3Cr13 vs 4Cr13 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

3Cr13 und 4Cr13 sind martensitische Edelstahlgüten, die häufig in Komponenten verwendet werden, bei denen ein moderater Korrosionsschutz mit Verschleißfestigkeit und Festigkeit in Einklang gebracht werden muss (Beispiele: Besteck, Ventile, Wellen und Pumpenteile). Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Kompromiss zwischen mechanischer Festigkeit/Härte und Duktilität/Schweißbarkeit, wenn sie zwischen diesen beiden Güten auswählen.

Der wesentliche technische Unterschied ist der höhere Kohlenstoffgehalt in 4Cr13 im Vergleich zu 3Cr13, der die Härtbarkeit, die erreichbare Härte und die Festigkeit auf Kosten von Duktilität und Schweißbarkeit erhöht. Da sie einen ähnlichen Chromgehalt aufweisen, bieten beide vergleichbaren grundlegenden Korrosionsschutz im Vergleich zu martensitischen Edelstählen, aber ihre Verarbeitung und endgültigen Eigenschaften divergieren hauptsächlich aufgrund von Kohlenstoff und subtilen Legierungsunterschieden.

1. Normen und Bezeichnungen

• Primäre Bezeichnung: Chinesische nationale (GB) Benennungskonvention—3Cr13 und 4Cr13.
• Klassifikation: Martensitische Edelstähle (Edelstahl, härtbar, typischerweise wärmebehandelbar zu Martensit).
• Ungefähre Familienäquivalente: Diese Güten gehören zur gleichen allgemeinen Familie wie AISI/UNS martensitische Edelstähle (häufig verglichen mit der 410/420-Serie), aber es gibt keine garantierte 1:1 Entsprechung über die Normen hinweg—konsultieren Sie spezifische Normdokumente oder Werkszertifikate für genaue Zuordnungen.
• Weitere Normen, die für vergleichbare martensitische Edelstähle konsultiert werden sollten: ASTM/ASME (A240-Familie für Edelstahlplatten/-bleche; spezifische UNS-Nummern für Stangen), JIS (SUS martensitische Serie) und EN (martensitische Edelstahlbezeichnungen). Überprüfen Sie immer die Zusammensetzungs- und mechanischen Eigenschaftstabellen in der geltenden Norm oder im Lieferdatenblatt.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Typische chemische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%). Dies sind repräsentative Bereiche, die häufig in Spezifikationen verwendet werden; überprüfen Sie immer die genaue Zusammensetzung anhand von Materialzertifikaten.

Element	3Cr13 (typischer Bereich)	4Cr13 (typischer Bereich)
C	0.18 – 0.30	0.28 – 0.40
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	12.0 – 14.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.1 (oft nicht spezifiziert)	≤ 0.1
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	Spuren	Spuren

Hinweise: - Das dominierende absichtlich legierte Element ist Chrom (≈12–14%), um ein grundlegendes Edelstahlverhalten zu gewährleisten und die martensitische Matrix nach dem Abschrecken zu unterstützen.
- Der wesentliche absichtliche Unterschied ist Kohlenstoff: 4Cr13 ist mit höherem Kohlenstoff formuliert, um die Härtbarkeit und die erreichbare Härte zu erhöhen. Nebenelemente (Mn, Si) sind hauptsächlich Entgasungsmittel und beeinflussen die Härtbarkeit nur geringfügig; Mo, V (sofern vorhanden) erhöhen leicht die Härtbarkeit und die Anlasstemperaturbeständigkeit. Ti/Nb/B sind in der Regel nicht in nennenswerten Mengen für diese Güten vorhanden.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Kohlenstoff: erhöht die Zugfestigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit, indem er die Bildung von Martensit und Karbiden fördert; verringert die Duktilität und Schweißbarkeit.
- Chrom: bietet Korrosionsbeständigkeit (passive Schicht) und erhöht die Härtbarkeit; zu wenig Cr verringert die Korrosionsleistung.
- Mo, V: wenn in kleinen Mengen vorhanden, erhöhen sie die Anlasstemperaturbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit.
- Mn/Si: beeinflussen die Entgasung, Festigkeit und Zähigkeit leicht.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Beide Güten sind so konzipiert, dass sie in eine martensitische Mikrostruktur wärmebehandelt werden. Typische metallurgische Routen und Reaktionen:

