40Cr vs 42CrMo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
40Cr und 42CrMo sind zwei weit verbreitete mittellegierte Kohlenstähle in der Ingenieuranwendung, wo ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Kosten erforderlich ist. Ingenieure und Beschaffungsteams wählen häufig zwischen ihnen für Wellen, Zahnräder, Schmiedeteile und stark beanspruchte Maschinenteile; die Auswahlentscheidung balanciert typischerweise die erreichbare Festigkeit und Zähigkeit (und die Durchhärtbarkeit der Querschnittsgröße) gegenüber den Materialkosten und der nachgelagerten Verarbeitung (Schweißen, Wärmebehandlung, Bearbeitung).
Der wesentliche metallurgische Unterschied besteht darin, dass 42CrMo Molybdän als gezielte Legierungszugabe enthält, während 40Cr hauptsächlich ein chromhaltiger mittellegierter Kohlenstahl ohne absichtliches Mo ist. Dieser Unterschied erhöht die Durchhärtbarkeit und die Anlassempfindlichkeit von 42CrMo, was die Grenzen der Querschnittsdicke für Abschrecken und Anlassen, die Zähigkeit auf äquivalenten Festigkeitsniveaus und die Schweiß-/Wärmebehandlungsanforderungen beeinflusst. Diese beiden Werkstoffe werden daher häufig verglichen, wenn ein Design eine bessere Durchhärtung oder höhere Ermüdungs-/Zähigkeitsleistung erfordert, ohne auf teurere legierte Stähle umzusteigen.
1. Normen und Bezeichnungen
- GB/T (China): 40Cr, 42CrMo (gängige nationale Bezeichnungen).
- EN (Europa): 42CrMo4 ist das gängige EN-Äquivalent zu 42CrMo (häufig als 1.7225 angegeben); 40Cr hat grobe Äquivalente in EN und wird manchmal als ähnlich zu mittellegierten Chromstählen im EN-System behandelt.
- AISI/SAE (USA): ungefähre Äquivalente — 40Cr ≈ SAE 5140; 42CrMo ≈ SAE 4140 (häufig verwendete Abkürzungen in der Industrie).
- JIS (Japan): 42CrMo wird häufig mit SCM440 verglichen; 40Cr entspricht ähnlichen SCr/SCM mittellegierten Chromstählen.
Klassifizierung:
- 40Cr — mittellegierter Chromstahl (legierter Kohlenstahl).
- 42CrMo — mittellegierter Chrom-Molybdänstahl (niedriglegierter Stahl mit höherer Durchhärtbarkeit).
(Hinweise: Die Äquivalenz zwischen nationalen Normen ist ungefähre — immer die chemischen und mechanischen Spezifikationsgrenzen für Beschaffung und Inspektion überprüfen.)
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische Zusammensetzungsbereiche (Gewichts %) für häufig angebotene Handelsqualitäten. Die Werte sind repräsentative typische Bereiche aus industriellen Spezifikationen; überprüfen Sie spezifische Werkszertifikate für die genaue Zusammensetzung.
| Element | 40Cr (typischer Bereich) | 42CrMo (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.60–0.90 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.10–0.40 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.90–1.30 |
| Ni | — (Spur) | — (Spur) |
| Mo | — (Spur) | 0.15–0.30 |
| V, Nb, Ti, B, N | typischerweise nicht absichtlich in Standardqualitäten; nur als Rückstände oder in mikrolegierten Varianten vorhanden | typischerweise nicht absichtlich in Standardqualitäten; nur als Rückstände oder in mikrolegierten Varianten vorhanden |
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff (C): primäres Verstärkungselement; höherer C erhöht die erreichbare Härte und Festigkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität. - Chrom (Cr): verbessert die Durchhärtbarkeit, Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Anlassempfindlichkeit. - Mangan (Mn) und Silizium (Si): Entgasungsmittel und Verstärker; Mn erhöht ebenfalls die Durchhärtbarkeit. - Molybdän (Mo): erhöht signifikant die Durchhärtbarkeit und Anlassempfindlichkeit, verbessert die Hochtemperaturfestigkeit und Zähigkeit und hilft, die Abschreckempfindlichkeit zu reduzieren. Die Mo-Zugabe in 42CrMo ist der Hauptgrund, warum es tiefer härtet und dazu neigt, die Zähigkeit nach dem Anlassen im Vergleich zu 40Cr zu behalten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Im gewalzten oder normalisierten Zustand zeigen beide Stähle Ferrit + Perlit-Mikrostrukturen; die vorherige Austenitkornstruktur und die Abkühlrate bestimmen den Perlitraum und die Festigkeit. - Nach dem Abschrecken (aus dem Austenitisieren) und Anlassen bilden beide Stähle typischerweise angelassenes Martensit; die Anlasstemperatur und -zeit bestimmen die endgültige Härte, Festigkeit und Zähigkeit.
Verhalten bei der Wärmebehandlung: - Normalisieren: verfeinert die Korngröße und erzeugt homogenen Ferrit/Perlit; vorteilhaft vor dem Schmieden oder Bearbeiten. - Abschrecken & Anlassen (Q&T): beide Qualitäten reagieren gut; 42CrMo erreicht eine höhere Durchhärtbarkeit, was bedeutet, dass dickere Querschnitte nach dem Abschrecken vollständig martensitisch sein können im Vergleich zu 40Cr bei derselben Abkühlungsschwere. - Thermo-mechanische Verarbeitung: beide können heiß geschmiedet und anschließend normalisiert/abgeschreckt und angelassen werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Die Anwesenheit von Mo in 42CrMo erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Anlasserweichung und verbessert die Zähigkeit bei erhöhten Anlasstemperaturen.
