güten, die unter verschiedenen GB/T-Standards für Edelstähle als 2Cr13, 3Cr13 bezeichnet werden.
- JIS (Japan) / SUS-Äquivalenz: Diese Güten werden oft als grob äquivalent zu den JIS/SUS-martensitischen Familien (zum Beispiel in der Nähe von SUS410/420) angesehen, abhängig von den Kohlenstoffgehalten.
- EN / ASTM / ASME: Es gibt keine eindeutige EN- oder ASTM-Bezeichnung für 2Cr13/3Cr13; stattdessen sollte man sich auf martensitische Edelstahlklassifikationen (z.B. EN X20Cr13-Äquivalente oder ASTM A276-Typ-Listen) und Lieferanten-Kreuzreferenztabellen beziehen.
- Klassifikation: Sowohl 2Cr13 als auch 3Cr13 sind martensitische Edelstähle (d.h. wärmebehandelbare Edelstähle mit etwa 12–14% Cr), nicht austenitische Edelstähle, HSLA oder Werkzeugstahl im strengsten Sinne—obwohl ihre Eigenschaften nach der Härtung in einigen Anwendungen denen von gehärteten Werkzeugstählen ähneln können.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: typische Zusammensetzungsbereiche. Hinweis: Kommerzielle Spezifikationen variieren je nach Walzwerk und Standard; immer das tatsächliche Analysezertifikat für jede Charge oder Stange überprüfen.
| Element | 2Cr13 (typischer Bereich) | 3Cr13 (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | ~0.15–0.25 Gew.% (moderat) | ~0.24–0.33 Gew.% (höher) |
| Mn (Mangan) | ≤ 1.0 Gew.% (typischerweise 0.3–1.0) | ≤ 1.0 Gew.% |
| Si (Silizium) | ≤ 1.0 Gew.% (Entoxidationsmittel) | ≤ 1.0 Gew.% |
| P (Phosphor) | ≤ 0.03–0.04 Gew.% | ≤ 0.03–0.04 Gew.% |
| S (Schwefel) | ≤ 0.03–0.04 Gew.% | ≤ 0.03–0.04 Gew.% |
| Cr (Chrom) | ~12.0–14.5 Gew.% | ~12.0–14.5 Gew.% |
| Ni (Nickel) | ≤ 0.5 Gew.% (gewöhnlich niedrig) | ≤ 0.5 Gew.% |
| Mo (Molybdän) | typischerweise kein oder Spuren | typischerweise kein oder Spuren |
| V, Nb, Ti, B, N | typischerweise Spuren oder nicht spezifiziert | typischerweise Spuren oder nicht spezifiziert |
Erklärung der Strategie - Chrom (Cr): Beide Güten verwenden ähnliches Chrom, um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten, die für martensitische Edelstähle charakteristisch ist, und um die Bildung einer martensitischen Mikrostruktur beim Abschrecken zu ermöglichen. - Kohlenstoff (C): Der Hauptunterscheidungsfaktor. Höherer Kohlenstoff in 3Cr13 erhöht die Härtbarkeit und die erreichbare Härte nach Abschrecken/Anlassen, verbessert die Verschleißfestigkeit, verringert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit im Vergleich zu dem kohlenstoffärmeren 2Cr13. - Minderbestandteile (Mn, Si, P, S): Kontrolliert für Entoxidation, Warmverformbarkeit und Bearbeitbarkeit. Schwefel kann in zerspanbaren Varianten erhöht sein, verringert jedoch die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit. - Legierungsbalance: Da beide Güten hauptsächlich Cr–C-Stähle sind, verlassen sie sich auf das Gleichgewicht von Kohlenstoff und Chrom, anstatt signifikante Zusätze von Ni, Mo oder V zur Feinabstimmung der Eigenschaften zu verwenden.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Basis-Mikrostruktur: Im produzierten und lösungsbehandelten Zustand sind beide Güten typischerweise austenitisch oder teilweise austenitisch, abhängig von der Produktionsgeschichte; nach entsprechender Abschreckung bilden sie Martensit.
- Einfluss des Kohlenstoffs:
- 2Cr13 (moderater Kohlenstoff): Produziert eine martensitische Mikrostruktur mit niedrigerer Tetragonalität und niedrigerer Ausgangshärte nach dem Abschrecken im Vergleich zur höherkohlenstoffhaltigen Güte. Anlassen erzeugt ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit mit geringerem Risiko übermäßiger Sprödigkeit.
- 3Cr13 (höherer Kohlenstoff): Produziert einen höheren Volumenanteil an hartem Martensit und mehr zurückgehaltene Karbide nach der Wärmebehandlung, was höhere Härte nach dem Abschrecken und Anlassen ermöglicht, jedoch die Anfälligkeit für Anlasstrübung erhöht, wenn es unsachgemäß angelassen wird.