• Im gelieferten Zustand (geglüht oder normalisiert): ferritisch/perlitisch mit einigen Karbiden, abhängig vom Kohlenstoffgehalt. 3Cr13 hat typischerweise eine weichere Matrix mit feinerer Karbidverteilung im Vergleich zu 4Cr13 im gleichen Verarbeitungszustand.
• Abschrecken und Anlassen: Standardroute zur Entwicklung einer martensitischen Struktur und des gewünschten Härte/Zähigkeit-Gleichgewichts.
• Austenitisieren (typischer Bereich für ähnliche martensitische Edelstähle: 980–1050 °C), um Karbide zu lösen und homogene Austenit zu bilden.
• Abschrecken, um Austenit in Martensit umzuwandeln. Höherer Kohlenstoff (4Cr13) produziert einen höheren Anteil an hartem Martensit und zurückgehaltenen Karbiden; 4Cr13 erreicht typischerweise eine höhere Härte beim gleichen Abschrecken als 3Cr13.
• Anlassen bei 150–650 °C, abhängig vom Zielhärte/Zähigkeit-Kompromiss. Anlassen reduziert die Härte, verbessert jedoch die Zähigkeit; 4Cr13 erfordert eine sorgfältigere Anlasstemperatur, um die Ermüdungsbeständigkeit zu erhalten und übermäßige Sprödigkeit zu vermeiden.
• Normalisieren: kann die Korngröße verfeinern und die Segregation reduzieren; gefolgt von Anlassen nach Bedarf.
• Thermomechanische Verarbeitung: Kaltverformung und anschließendes Anlassen beeinflussen die Versetzungsdichte und die endgültige Festigkeit; 4Cr13 ist aufgrund des höheren C empfindlicher gegenüber der Härtung durch Kaltverformung.

Mikrostrukturelle Konsequenzen: - 3Cr13: Martensit mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt — etwas niedrigere Härte, bessere Duktilität und Zähigkeit bei vergleichbarem Anlassen. - 4Cr13: Martensit mit höherem Kohlenstoff — höhere Härte und Verschleißfestigkeit, höheres Risiko von sprödem Martensit und Karbidenetzwerk bei unsachgemäßer Wärmebehandlung.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Typische mechanische Eigenschaftsbereiche nach typischer Abschreck- & Anlasverarbeitung (Hinweis: Werte sind illustrativ; überprüfen Sie mit Lieferantendaten).

Eigenschaft	3Cr13 (typisch)	4Cr13 (typisch)
Zugfestigkeit (MPa)	600 – 900	800 – 1100
Streckgrenze (0.2% Offset, MPa)	350 – 650	550 – 900
Dehnung (%)	10 – 20	6 – 15
Schlagzähigkeit (J, Charpy V-Kerbe)	moderat (variiert mit dem Anlassen)	niedriger (bei gleicher Härte)
Härte (HRC, angelassen)	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

Interpretation: - 4Cr13 kann höhere Festigkeits- und Härtewerte erreichen als 3Cr13 aufgrund seines höheren Kohlenstoffgehalts und der etwas größeren Härtbarkeit.
- 3Cr13 neigt dazu, bei gleichwertigen Anlasbedingungen zäher und duktiler zu sein; 4Cr13 tauscht Duktilität und Zähigkeit gegen mehr Verschleißfestigkeit und höhere statische Festigkeit ein.
- Die Schlagzähigkeit hängt stark vom Anlassen ab; für Anwendungen, die Widerstand gegen Stöße oder Schläge erfordern, ist das richtige Anlassen entscheidend, und 3Cr13 bietet typischerweise ein breiteres Zähigkeitsfenster.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch Kohlenstoff und Härtbarkeit beeinflusst. Höherer Kohlenstoff erhöht das Risiko der Martensitbildung in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ), was die Neigung zu Rissen erhöht und Vorwärmen/Nachwärmebehandlung (PWHT) erforderlich macht.

