35CrMo vs 30CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure und Beschaffungsexperten entscheiden routinemäßig zwischen ähnlichen legierten Stählen, wenn sie Stärke, Zähigkeit, Schweißbarkeit und Kosten abwägen. 30CrMo und 35CrMo sind zwei häufig spezifizierte niedriglegierte, mittelkarbonhaltige Stähle, die für mechanische Komponenten verwendet werden, bei denen Stärke und Ermüdungsbeständigkeit wichtig sind. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl zwischen leicht höherer Festigkeit im vergüteten Zustand versus besserer Schweißbarkeit und Duktilität oder bei der Spezifizierung von Wärmebehandlungsfenstern für Teile wie Wellen, Zahnräder und hochbelastete Befestigungen.

Der wesentliche praktische Unterschied zwischen diesen beiden Werkstoffen ist ihr relatives Kohlenstoff-/Legierungsgehalt: 35CrMo wird mit einem etwas höheren Kohlenstoffgehalt (und oft marginal höheren Legierungszusätzen) als 30CrMo spezifiziert. Dieser Unterschied verschiebt das Gleichgewicht zugunsten einer höheren erreichbaren Festigkeit und Härte in 35CrMo nach dem Härten und Anlassen, während 30CrMo im Allgemeinen eine einfachere Bearbeitung, verbesserte Schweißbarkeit und größere Duktilität bei vergleichbaren Wärmebehandlungen bietet.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen, in denen diese Bezeichnungen erscheinen:
• GB (China): 30CrMo, 35CrMo (typisches chinesisches Bezeichnungssystem)
• EN / ISO: vergleichbare Materialien existieren (z.B. Cr–Mo-Stähle wie 34CrMo4, 42CrMo4), aber direkte Entsprechungen erfordern die Überprüfung von Zusammensetzungsgrenzen und mechanischen Eigenschaftstabellen in der geltenden Norm.
• ASTM / ASME: AISI/SAE-Serie (z.B. 4130-Familie) wird oft als funktionale Analogien für die Ingenieurauswahl herangezogen; exakter Austausch erfordert eine Überprüfung.
• JIS: ähnliche Cr–Mo-Qualitäten existieren; bestätigen Sie übereinstimmende chemische/mikrostrukturelle Anforderungen.
• Klassifizierung: Sowohl 30CrMo als auch 35CrMo sind mittelkarbonhaltige, niedriglegierte Stähle, die als legierte Baustähle verwendet werden (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstähle und nicht HSLA im modernen Sinne). Sie sind für Festigkeit und Härtefähigkeit durch Wärmebehandlung (Normalisieren, Härten & Anlassen) ausgelegt.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: typische Zusammensetzungsbereiche (Gewicht %, indikativ). Tatsächliche Werte hängen vom Lieferanten und der geltenden Norm ab – behandeln Sie diese als repräsentative Bereiche für den Ingenieurausgleich, nicht als Beschaffungsspezifikationen.

Wie die Legierung die Leistung beeinflusst - Kohlenstoff: primäre Kontrolle von Festigkeit und Härtefähigkeit. Etwas höherer Kohlenstoff in 35CrMo erhöht die erreichbare Härte und Zugfestigkeit nach Härten & Anlassen, verringert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit, wenn der Kohlenstoffäquivalentwert steigt. - Chrom und Molybdän: verbessern die Härtefähigkeit und Anlasstemperaturbeständigkeit; beide Qualitäten verlassen sich auf Cr und Mo, um durchgehende mechanische Eigenschaften in größeren Querschnitten zu erreichen. - Mangan und Silizium: stärken als Entgasungsmittel und tragen zur Härtefähigkeit bei. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) können in Mikrolegierungsvarianten erscheinen, um die Korngröße zu verfeinern und die Zähigkeit zu verbessern, sind jedoch in den grundlegenden 30/35CrMo-Bezeichnungen nicht zwingend erforderlich.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen - Im normalisierten Zustand zeigen beide Qualitäten eine Mischung aus Ferrit und Perlit mit Korngrößen, die durch Warmbearbeitung und Abkühlung bestimmt werden. Normalisieren verbessert die Bearbeitbarkeit und Zähigkeit. - Nach dem Härten und Anlassen entwickeln beide legierte Martensit (oder bainitischen/bainitischen Martensit, abhängig von der Abkühlrate und der Querschnittsgröße). Höherer Kohlenstoff in 35CrMo fördert einen höheren Anteil an hartem Martensit für ein gegebenes Härten, was die Festigkeit und Härte erhöht. - Thermo-mechanische Bearbeitung (kontrolliertes Walzen) gefolgt von beschleunigter Abkühlung kann feinere bainitische/tempered martensitische Strukturen erzeugen, die hervorragende Festigkeits-Zähigkeits-Kombinationen bieten.