- Wärmebehandlungsrouten:
- Glühen/weiches Glühen: Wird verwendet, um die Härte für die Bearbeitung zu reduzieren; beide Güten reagieren gut auf ein weiches Glühen, aber 3Cr13 wird immer noch härter sein als 2Cr13 bei gleichwertigen Glühzyklen.
- Abschrecken und Anlassen: Austenitisieren bei der gütespezifischen Temperatur (gewöhnlich im Bereich von 950–1020 °C für Cr13-Typ-Stähle, beim Lieferanten nachfragen), abschrecken (Öl/Luft, abhängig von der Querschnittsgröße und Legierung) und anlassen, um die Zielhärte zu erreichen. 3Cr13 erreicht eine höhere Härte bei einer gegebenen Anlasstemperatur aufgrund seines Kohlenstoffs.
- Normalisieren und thermo-mechanisch: Normalisieren kann die Korngröße verfeinern und die Zähigkeit verbessern; schwerere Legierungen oder höherer Kohlenstoff erfordern eine sorgfältigere Kontrolle, um übermäßige Härtbarkeit und Rissbildung beim Abschrecken zu vermeiden.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: vergleichende Tendenzen mechanischer Eigenschaften (Werte hängen von der Wärmebehandlung ab; Bereiche sind indikativ).
| Eigenschaft | 2Cr13 (typisch) | 3Cr13 (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Moderat-hoch (hängt von der Wärmebehandlung ab) | Höher (kann nach der Härtung höhere UTS erreichen) |
| Streckgrenze | Moderat | Höher |
| Elongation (Duktilität) | Bessere Duktilität / Elongation | Reduzierte Elongation im Vergleich zu 2Cr13 |
| Schlagzähigkeit | Allgemein höher (bessere Zähigkeit) | Niedrigere Schlagzähigkeit bei gehärtet |
| Härte (HRC oder HB) | Niedrigere maximale Härte nach dem Anlassen | Höhere erreichbare Härte nach dem Anlassen |
Erklärung - Festigkeit vs. Duktilität: Der erhöhte Kohlenstoff in 3Cr13 erhöht die Zug- und Streckgrenzen, sobald martensitisch, jedoch auf Kosten der Duktilität und Schlagzähigkeit. 2Cr13 bietet ein ausgewogeneres Eigenschaftsset für Anwendungen, die ein zäheres Verhalten erfordern. - Hinweis: Exakte Werte sind eine Funktion der Austenitisierungstemperatur, des Abschreckmediums, der Querschnittsgröße und des Anlasstermins — immer die Lieferanteneigenschaften verwenden und Qualifikationstests in kritischen Anwendungen durchführen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt, die kombinierte Legierung (Cr, Mn, Mo, V) und die Abschnittsdicke beeinflusst. Höherer Kohlenstoff erhöht das Risiko von hartem, sprödem Martensit in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) und erhöht die Anforderungen an Vorwärmung/Nachwärmung.
Nützliche qualitative Indizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm-Formel (praktisch für Edelstähle): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation - 3Cr13, mit höherem Kohlenstoff, wird ein höheres $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ als 2Cr13 aufweisen, was auf eine größere Neigung hinweist, harte, kaltrissanfällige Mikrostrukturen in der HAZ zu bilden. Vorwärmung, kontrollierte Interpass-Temperatur und Nachschweißanlassen (PWHT) sind für 3Cr13 wichtiger. - 2Cr13 ist in der Standardwerkstattpraxis besser schweißbar und toleriert gängige Füllmetalle und Schweißprozesse leichter, aber beide Güten können sorgfältige Kontrollen und geeignete passende Füllmaterialien für strukturelle oder drucktragende Schweißnähte erfordern.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Korrosionsverhalten: Beide Güten sind martensitische Edelstähle mit einem Chromgehalt von etwa 12–14,5%. Sie bieten eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu austenitischen Güten (z.B. 304/316). Die Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion (Pitting, Spaltkorrosion) ist begrenzt, insbesondere in Chloridumgebungen.
- Nicht-eisenhaltige Überlegungen: Wenn ein Teil nicht aus Edelstahl sein muss oder in korrosiven Umgebungen verwendet werden soll, kann es geeigneter sein, schützende Beschichtungen (Verzinkung wird normalerweise nicht auf Edelstahl verwendet; stattdessen sollten Beschichtungen, Passivierungen oder Polymerbeschichtungen in Betracht gezogen werden) anzuwenden oder höhere Cr/Cr–Mo-Edelstähle zu spezifizieren.
