35CrMo vs 42CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
35CrMo und 42CrMo sind zwei gängige Chrom-Molybdän-Niedriglegierungen, die für strukturelle, kraftübertragende und ingenieurtechnische Komponenten verwendet werden. Ingenieure und Beschaffungsteams stehen oft vor einem Auswahldilemma zwischen den beiden, wenn sie Stärke, Zähigkeit, Schweißbarkeit, Kosten und Herstellbarkeit abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl einer Sorte für stark belastete Wellen oder Zahnräder (wo Stärke und Härtefähigkeit wichtig sind) im Vergleich zur Spezifikation von Material für geschweißte Unterbaugruppen oder Komponenten, die eine höhere Schlagfestigkeit erfordern.
Auf den ersten Blick liegt der primäre technische Unterschied in ihrem Legierungsverhältnis und dem Kohlenstoffgehalt: Die höher nummerierte Sorte hat tendenziell einen höheren nominalen Kohlenstoff- und Legierungsgehalt, der nach Abschrecken und Anlassen eine größere Härtefähigkeit und Stärke ergibt, während die kohlenstoffärmere Variante einige Spitzenfestigkeit gegen verbesserte Zähigkeit und einfachere Bearbeitbarkeit eintauscht. Da beide Sorten in ähnlichen Produktklassen weit verbreitet sind, vergleichen Designer sie, um die Wärmebehandlung, Schweißanforderungen und Lebenszykluskosten zu optimieren.
1. Normen und Bezeichnungen
- GB/T (China): Beide Sorten werden häufig unter den GB/T-Normen für vergütete Stähle (z. B. GB/T 3077/GB/T 1220-Familienreferenzen) spezifiziert.
- EN (Europa): 42CrMo wird häufig mit EN 42CrMo4 (EN 1.7225) in Verbindung gebracht; 35CrMo-Äquivalente existieren, sind jedoch in EN weniger universell standardisiert und oft gegen nationale Bezeichnungen abgebildet – überprüfen Sie den spezifischen Standard, der auf den Bestellungen angegeben ist.
- AISI/SAE: 42CrMo wird in vielen industriellen Kontexten allgemein als äquivalent zur 41xx-Familie (insbesondere AISI 4140) angesehen; 35CrMo ist grob analog zu kohlenstoffärmeren 41xx-Varianten, aber überprüfen Sie die Spezifikationsblätter vor der Substitution.
- JIS: Japanische JIS-Grade für Cr-Mo-Stähle haben ähnliche Familien (z. B. SCM-Serie); Kreuzreferenz erforderlich.
- Klassifizierung: Beide sind niedriglegierte vergütete Stähle (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstähle und nicht HSLA im modernen Sinne). Sie werden dort eingesetzt, wo Legierung und Wärmebehandlung höhere Festigkeit und Zähigkeit bieten als einfache Kohlenstoffstähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische Zusammensetzungsbereiche variieren je nach Standard und Anbieter; die folgende Tabelle zeigt häufig referenzierte ungefähre Bereiche. Verwenden Sie immer das Materialzertifikat des Käufers oder den angegebenen Standard für die Beschaffung.
| Element | Typischer Bereich — 35CrMo (ca.) | Typischer Bereich — 42CrMo (ca.) |
|---|---|---|
| C | 0.32–0.40 Gew% | 0.38–0.45 Gew% |
| Mn | 0.50–0.80 Gew% | 0.50–0.80 Gew% |
| Si | 0.17–0.37 Gew% | 0.17–0.37 Gew% |
| P | ≤0.035 Gew% (max) | ≤0.035 Gew% (max) |
| S | ≤0.035 Gew% (max) | ≤0.035 Gew% (max) |
| Cr | ~0.6–1.0 Gew% | ~0.9–1.2 Gew% |
| Mo | ~0.15–0.25 Gew% | ~0.15–0.25 Gew% |
| Ni | typischerweise ≤0.30 Gew% (oft nicht hinzugefügt) | typischerweise ≤0.30 Gew% (oft nicht hinzugefügt) |
| V, Nb, Ti, B, N | Spuren oder nicht vorhanden; hängt von der Mikrolegierungsvariante ab | Spuren oder nicht vorhanden; hängt von der Mikrolegierungsvariante ab |
Hinweise: - Die Werte sind ungefähre Bereiche, die in der gängigen Industriepraktik verwendet werden; genaue Grenzen stammen aus dem anwendbaren Standard oder dem Werkszertifikat. - 42CrMo hat typischerweise den höheren nominalen Kohlenstoff- und leicht höheren Chromgehalt, was die Härtefähigkeit und das Potenzial für höhere vergütete Festigkeiten erhöht. Der Molybdängehalt in beiden Sorten zielt darauf ab, die Härtefähigkeit und die Anlasstragfähigkeit zu erhöhen; kleine Unterschiede im Mo-Anteil können die Härte und Anlasstragfähigkeit bei unterschiedlichen Querschnitten beeinflussen.