Nützliche prädiktive Formeln (qualitative Interpretation nur): - 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 Hinweise: - Da 4Cr13 einen höheren C-Gehalt hat, werden seine berechneten $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ typischerweise höher sein als die von 3Cr13, was auf eine schlechtere Schweißbarkeit und eine größere Wahrscheinlichkeit von HAZ-Härtung und Kaltverzug hinweist.
- Beste Praxis: Vorwärmen kontrollieren, die Abkühlraten zwischen den Schweißdurchgängen begrenzen, geeignete Füllmetalle (passend oder leicht niedrigerer Kohlenstoff) verwenden und PWHT anwenden, wo erforderlich, um Martensit in der HAZ zu tempern. 3Cr13 ist toleranter gegenüber konventionellen Schweißpraktiken, benötigt jedoch möglicherweise dennoch Vorwärmen für dickere Abschnitte oder bei Einschränkungsbedingungen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Beide Güten sind martensitisch und rostfrei (≈12–14% Cr): Sie bilden eine schützende passive Schicht und haben eine bessere Korrosionsbeständigkeit als einfache Kohlenstoffstähle, sind jedoch unter aggressiven Medien unterlegen im Vergleich zu austenitischen (304/316) und Duplexgüten.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist für diese niedrig-Mo, niedrig-N martensitischen Edelstähle im Allgemeinen nicht nützlich. Zur Vollständigkeit: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Da Mo und N in diesen Güten typischerweise nahe null liegen, sind die PREN-Werte im Vergleich zu Duplex- oder austenitischen Legierungen niedrig; daher sind diese Güten für leicht korrosive Umgebungen (atmosphärisch, leicht sauer/alkalisch, begrenzte Chloridbelastung) geeignet, jedoch nicht für aggressive chloridhaltige Medien ohne Beschichtungen oder kathodischen Schutz.
• Oberflächenschutz für nicht rostfreie Vergleichswerte ist nicht anwendbar; für diese rostfreien Martensite umfassen gängige Schutzmaßnahmen die Passivierung nach der Herstellung, Galvanisierung, kontrollierte Politur und im Einsatz Schutzbeschichtungen (organische Farben, opferanodenbeschichtungen), wenn das Risiko von Chlorid oder Pitting signifikant ist.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit: Der höherlegierte 4Cr13 neigt dazu, im geglühten Zustand härter zu sein und verursacht größeren Werkzeugverschleiß; jedoch lassen sich beide Güten im geglühten Zustand mit geeigneten Werkzeugen und Geschwindigkeiten vernünftig bearbeiten. Gehärteter 4Cr13 wird schwieriger zu bearbeiten sein, wenn er nicht erweicht wird.
• Formbarkeit: 3Cr13 bietet bessere Kaltverformung und Biegbarkeit als 4Cr13 aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts; Tiefziehen oder starke Verformung ist für beide im Vergleich zu austenitischen Edelstählen begrenzt.
• Schleifen, Polieren und Oberflächenveredelung: Die höhere Härte von 4Cr13 bietet eine bessere Verschleißfestigkeit im Einsatz, erfordert jedoch möglicherweise aggressivere Nachbearbeitungsoperationen. Eine Wärmebehandlung und Anlassen vor der endgültigen Bearbeitung/Veredelung wird empfohlen, um Verzug zu vermeiden.
• Verzugsgefahr durch Wärmebehandlung: Beide Güten neigen während der Abschreck- und Anlasoperationen zu Verzug; sorgfältige Vorrichtungen, allmähliches Abkühlen und angemessene Bearbeitungszugaben sind erforderlich.

