35CrMo vs 42CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

35CrMo und 42CrMo sind zwei eng verwandte Chrom-Molybdän-Legierungsstähle, die für strukturelle und mechanisch belastete Komponenten verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen routinemäßig die Kompromisse zwischen Festigkeit, Zähigkeit, Bearbeitbarkeit, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen, ob man leicht höhere Festigkeit und Verschleißfestigkeit (zum Beispiel für schwere Wellen oder Zahnräder) gegenüber einfacher Fertigung und verbesserter Zähigkeit für dynamische Teile bevorzugt.

Der entscheidende metallurgische Unterschied ist der absichtlich unterschiedliche Kohlenstoffgehalt und die daraus resultierende Härtbarkeitstrategie: 42CrMo hat einen höheren Kohlenstoffgehalt, um Festigkeit und Härtbarkeit zu erhöhen, während 35CrMo einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt und ähnliche Cr-Mo-Zugaben hat, um Zähigkeit und Fertigung auszugleichen. Da beide auf Cr und Mo als Hauptlegierungselemente angewiesen sind, werden sie häufig in Konstruktionen verglichen, die ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Wärmebehandlungsreaktion erfordern.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche internationale Bezeichnungen:
• EN/ISO: 35CrMo4 (ca. 1.7220), 42CrMo4 (ca. 1.7225)
• AISI/ASTM-Äquivalente: 35CrMo ≈ einige Grades ähnlich der 4130-Familie; 42CrMo ≈ AISI 4140 (Hinweis: genaue Äquivalenz hängt von den lokalen Normen ab)
• GB (China): 35CrMo, 42CrMo (Standard-Chemikalienbereiche)
• JIS: vergleichbare Cr-Mo-Stähle existieren, aber die Bezeichnung unterscheidet sich (bestätigen Sie im JIS-Katalog)
• Klassifikation:
• Beide sind legierte Stähle (Cr-Mo-Stähle). Sie sind im strengen Sinne nicht rostfrei oder HSLA; sie werden als vergütete (Q&T) Struktur-/Ingenieurstähle verwendet.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche in Gewicht Prozent für häufig spezifizierte Handelsgrade. Die Werte sind repräsentative Bereiche, die in Standardgrad-Spezifikationen gefunden werden; die endgültige Zusammensetzung muss gegen den genauen Standard oder das Werkzertifikat bestätigt werden.

Element	35CrMo (typischer Bereich, Gew.% )	42CrMo (typischer Bereich, Gew.% )
C	0.32 – 0.40	0.38 – 0.45
Mn	0.50 – 0.80	0.60 – 0.90
Si	0.17 – 0.37	0.17 – 0.37
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.90 – 1.20	0.90 – 1.20
Ni	≤ Spur	≤ Spur
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V	≤ Spur	≤ Spur
Nb	≤ Spur	≤ Spur
Ti	≤ Spur	≤ Spur
B	≤ Spur	≤ Spur
N	≤ Spur	≤ Spur

Hinweise: - „Spur“ bedeutet normalerweise, dass nicht absichtlich hinzugefügt; nur Restmengen können auftreten. - Die Hauptunterschiede in der absichtlichen Legierung sind Kohlenstoff- und Mangangehalte; Cr und Mo sind ähnlich, da sie Härtbarkeit, Festigkeit und Vergütungsbeständigkeit bieten. - Der niedrigere Kohlenstoffgehalt in 35CrMo ist Teil einer Legierungsstrategie, um ein Gleichgewicht zwischen Duktilität/Zähigkeit und Schweißbarkeit zu optimieren, während Cr-Mo-Zugaben die Härtbarkeit und die Hochtemperaturfestigkeit aufrechterhalten.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härte, verringert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit. - Chrom erhöht die Härtbarkeit, Festigkeit und Vergütungsbeständigkeit; es verbessert auch die Verschleißfestigkeit. - Molybdän erhöht erheblich die Härtbarkeit und Kriechbeständigkeit und hilft, die Zähigkeit nach der Vergütung aufrechtzuerhalten. - Silizium und Mangan wirken als Entgasungsmittel und tragen zum Festigkeits-/Härtungsverhalten bei.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen und Reaktionen auf gängige thermische Prozesse:

• Warmgewalzt / normalisiert:
• Beide Grades entwickeln eine Ferrit-Perlit-Struktur nach der Normalisierung, wobei 42CrMo typischerweise eine feinere Perlitstruktur und eine höhere Versetzungsdichte aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts aufweist, was zu höherer Festigkeit führt.
• Vergütet (Q&T):
• Das Abschrecken von der Austenitisierungstemperatur erzeugt Martensit (und möglicherweise Bainit, abhängig von der Abkühlrate); die Vergütung verringert die Sprödigkeit und bietet eine maßgeschneiderte Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit.
• 42CrMo kann aufgrund seines höheren Kohlenstoffgehalts und der leicht höheren Härtbarkeit (mit Cr/Mo) höhere Zug- und Streckgrenzen bei gleichwertigen Q&T-Behandlungen erreichen, erfordert jedoch eine sorgfältig kontrollierte Vergütung, um übermäßige Sprödigkeit zu vermeiden.
• 35CrMo kann bei einem bestimmten Vergütungsregime hohe Festigkeit mit leicht höherer Zähigkeit erreichen, da der Kohlenstoffgehalt niedriger ist.
• Thermomechanische Verarbeitung:
• Kontrolliertes Walzen, gefolgt von geeigneter Wärmebehandlung, verfeinert die vorherige Austenitkornstruktur und kann die Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit in beiden Grades verbessern. Beide Stähle reagieren gut auf TMCP für verbesserte mechanische Eigenschaftskombinationen.