Reaktionen auf Wärmebehandlung - Normalisieren: verfeinert die gewalzte Struktur, verbessert die Bearbeitbarkeit und bereitet auf das Härten vor. - Härten & Anlassen (Q&T): primärer Weg zur Erreichung der Entwurfsfestigkeit. Beide Qualitäten reagieren vorhersehbar – 35CrMo erreicht typischerweise eine höhere Festigkeit im Anlaszustand auf Kosten einer etwas geringeren Dehnung und möglicherweise reduzierter Schlagzähigkeit, wenn es falsch übergeglüht wird. - Anlassen: notwendig, um die Sprödigkeit des vergüteten Martensits zu reduzieren. 35CrMo erfordert oft leicht unterschiedliche Anlasstermine, um die Zähigkeit zu erhalten und die Zielstärke zu erreichen.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: indikative mechanische Eigenschaften nach repräsentativer Härte- und Anlasbearbeitung (Ingenieur zur Überprüfung der tatsächlichen Spezifikation und Wärmebehandlung).

Interpretation - Festigkeit: 35CrMo ist im Allgemeinen in der Lage, höhere Zug- und Streckgrenzen unter vergleichbaren Härte- und Anlaszyklen zu erreichen, aufgrund seines höheren Kohlenstoffgehalts und ähnlicher Cr/Mo-Härtefähigkeit. - Zähigkeit und Duktilität: 30CrMo zeigt in der Regel eine größere Dehnung und kann unter transienten Bedingungen zäher sein, insbesondere wenn sorgfältiges Anlassen und Kornkontrolle angewendet werden. - Das tatsächliche Festigkeits-Zähigkeits-Gleichgewicht hängt stark von der Querschnittsgröße, der Abkühlrate und dem Anlassen ab; die Spezifikation muss diese Parameter definieren.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von legierten Stählen hängt von Kohlenstoff und Legierung ab – qualitativ zusammengefasst unter Verwendung akzeptierter Kohlenstoffäquivalent-Ausdrücke.

Nützliche Bewertungsformeln: - Kohlenstoffäquivalent (IIW-Form): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - International Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation - 35CrMo, mit seinem höheren Kohlenstoffgehalt, wird ein höheres $CE_{IIW}$ / $P_{cm}$ als 30CrMo unter ähnlichen Cr/Mo-Niveaus erzeugen und ist daher anspruchsvoller zu schweißen. Höhere CE deutet auf ein erhöhtes Risiko von harten, spröden wärmebeeinflussten Zonen (HAZ) und Kaltverzug hin, es sei denn, es wird gemildert. - Praktische Schweißkontrollen: Vorwärmen, kontrollierte Zwischentemperatur, Verwendung von passenden oder überpassenden Füllmetallen und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) sind häufiger für 35CrMo erforderlich, insbesondere in dickeren Querschnitten. 30CrMo erlaubt oft weniger strenge Vorwärmungen und kann leichter mit Standard Cr–Mo-Füllstäben geschweißt werden, obwohl PWHT weiterhin für tragende Komponenten empfohlen wird. - Für beide Qualitäten sollten die relevanten Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) befolgt und durch PWHT und Härteprüfungen in der HAZ bestätigt werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder 30CrMo noch 35CrMo sind rostfreie Legierungen; die Korrosionsbeständigkeit ist ähnlich wie bei Kohlenstoffstahl und hängt von der Oberflächenbeschaffenheit und der Umgebung ab.
• Typische Schutzmethoden:
• Feuerverzinkung für allgemeinen atmosphärischen Schutz (prüfen Sie, wie die Verzinkung die Maßtoleranzen und ermüdungskritischen Oberflächen beeinflusst).
• Organische Beschichtungen: Grundierungen, Farben und Pulverbeschichtungen für industrielle Umgebungen.
• Spezialisierte Beschichtungen (z.B. Cadmium, Zink-Nickel) für besondere funktionale Anforderungen oder dünne Komponenten.
• Rostfreie Indizes wie PREN sind für diese Cr–Mo niedriglegierten Stähle nicht anwendbar, da sie keine korrosionsbeständigen rostfreien Qualitäten sind. Zum Kontext: PREN wird definiert als: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ aber es ist nur für rostfreie Stähle mit signifikantem Cr und N sinnvoll. Für Cr–Mo-Legierungsstähle beruht die Korrosionsminderung auf Beschichtungen und kathodischem Schutz, nicht auf intrinsischer Passivität.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• 30CrMo lässt sich typischerweise einfacher bearbeiten als 35CrMo unter vergleichbaren Bedingungen aufgrund seines niedrigeren Kohlenstoffgehalts und der niedrigeren Härte im normalisierten Zustand.
• Wenn Teile im gehärteten & angelassenen Zustand spezifiziert werden, sind beide Qualitäten schwieriger zu bearbeiten; empfohlene Praxis ist, schwere Bearbeitungen im normalisierten oder geglühten Zustand durchzuführen und nach der endgültigen Wärmebehandlung, wo möglich, fertig zu bearbeiten.
• Formbarkeit:
• Kaltumformung und Biegen sind mit 30CrMo einfacher. Höherer Kohlenstoff in 35CrMo verringert die Duktilität und erhöht das Risiko von Rissen während der starken Umformung.
• Wenn Umformung erforderlich ist, führen Sie die Operationen vor der endgültigen Wärmebehandlung durch oder verwenden Sie Umformstrategien bei höheren Temperaturen.
• Oberflächenveredelung:
• Beide reagieren gut auf Standard-Schleifen und Strahlbehandlung zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer; höhere Härte in 35CrMo kann robustere Werkzeuge und Schleifmittel erfordern.