8. Typische Anwendungen

3Cr13 – Typische Anwendungen	4Cr13 – Typische Anwendungen
Messerklingen und Besteck, wo ausgewogene Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind	Schneidwerkzeuge und Messer, wo höhere Schneideneigenschaften und Verschleißfestigkeit gewünscht sind
Pumpenwellen, Ventilkomponenten mit moderaten Verschleißanforderungen	Verschleißanfällige Komponenten, Rollen, Stifte und Teile, die höhere Härte erfordern
Automobilverkleidungen, Befestigungen und Armaturen, wo etwas Biegen/Verformen erforderlich ist	Kleinvolumenlagerkomponenten, Verschleißstifte und gehärtete Wellen
Allzweck-martensitische Edelstahlteile, wo Schweißen/Reparierbarkeit ein Faktor ist	Teile, bei denen Durchhärtung und höhere statische Festigkeit primäre Anforderungen sind

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 4Cr13, wo Schneideneigenschaften, höhere Härte und Verschleißfestigkeit primär sind; wählen Sie 3Cr13, wo Duktilität, Schlagfestigkeit und einfachere Verarbeitung/Schweißen wichtig sind. Kostenüberlegungen und Anforderungen an die Oberflächenveredelung beeinflussen ebenfalls die Entscheidung.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: 4Cr13 ist typischerweise etwas teurer als 3Cr13 aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und der Verarbeitung, die erforderlich ist, um höhere Härteeigenschaften zu erreichen und zu kontrollieren; jedoch sind die Preisunterschiede im Vergleich zu höherlegierten Güten (z. B. Mo-haltige Martensite oder Austenite) bescheiden.
• Verfügbarkeit: Beide Güten sind in Regionen mit etablierten Edelstahl-Lieferketten (Platten, Stangen, Streifen, Rohlinge) weit verbreitet. Die Produktform (Stangen, Platten, Streifen) und die Veredelung (kaltgewalzt, geglüht, gehärtet) beeinflussen die Lieferzeiten und Kosten. Bei der Beschaffung großer Mengen sollten Sie die Werkszertifikate und Chargentests auf den Kohlenstoffgehalt überprüfen, um die beabsichtigten mechanischen Eigenschaften sicherzustellen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Schnelle vergleichende Zusammenfassung

Attribut	3Cr13	4Cr13
Schweißbarkeit	Besser (niedrigerer Kohlenstoff)	Niedriger (höherer Kohlenstoff, mehr HAZ-Risiko)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Moderate Festigkeit mit besserer Zähigkeit	Höhere Festigkeit und Härte, niedrigere Zähigkeit
Kosten	Etwas niedriger	Etwas höher

Fazit und praktische Empfehlung: - Wählen Sie 3Cr13, wenn Sie einen ausgewogenen martensitischen Edelstahl mit besserer Duktilität und Schweißbarkeit, einfacher Formbarkeit und etwas niedrigeren Kosten benötigen—geeignet für Komponenten, die eine gewisse Schlagfestigkeit, Reparierbarkeit oder moderate Verschleißfestigkeit erfordern. - Wählen Sie 4Cr13, wenn das Design höhere Härte, Verschleißfestigkeit und statische Festigkeit priorisiert, wo Schneideneigenschaften oder abrasive Abnutzung kritisch sind und wo eine engere Kontrolle der Wärmebehandlung akzeptabel ist; erwarten Sie eine größere Aufmerksamkeit für Schweißverfahren, Vorwärmen und Anlassen, um Sprödigkeit zu vermeiden.

Letzte Anmerkung: Die genaue Auswahl sollte anhand der Werkszertifikate des Lieferanten, der Geometrie der Komponenten, der Einschränkungsbedingungen während des Schweißens und der spezifischen Betriebsumgebung (korrosive Medien, Temperatur, zyklische Belastung) validiert werden. Für kritische Anwendungen sollten Materialprüfberichte (Zusammensetzung, Härte, Zug- und Schlagdaten) angefordert und Qualifikationstests (Schweißversuche, Wärmebehandlungsversuche) vor der Serienproduktion durchgeführt werden.