Legierungseffekte: - Kohlenstoff steuert hauptsächlich die Härtefähigkeit und die endgültige Festigkeit, reduziert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität, wenn er erhöht wird. - Chrom und Molybdän erhöhen die Härtefähigkeit und Festigkeit bei Temperatur, verbessern die Verschleißfestigkeit und helfen bei der Anlasstragfähigkeit. - Mangan und Silizium wirken als Entgasungsmittel und tragen moderat zur Härtefähigkeit und Festigkeit bei. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) können in niedrigen ppm vorhanden sein, um die Korngröße zu verfeinern und die Zähigkeit zu verbessern; diese sind nicht primär für die hier diskutierten Sortenunterschiede.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Typische Mikrostrukturen:
- In geglühten oder normalisierten Zuständen zeigen beide Sorten eine Ferrit-Perlit- oder feine Perlitstruktur. Nach dem Abschrecken bilden beide Martensit (oder Martensit + Bainit, abhängig von der Abkühlrate und dem Querschnitt). Das Anlassen erzeugt vergüteten Martensit mit Karbiden.
- Verhalten bei der Wärmebehandlung:
- 42CrMo, mit höherem Kohlenstoff- und leicht höherem Cr- und oft ähnlichem Mo-Gehalt, zeigt eine größere Härtefähigkeit: Es bildet Martensit leichter durch dickere Querschnitte im Vergleich zu 35CrMo unter derselben Abschreckschärfe.
- 35CrMo, mit einer niedrigeren Kohlenstoffbasis, ergibt bei vergleichbaren Anlasstemperaturen leicht feinere und zähere vergütete Mikrostrukturen; seine niedrigere Härtefähigkeit verringert das Risiko, unvergüteten Martensit in großen schweißbeeinflussten Zonen zu bilden, könnte jedoch die erreichbare Festigkeit in sehr dicken Querschnitten begrenzen.
- Verarbeitungswege:
- Normalisieren verbessert die Gleichmäßigkeit von als geschmiedeten Stangen und erzeugt eine gleichmäßige Ausgangsmikrostruktur für nachfolgendes Abschrecken.
- Abschrecken und Anlassen ist der gängige Weg, um hohe Festigkeit und gute Zähigkeit zu erzielen; die Anlasstemperatur steuert das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit.
- Thermomechanische Bearbeitung kann die Korngröße weiter verfeinern und die Zähigkeit für beide Sorten verbessern; der Effekt ist oft ausgeprägter in der kohlenstoffärmeren Sorte.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung, dem Querschnitt und den Anlaszielen ab. Die folgende Tabelle fasst die relative Leistung und das typische Verhalten zusammen, anstatt absolute zertifizierte Zahlen anzugeben; für die Beschaffung verwenden Sie den Prüfbericht der Walzerei und den angegebenen Zustand der Wärmebehandlung.