- PREN (für austenitische/duplex Güten; nicht sehr informativ für martensitische Cr13-Stähle, aber zur Vollständigkeit angegeben): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Klärung: PREN wird hauptsächlich verwendet, um die Pittingbeständigkeit in austenitischen/duplex Edelstählen zu bewerten, wo Mo und N erheblich variieren. Für 2Cr13/3Cr13 ist PREN von begrenztem Nutzen, da Mo und N typischerweise minimal sind.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Höherer Kohlenstoff und härtere Mikrostrukturen verringern die Bearbeitbarkeit. Im geglühten Zustand sind beide Güten vernünftig bearbeitbar; 2Cr13 lässt sich im Allgemeinen leichter bearbeiten als 3Cr13. Zerspanbare Varianten (mit hinzugefügtem S oder Se) können existieren, opfern jedoch Korrosions-/Zähigkeit.
- Formbarkeit: Der kohlenstoffärmere 2Cr13 bietet eine bessere Kaltformbarkeit und Biegbarkeit. 3Cr13—insbesondere wenn gehärtet—wird weniger duktil und weniger geeignet sein, um ohne Zwischenanlassen zu formen.
- Schleifen und Finishing: Die höhere Härte von 3Cr13 nach der Wärmebehandlung macht das Schleifen und Finishing aufwendiger, bietet jedoch eine bessere Verschleißlebensdauer für fertige Oberflächen. Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit und Toleranzen beeinflussen die Wahl: Für enge Oberflächen und hohe Verschleißfestigkeit kann 3Cr13 höhere Verarbeitungskosten rechtfertigen.
8. Typische Anwendungen
Tabelle: typische Anwendungen nach Güte.
| 2Cr13 (häufige Anwendungen) | 3Cr13 (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Ventilstämme, Pumpenwellen, Befestigungen, bei denen Zähigkeit und Schweißbarkeit wichtig sind | Verschleißteile, Schneidkanten, kleine Wellen und Lager, die höhere Härte und Verschleißfestigkeit erfordern |
| Allzweck-martensitische Komponenten, die moderate Korrosionsbeständigkeit erfordern | Komponenten, die für Abriebfestigkeit gehärtet werden (z.B. Scherblätter, kleine Werkzeuge) |
| Teile, die eine Kehlnähte oder Werkstattfertigung erfordern | Teile, die auf endgültige Härte gefertigt werden, bei denen minimale Nachbearbeitungen nach dem Schweißen erwartet werden |
Auswahlbegründung - Wählen Sie 2Cr13, wenn der Dienst moderate Festigkeit, bessere Zähigkeit und eine nachgiebigere Verarbeitung/Schweißung erfordert. - Wählen Sie 3Cr13, wenn höhere Härte nach dem Abschrecken/Anlassen und Verschleißfestigkeit priorisiert werden und wenn die Verarbeitung kontrolliert oder minimiert werden kann.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: 3Cr13 kann in einigen Märkten aufgrund strengerer Kohlenstoffkontrolle und zusätzlicher Verarbeitung (z.B. Abschrecken/Anlassen auf höhere Härte) einen leicht höheren Rohmaterialpreis haben. Die Preisunterschiede sind jedoch im Vergleich zu höherlegierten Edelstählen typischerweise bescheiden.
- Verfügbarkeit nach Produktform: Beide Güten sind üblicherweise als Stangen, Draht, Schmiedeteile und gestanzte Komponenten von regionalen Walzwerken erhältlich, obwohl die Verfügbarkeit je nach Land und Walzwerkprogramm variieren kann. Einkaufsleiter sollten die Lieferzeiten bestätigen und ob der Lieferant die erforderlichen Wärmebehandlungs- und Inspektionszertifikate liefern kann.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Attribut | 2Cr13 | 3Cr13 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedrigerer Kohlenstoff) | Herausfordernder (höherer Kohlenstoff) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Ausgewogen in Richtung Zähigkeit und Duktilität | Tendenz zu höherer Festigkeit und Härte |
| Kosten (typisch) | Leicht niedriger oder ähnlich | Leicht höhere Verarbeitungskosten möglich |
Fazit und Empfehlungen - Wählen Sie 2Cr13, wenn Sie einen martensitischen Edelstahl benötigen, der Zähigkeit, Schweißbarkeit und angemessene Korrosionsbeständigkeit für Komponenten, die eine Verarbeitung, moderate Verschleißfestigkeit und einfachere Bearbeitung erfordern, ausbalanciert. - Wählen Sie 3Cr13, wenn die Hauptanforderung höhere erreichbare Härte und Verschleißfestigkeit nach dem Abschrecken und Anlassen ist und wenn Schweißen/Verarbeitung minimiert oder kontrolliert werden kann mit geeigneter Vorwärmung, Füllerauswahl und PWHT.
Letzter Hinweis: Beide Güten reagieren stark auf Wärmebehandlung; die Leistung im Einsatz wird ebenso stark durch die gewählte Austenitisierungs- und Anlasstechnik wie durch die nominale Zusammensetzung bestimmt. Validieren Sie immer die mechanischen, korrosiven und schweißbaren Eigenschaften mit den Materialzertifikaten des Lieferanten und führen Sie für kritische Anwendungen Qualifikationstests für Schweißverfahren und Komponenten durch.