Praktische Implikation: Die Wärmebehandlungsparameter (Austenitisierungstemperatur, Abschreckmedium und -schwere, Vergütungstemperatur/-zeit) müssen unter Berücksichtigung des Stahlgrades und der Querschnittsdicke ausgewählt werden, um harte, spröde HAZ-Mikrostrukturen zu vermeiden und die mechanischen Eigenschaftsziele zu erreichen.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften variieren stark mit der Wärmebehandlung und der Querschnittsgröße. Die folgende Tabelle gibt typische Eigenschaftsbereiche für vergütete Bedingungen an, die in der Ingenieurgemeinschaft häufig verwendet werden. Dies sind repräsentative Bereiche; geben Sie die genauen Wärmebehandlungs- und Prüfbedingungen für den Einkauf an.

Eigenschaft (Q&T typischer Bereich)	35CrMo	42CrMo
Zugfestigkeit (MPa)	Mittel–Hoch	Hoch (höher als 35CrMo)
Streckgrenze (MPa)	Mittel	Höher
Dehnung (%, A)	Bessere Duktilität	Geringere Duktilität bei gleicher Härte
Schlagzähigkeit (Charpy)	Allgemein höher bei gleicher Festigkeit	Allgemein niedriger, es sei denn, es wird auf niedrigere Festigkeit vergütet
Härte (HRC / HB)	Erreichbarer breiter Bereich, abhängig von der Vergütung (niedrigerer Peak als 42CrMo)	Kann höhere Spitzenhärten für verschleißfeste Teile erreichen

Interpretation: - 42CrMo ist typischerweise der stärkere und besser härtbare der beiden aufgrund seines höheren Kohlenstoffgehalts in Kombination mit Cr-Mo. Bei gleichen Q&T-Zyklen wird 42CrMo in der Regel höhere Zug- und Streckgrenzen sowie höhere Härte erzeugen. - 35CrMo bietet in der Regel bessere Zähigkeit und Duktilität bei vergleichbaren oder leicht niedrigeren Festigkeitsniveaus aufgrund seines niedrigeren Kohlenstoffgehalts. - Designer müssen die erforderliche Zähigkeit (z.B. Schlagenergie bei Temperatur) und akzeptable Härte angeben; andernfalls kann der höher legierte 42CrMo unbeabsichtigt spröde Komponenten erzeugen oder das Schweißen erschweren.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt hauptsächlich von Kohlenstoff, Kohlenstoffäquivalent (Härtbarkeit durch Legierung) und Dicke ab.

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

Qualitative Interpretation: - Der höhere Kohlenstoffgehalt von 42CrMo erhöht $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu 35CrMo, was auf eine höhere Neigung zur Bildung harter martensitischer Mikrostrukturen in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) und ein höheres Risiko für Kaltverzug hinweist. Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) sind oft für dickere Abschnitte erforderlich. - 35CrMo, mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt, schweißt im Allgemeinen leichter und benötigt möglicherweise weniger Vorwärmen und mildere PWHT, was es bevorzugt macht, wo Schweißfertigung Routine und wirtschaftlich ist. - Für beide Grades müssen die Auswahl des Füllmetalls und PWHT basierend auf Dicke und Einsatzbedingungen geplant werden, um die Zähigkeit wiederherzustellen und Restspannungen abzubauen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder 35CrMo noch 42CrMo sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit ist typisch für niedriglegierte Stähle und muss durch Beschichtung oder Oberflächenbehandlung für korrosive Umgebungen erreicht werden.
• Typische Schutzstrategien: Verzinken, Lackieren, Pulverbeschichten, Beschichten (Zink/Nickel), Verkleidung oder Anwendung von korrosionsbeständigen Barrieren in Kombination mit kathodischem Schutz, falls erforderlich.
• Rostfreie Indizes wie PREN sind für diese Cr-Mo-Stähle nicht anwendbar, aber zur Referenz ist die PREN-Formel für rostfreie Legierungen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Verwenden Sie PREN nur für rostfreie Legierungen; für Cr-Mo niedriglegierte Stähle sollte die Korrosionsschutzstrategie auf der erwarteten Umgebung (atmosphärisch, Salzspray, chemisch) und den Kosten basieren.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Höherer Kohlenstoff und höhere Härtefähigkeit von 42CrMo verringern die Bearbeitbarkeit im Vergleich zu 35CrMo bei vergleichbaren Härtegraden. Für die Bearbeitung werden beide Stähle normalerweise in normalisierten oder geglühten Zuständen spezifiziert; 35CrMo kann schneller bearbeitet werden oder eine längere Werkzeuglebensdauer unter denselben Bedingungen bieten.
• Formbarkeit/Biegen: Der niedrigere Kohlenstoffgehalt von 35CrMo hat typischerweise eine bessere Kaltformbarkeit. 42CrMo kann geformt werden, wenn es weichgeglüht ist, aber das Rückfederungs- und Rissrisiko steigt, wenn die Härte hoch ist.
• Schleifen und Finish: Beide können effektiv geschliffen und bearbeitet werden, wenn sie im richtigen Zustand geliefert werden. Oberflächenbehandlungen (Nitrieren, Karbonitrieren) sind für verschleißkritische Komponenten üblich.
• Schweißen und Verzugskontrolle: 35CrMo bietet einfacheres Schweißen und niedrigere HAZ-Härte; 42CrMo erfordert mehr thermische Kontrolle, Füllerauswahl und PWHT, um Risse zu vermeiden und optimale Eigenschaften wiederherzustellen.