| Eigenschaft | 35CrMo (typisches Verhalten) | 42CrMo (typisches Verhalten) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Moderat bis hoch nach Q&T; im Allgemeinen niedriger als 42CrMo bei vergleichbarem Anlassen | Höhere erreichbare Zugfestigkeit aufgrund höherer C/Härtefähigkeit |
| Streckgrenze | Moderat; gutes Verhältnis von Streckgrenze zu Zugfestigkeit bei ordnungsgemäßem Anlassen | Höhere Streckgrenze in ähnlichen Wärmebehandlungszuständen |
| Elongation (Duktilität) | Leicht bessere Duktilität und Elongation bei vergleichbaren Festigkeitsniveaus | Leicht reduzierte Elongation auf demselben Zugniveau |
| Schlagzähigkeit | Im Allgemeinen bessere Zähigkeit für eine gegebene Festigkeit aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts und der feineren vergüteten Mikrostruktur | Immer noch gute Zähigkeit bei ordnungsgemäßem Anlassen, tendiert jedoch dazu, niedriger zu sein als 35CrMo auf demselben Zugniveau |
| Härte (HRC oder HV) | Erreichbare Härte ist niedriger für dasselbe Abschreck-/Anlassschema; leichter zu erreichen ist eine duktil vergütete Härte | Höhere Härte erreichbar; empfindlicher gegenüber Abschreckschärfe und Querschnitt |
Interpretation: - Für dieselbe Zielhärte oder Zugfestigkeit erfordert 42CrMo typischerweise vorsichtigere Vorwärmung und PWHT für das Schweißen und kann höhere Restspannungen und das Risiko spröder Mikrostrukturen ohne angemessene Behandlung aufweisen. - 35CrMo bietet einen nachgiebigeren Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit in geschweißten oder mehrteiligen Baugruppen, insbesondere wenn eine tiefe Härtung nicht erforderlich ist.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt stark vom Kohlenstoffgehalt, von Legierungen, die die Härtefähigkeit erhöhen, und von Verunreinigungsgraden ab. Gängige Indizes helfen, Vorwärm- und Zwischenpasskontrollen vorherzusagen:
-
Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Internationale Pcm-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: - Ein höheres $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ weist auf eine größere Neigung hin, hartes, sprödes Martensit in der schweißbeeinflussten Zone zu bilden, was Vorwärmung, kontrollierte Zwischenpasstemperaturen oder Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) erforderlich macht. - Da 42CrMo typischerweise einen höheren Kohlenstoff- und leicht höheren Cr-Gehalt hat, ist sein berechnetes Kohlenstoffäquivalent normalerweise höher als das von 35CrMo, was strengere Schweißkontrollen erforderlich macht. - 35CrMo lässt sich tendenziell einfacher schweißen, mit geringeren Vorwärm-/PWHT-Anforderungen für ähnliche Querschnittsgrößen, aber die Qualifizierung des Schweißverfahrens ist dennoch für kritische Anwendungen erforderlich.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Dies sind nicht rostfreie legierte Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist im Vergleich zu rostfreien Sorten begrenzt.
- Gängige Schutzmaßnahmen:
- Feuerverzinkung für atmosphärische Korrosionsbeständigkeit, wo akzeptabel.
- Umwandlungsbeschichtungen (z. B. Phosphatierung) und Lack- oder Pulverbeschichtungen zum Umweltschutz.
- Öl oder Wachs zum temporären Schutz bearbeiteter Oberflächen.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist ein Index für rostfreien Stahl und nicht auf Cr-Mo-Kohlenstoffstähle anwendbar. Zur Referenz lautet die PREN-Formel: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ aber sie ist hier nicht relevant, da weder 35CrMo noch 42CrMo rostfreie Stähle sind.
- In Einsatzumgebungen, in denen aktiver Korrosionsschutz erforderlich ist (marine, chemisch), sollten stattdessen Schutzbeschichtungen oder eine korrosionsbeständige Legierung in Betracht gezogen werden.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- Beide Sorten lassen sich gut in geglühtem oder normalisiertem Zustand bearbeiten; erhöhter Kohlenstoff und vorherige Härtung verringern die Bearbeitbarkeit.
- 42CrMo im gehärteten/vergüteten Zustand wird schwieriger zu bearbeiten sein als geglühtes 35CrMo.
- Formbarkeit und Biegen:
- Das Formen erfolgt am besten im geglühten Zustand. Das kohlenstoffärmere 35CrMo lässt sich ohne Rissbildung marginal einfacher kaltformen.
- Verzerrung durch Wärmebehandlung:
- 42CrMo ist aufgrund der höheren Härtefähigkeit und der inneren Spannungen nach dem Abschrecken anfälliger für Verzerrungen und Rissbildung in komplexen Geometrien.