Praktische Konsequenz: Für große Querschnitte oder Komponenten, die eine hohe Kernfestigkeit/Zähigkeit erfordern, bietet 42CrMo eine konsistentere Durchhärtung und vermeidet weiche Kerne, die bei 40Cr auftreten können, es sei denn, es werden spezielle Abschreck- oder Legierungsverfahren angewendet.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung, der Querschnittsgröße und dem Anlassen ab. Die folgenden Werte sind typische Bereiche für abgeschreckte und angelassene Bedingungen, die in der Ingenieurausübung häufig verwendet werden — betrachten Sie diese als repräsentative Beispiele.
| Eigenschaft (Q&T typisch) | 40Cr (repräsentativer Bereich) | 42CrMo (repräsentativer Bereich) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 700–1000 | 900–1150 |
| Streckgrenze (MPa) | 500–800 | 700–1000 |
| Dehnung (%L0) | 10–18 | 10–15 |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, J) | 20–60 (hängt von Anlassen & Querschnitt ab) | 30–80 (generell höhere Zähigkeit bei vergleichbarer Härte) |
| Härte (HRC oder HB) | HRC ~20–50 (HB ~180–520 je nach Zustand) | HRC ~22–55 (HB ~200–560 je nach Zustand) |
Interpretation: - 42CrMo erreicht typischerweise höhere Zug- und Streckgrenzen nach Q&T bei denselben Wärmebehandlungsparametern und behält eine bessere Zähigkeit bei äquivalenter Härte, da Mo die Durchhärtbarkeit und Anlassempfindlichkeit verbessert. - 40Cr kann auf vergleichbare Härte in dünnen Querschnitten angelassen werden, zeigt jedoch eine reduzierte Durchhärtung und möglicherweise eine geringere Kernzähigkeit in großen Querschnitten. - Duktilität (Dehnung) ist bei ähnlichen Anlasstufen vergleichbar; jedoch ermöglicht 42CrMo für eine gegebene Nennfestigkeit oft eine zähere Kombination.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffgehalt, den äquivalenten Kohlenstoff und die Durchhärtbarkeit bestimmt. Verwenden Sie empirische Indizes, um die Anforderungen an Vorwärmung und Nachschweißwärmebehandlung zu bewerten.
Übliche Schweißbarkeitsformeln (qualitative Verwendung): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Beide Qualitäten haben mittleren Kohlenstoff und moderate Legierung, sodass keine von ihnen ohne Kontrollen hochgradig schweißbar ist. Die Anwesenheit von Mo in 42CrMo erhöht die $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Indizes im Vergleich zu 40Cr, was auf eine größere Anfälligkeit für harte, spröde martensitische HAZ und ein höheres Risiko für wasserstoffinduzierte Kaltverzüge hinweist, wenn keine Schweißkontrollen angewendet werden. - Praktische Schweißanleitung: Vorwärmen, um die Abkühlrate zu reduzieren, Wärmeinput kontrollieren, niedrigwasserstoffhaltige Verbrauchsmaterialien verwenden und eine Nachschweißwärmebehandlung (PWHT, Spannungsabbau oder Anlassen) bei höheren Dicken durchführen oder wenn die Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften kritisch ist. 42CrMo erfordert typischerweise sorgfältigere Vorwärm-/PWHT-Praktiken als 40Cr für vergleichbare Dicken aufgrund der höheren Durchhärtbarkeit.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder 40Cr noch 42CrMo sind rostfrei; beide sind anfällig für allgemeine und lokale Korrosion in aggressiven Umgebungen. Standard-Schutzstrategien gelten: Lackieren, Ölen, Beschichten, Verzinken (wo angemessen) oder Umwandlungsbeschichtungen.
- Für Umgebungen, die erhöhte Korrosionsbeständigkeit oder Lochkorrosionsbeständigkeit erfordern, sollten rostfreie Familien in Betracht gezogen werden — PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist nicht auf 40Cr/42CrMo anwendbar. Beispiel-PREN-Formel für rostfreie Legierungen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Bei der Spezifikation von Oberflächenbehandlungen für 42CrMo sollte berücksichtigt werden, dass Molybdän die Haftung von Beschichtungen und das Verhalten von Umwandlungsbeschichtungen beeinflussen kann; Oberflächenreinigung und Vorbehandlung sind wichtig vor dem Beschichten oder Lackieren.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: im geglühten oder normalisierten Zustand lassen sich beide Qualitäten recht gut bearbeiten. 40Cr lässt sich oft aufgrund der geringfügig niedrigeren Durchhärtbarkeit und der niedrigeren Anlassempfindlichkeit etwas leichter bearbeiten. 42CrMo in höherfesten (Q&T) Zuständen ist härter und zäher, was zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und herausfordernderer Bearbeitung führt.
- Formbarkeit und Kaltumformung: im empfangenen Zustand (geglüht/normalisiert) können beide geformt und gebogen werden, aber der höhere Kohlenstoff- und Legierungsgehalt schränkt das Tiefziehen und die starke Kaltumformung im Vergleich zu niedriglegierten Stählen ein. Vorwärmen für das Biegen dickerer Querschnitte wird manchmal empfohlen.
- Schleifen und Finishing: im gehärteten Zustand erfordern beide hochwertige Schleifpraktiken; 42CrMo benötigt möglicherweise aggressivere Schleifmittel aufgrund der höheren Zähigkeit und Här