8. Typische Anwendungen

35CrMo – Typische Anwendungen	42CrMo – Typische Anwendungen
Mittelbelastete Wellen, geschraubte Strukturteile, mittelbelastete Zahnräder, geschmiedete Komponenten, die gute Zähigkeit erfordern	Schwerbelastete Wellen und Achsen, hochfeste Zahnräder, Kurbelwellen, Pleuelstangen, hochbelastete Bolzen und Schrauben
Komponenten, die häufiges Schweißen oder komplexe Fertigung erfordern	Komponenten, bei denen höhere Festigkeit, Verschleißfestigkeit oder hohe Härtbarkeit die Haupttreiber sind
Hydraulikzylinderstangen, Kupplungen, bei denen Duktilität/Zähigkeit priorisiert wird	Geländemaschinen, schwere Maschinen, hochdrehmomentige Antriebsteile

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 35CrMo, wenn ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit benötigt wird, zusammen mit einfacher Fertigung und Schweißbarkeit. - Wählen Sie 42CrMo, wenn höhere Zugfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Härtbarkeit erforderlich sind und der Fertigungsprozess strengere Schweiß- und Wärmebehandlungsanforderungen erfüllen kann.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Verfügbarkeit: Beide Grades sind weltweit in Stangen, Schmiedeteilen, Blöcken und Platten weit verbreitet. 42CrMo (AISI 4140-Familie) ist einer der am häufigsten lagernden legierten Stähle in vielen Märkten.
• Kosten: Der Materialkostenunterschied ist typischerweise gering; 42CrMo kann aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und manchmal strengerer Verarbeitungsanforderungen geringfügig teurer sein. Die Gesamtkosten des Teils müssen jedoch Wärmebehandlung, Schweißen/PWHT und Bearbeitung umfassen – Bereiche, in denen 42CrMo höhere Verarbeitungskosten verursachen kann.
• Einkaufs-Tipp: Geben Sie die genaue Legierung, den erforderlichen Wärmebehandlungszustand, die mechanischen Eigenschaften und die Werkstoffprüfzertifikate an, um Missverständnisse zwischen Lieferant und Konstruktionsabsicht zu vermeiden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Attribut	35CrMo	42CrMo
Schweißbarkeit	Gut	Befriedigend–Mittel (erfordert mehr Kontrolle)
Festigkeits-Zähigkeits-Gleichgewicht	Mittelstarke Festigkeit mit höherer Zähigkeit	Höhere Festigkeit, geringere Duktilität bei gleicher Härte
Kosten (Material + Verarbeitung)	Niedrig–Mittel	Mittel–Höher

Empfehlungen: - Wählen Sie 35CrMo, wenn: - Das Teil bessere Zähigkeit oder Duktilität bei gegebener Festigkeit erfordert. - Häufiges Schweißen oder komplexe Fertigung ohne umfangreiche PWHT erwartet wird. - Leicht bessere Bearbeitbarkeit und Formbarkeit wichtig sind. - Sie niedrigere Gesamtkosten für die Verarbeitung und einfachere QA für die Zähigkeit der HAZ anstreben. - Wählen Sie 42CrMo, wenn: - Höhere Zugfestigkeit, Verschleißfestigkeit oder Härtbarkeit für dicke Abschnitte das Hauptziel ist. - Das Teil hohen statischen oder zyklischen Lasten ausgesetzt ist, bei denen die Festigkeit die Schweißbequemlichkeit überwiegt. - Die Fertigung die erforderlichen Vorwärm-, Zwischenpasskontrollen und PWHT unterstützen kann.

Letzte Anmerkung: Beide Grades sind robuste Ingenieurstähle; die richtige Wahl hängt vom spezifischen Lastfall, der erforderlichen Zähigkeit, den Schweiß- und Wärmebehandlungsfähigkeiten sowie den Kostenbeschränkungen ab. Geben Sie immer den erforderlichen Wärmebehandlungszustand, die mechanischen Eigenschaftsziele und die Prüf-/Inspektionsanforderungen in den Einkaufsunterlagen an, um sicherzustellen, dass das gelieferte Material den Konstruktionsabsichten entspricht.