- Oberflächenveredelung:
- Beide Sorten nehmen typische Veredelungsoperationen (Schleifen, Honen, Strahlbehandlung) gut an, wenn sie korrekt wärmebehandelt werden; die Beachtung des Managements von Restspannungen ist wichtig für Bauteile, die Ermüdung ausgesetzt sind.
8. Typische Anwendungen
| 35CrMo — Typische Anwendungen | 42CrMo — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Mittelschwere Wellen, Ritzel, strukturgeschmiedete Teile, geschweißte Baugruppen, die gute Zähigkeit und angemessene Festigkeit erfordern | Hochbelastete Wellen, Kurbelwellen, stark belastete Zahnräder, hydraulische Zylinder, hochbelastete Achsen und mechanische Teile, die hohe Härtefähigkeit erfordern |
| Schrauben, Bolzen und Befestigungen, bei denen eine gewisse Schweißbarkeit erforderlich ist | Komponenten, die hohen Torsions- oder Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind und bei denen eine tiefere Querschnittshärtung erforderlich ist |
| Maschinenkomponenten mit häufigen Schweiß- oder Reparaturvorgängen | Große vergütete Komponenten, bei denen hohe Querschnittseigenschaften nach Q&T erforderlich sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie die kohlenstoffärmere Option (35CrMo), wenn Schweißbarkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit in geschweißten Strukturen Priorität haben und extreme Spitzenfestigkeit nicht erforderlich ist. - Wählen Sie 42CrMo, wenn maximale Festigkeit, Verschleißfestigkeit und die Fähigkeit, durch dicke Querschnitte zu härten, entscheidende Entwurfsfaktoren sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Verfügbarkeit: Beide Sorten sind weit verbreitet in Stangen, Schmiedeteilen, Platten und nahtlosen Rohren von großen Walzwerken erhältlich. 42CrMo (AISI 4140-Familie) gehört zu den häufigsten lagernden legierten Stählen weltweit.
- Relative Kosten: 42CrMo kann aufgrund seines höheren Kohlenstoff-/Legierungsgehalts und der höheren Nachfrage nach Hochleistungsanwendungen etwas teurer sein als 35CrMo. Tatsächliche Preisunterschiede hängen von den Marktbedingungen, der Form und dem Zustand der Wärmebehandlung ab.
- Lieferzeiten: Besondere Wärmebehandlungen, maßgeschneiderte Chemien oder Zertifizierungen (z. B. NDT, PMI, spezifische Werksprüfungen) verlängern die Lieferzeiten für beide Sorten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 35CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (nachgiebiger) | Anfordernder (höhere Vorwärm-/PWHT-Wahrscheinlichkeit) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis | Gute Zähigkeit bei moderater Festigkeit | Höhere Spitzenfestigkeit und Härte; Zähigkeit im Vergleich bei gleicher Festigkeit ist niedriger |
| Kosten | Im Allgemeinen niedriger oder vergleichbar | In vielen Märkten leicht höher |
Empfehlungen: - Wählen Sie 35CrMo, wenn Sie ein ausgewogenes Material mit guter Zähigkeit und einfacherer Bearbeitung/Schweißung benötigen, für Komponenten, die geschweißt, repariert oder eine bessere Duktilität und Ermüdungsbeständigkeit bei moderaten Festigkeitsniveaus erfordern. - Wählen Sie 42CrMo, wenn Ihr Design maximale vergütete Festigkeit, Verschleißfestigkeit und tiefe Querschnittshärtung für schwere Wellen, Zahnräder oder große Querschnitte priorisiert, bei denen das Erreichen und Beibehalten hoher vergüteter Festigkeit entscheidend ist.
Letzte Anmerkung: Geben Sie immer die vollständige Kaufbedingung an (chemischer Standard, Anforderungen an die Wärmebehandlung, Härte-/Zugziele und Schweiß-/PWHT-Anforderungen) und fordern Sie Werksprüfzertifikate an. Unterschiede zwischen Anbietern und dem gewählten Wärmebehandlungsweg haben in der Regel einen größeren praktischen Einfluss auf die Bauteilleistung als die kleinen nominalen Zusammensetzungsunterschiede zwischen diesen beiden gängigen Cr-Mo-Legierungsstählen.