8. Typische Anwendungen

Tabelle: typische Verwendungen und Auswahlbegründung.

Auswahlbegründung - Wählen Sie 30CrMo, wenn das Design einfacheres Schweißen, größere Formbarkeit erfordert oder wenn Teile im Feld repariert werden. Es ist auch vorteilhaft, wenn Kostenkontrolle wichtig ist und die Anforderungen an die endgültige Festigkeit moderat sind. - Wählen Sie 35CrMo, wenn höhere Festigkeit im Anlaszustand, Verschleißbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit bei erhöhten statischen Spannungen die Hauptfaktoren sind und wenn kontrolliertes Schweißen/PWHT machbar ist.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: 35CrMo ist typischerweise etwas teurer als 30CrMo aufgrund des etwas höheren Legierungs- (und Kohlenstoff-)gehalts und strengerer Wärmebehandlungsanforderungen für Hochleistungsanwendungen. Die zusätzlichen Kosten sind in der Regel moderat, können jedoch bei großen Mengen erheblich sein.
• Verfügbarkeit nach Produktform: Beide Qualitäten sind üblicherweise als Stangen, Schmiedeteile und gepresste oder gewalzte Abschnitte über industrielle Stahlzulieferer erhältlich. Die Lagerverfügbarkeit hängt von den regionalen Lieferantennetzwerken ab; 30CrMo könnte aufgrund seiner breiteren Verwendung in reparierbaren und geschweißten Strukturen häufiger in allgemeinen Ingenieurgrößen vorrätig sein.
• Beschaffungstipp: Geben Sie chemische und mechanische Akzeptanzkriterien, Wärmebehandlungsanforderungen und alle PWHT-Bedürfnisse an, um Überraschungen zu vermeiden und wettbewerbsfähige Angebote zu erhalten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: kurzer Vergleichsüberblick.

Schlussfolgerungen - Wählen Sie 35CrMo, wenn Sie höhere vergütete Festigkeit oder Härte für ermüdungskritische, hochbelastete oder verschleißanfällige Komponenten benötigen und Sie strengere Schweißkontrollen (Vorwärmen, PWHT) und leicht höhere Materialkosten akzeptieren können. - Wählen Sie 30CrMo, wenn Ihre Prioritäten bessere Schweißbarkeit, einfachere Formung/Bearbeitung, größere Duktilität, einfachere Reparaturen im Feld und niedrigere Kosten sind, während Sie dennoch eine gute Festigkeit nach geeigneter Wärmebehandlung erreichen.

Letzte praktische Anmerkung: Bestätigen Sie immer die Auswahl der Qualität anhand der genauen chemischen und mechanischen Anforderungen in der geltenden Norm oder Zeichnung. Für das Schweißkonstruktion berechnen Sie das Kohlenstoffäquivalent für die vorgeschlagene Zusammensetzung und konsultieren Sie Ihren Schweißingenieur, um Vorwärmen, Zwischentemperatur, Füllmetall und PWHT zu definieren, um die Integrität der Komponenten sicherzustellen.