42CrMo vs 42CrMo4 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
42CrMo und 42CrMo4 sind mittellegierte Chrom-Molybdän-Legierungsstähle, die häufig für hochfeste, wärmebehandelbare Komponenten wie Wellen, Zahnräder und Befestigungen verwendet werden. Ingenieure und Beschaffungsfachleute stehen oft vor einem Auswahldilemma zwischen diesen beiden Bezeichnungen, da sie sehr ähnliche Metallurgie und mechanisches Verhalten aufweisen, jedoch in unterschiedlichen regionalen Standards und Lieferketten referenziert werden. Typische Entscheidungskontexte umfassen das Abwägen der erforderlichen Zertifizierung (regionaler oder projektspezifischer Standard), die Spezifizierung der Schweißbarkeit und Nachbehandlungen sowie die Optimierung von Kosten und Lieferzeiten für spezifische Produktformen.
Der primäre praktische Unterschied ist kein dramatischer metallurgischer Missmatch, sondern vielmehr die Standards und Spezifikationsregime, die die Produktion, Inspektion und Zertifizierung regeln. Dieser Unterschied beeinflusst die Beschaffung, Rückverfolgbarkeit und manchmal geringfügige Zusammensetzungstoleranzen oder zulässige Verunreinigungsniveaus.
1. Standards und Bezeichnungen
- EN (Europa): 42CrMo4 — häufig in EN 10083–3 und EN-Stahlnummerierungssystemen referenziert (oft auch als 1.7225 in Materialdatenbanken angegeben).
- GB (China): 42CrMo — weit verbreitet in chinesischen nationalen Standards (GB/T) und häufig für legierte Baustähle aufgeführt.
- ASTM/ASME / AISI (USA): AISI 4140 / UNS G41400 ist das am weitesten akzeptierte amerikanische Äquivalent und wird oft in Kreuzreferenztabellen mit 42CrMo/42CrMo4 ausgetauscht.
- JIS (Japan): SCM440 ist ein häufig zitiertes japanisches Äquivalent.
- Klassifikation: sowohl 42CrMo als auch 42CrMo4 sind mittellegierte, niedriglegierte, wärmebehandelbare Stähle (Legierungsstahl geeignet für Abschrecken und Anlassen; nicht rostfrei; nicht HSLA im modernen Sinne).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typisches 42CrMo (GB/T) | Typisches 42CrMo4 (EN) |
|---|---|---|
| C | 0.38 – 0.45 Gew% | 0.38 – 0.45 Gew% |
| Mn | 0.60 – 0.90 Gew% | 0.60 – 0.90 Gew% |
| Si | 0.10 – 0.40 Gew% | 0.10 – 0.40 Gew% |
| P | ≤ 0.035 Gew% | ≤ 0.035 Gew% |
| S | ≤ 0.035 Gew% | ≤ 0.035 Gew% |
| Cr | 0.90 – 1.20 Gew% | 0.90 – 1.20 Gew% |
| Ni | ≤ 0.40 Gew% (nicht spezifiziert) | ≤ 0.40 Gew% (nicht spezifiziert) |
| Mo | 0.15 – 0.30 Gew% | 0.15 – 0.30 Gew% |
| V, Nb, Ti, B, N | Spuren / nicht typischerweise spezifiziert | Spuren / nicht typischerweise spezifiziert |
Hinweise: - Dies sind typische Zusammensetzungsbereiche; tatsächliche Toleranzen hängen vom Standard und der Werkszertifizierung ab. - Die Legierungsstrategie konzentriert sich auf Cr und Mo für erhöhte Härte und Anlasstragfähigkeit, während moderater Kohlenstoff für Festigkeit durch Wärmebehandlung beibehalten wird. Mn und Si sind vorhanden, um die Festigkeit und Entgasung zu unterstützen. P und S werden auf niedrige Niveaus kontrolliert, um Zähigkeit und Ermüdungslebensdauer zu erhalten.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff: primärer Festigkeitsbeitrag durch Martensitbildung nach dem Abschrecken; höherer C erhöht die Härte, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität. - Chrom und Molybdän: erhöhen die Härte, Abriebfestigkeit und Hochtemperatur-Anlasstragfähigkeit; sie fördern eine tiefere Härtung in dickeren Querschnitten. - Mangan: erhöht die Härte und Zugfestigkeit. - Silizium: stärkt Ferrit und verbessert das Anlasverhalten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Im normalisierten Zustand: eine Mischung aus Ferrit und Perlit, mit feinen Körnern, wenn kontrollierte Abkühlung angewendet wird. - Nach dem Abschrecken und Anlassen (der häufigste Weg für diese Stähle): angelassener Martensit mit innerhalb dispergierten Karbiden (Cr/Mo-reich), der hohe Festigkeit mit verbesserter Zähigkeit liefert.
Verarbeitungswege und Reaktionen: - Normalisieren (Luftkühlung von der Austenitisierungstemperatur): verfeinert die Korngröße und erzeugt eine vorhersehbare gleichmäßige Mikrostruktur für moderate Festigkeit und verbesserte Bearbeitbarkeit. - Abschrecken & Anlassen: Austenitisieren (ca. 820–880°C, abhängig von der Querschnittsgröße), abschrecken (Öl/Wasser/kontrolliertes Polymer), dann bei 400–650°C anlassen, um Festigkeit und Zähigkeit auszubalancieren. Ergebnis: hohe Zug- und Streckgrenzen mit beibehaltener Zähigkeit; die Anlasstemperatur steuert die endgültige Härte. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Schmieden plus kontrollierte Abkühlung kann sehr feine vor-austenitische Körner und verbesserte Ermüdungsbeständigkeit erzeugen, ist jedoch prozesssensitiv.
Beide Sorten reagieren ähnlich auf diese Wärmebehandlungen; kleine Unterschiede in der garantierten Chemie oder Verunreinigungsgrenzen können die Härte und Zähigkeitsmargen in großen Querschnitten leicht beeinflussen.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft (typ.) | 42CrMo / 42CrMo4 (normalisiert) | 42CrMo / 42CrMo4 (abgeschreckt & angelassen) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (Rm) | 650 – 850 MPa | 850 – 1100+ MPa (prozessabhängig) |
| Streckgrenze (Rp0.2) | 360 – 600 MPa | 600 – 950 MPa |
| Dehnung (A%) | 12 – 18% | 8 – 15% |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, Raum T) | 30 – 80 J | 20 – 60 J (abhängig von Anlassen & Querschnitt) |
| Härte | 180 – 260 HB | 220 – 360 HB (oder HRC 18–36) |
Interpretation: - Beide Sorten können sehr ähnliche mechanische Eigenschaften erreichen, wenn sie gleichwertig verarbeitet werden. Abschrecken & Anlassen erzeugt signifikant höhere Zug- und Streckgrenzen auf Kosten der Duktilität. - Zähigkeit und Duktilität hängen stark von den Wärmebehandlungsparametern und der Sauberkeit (Einschlussgehalt) ab — Unterschiede zwischen den beiden Bezeichnungen sind im Vergleich zu den Verarbeitungseffekten typischerweise vernachlässigbar.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit ist moderat und wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt und die Härte von Cr/Mo bestimmt. Verwenden Sie Kohlenstoffäquivalenzformeln, um die Vorwärm- und PWHT-Bedürfnisse abzuschätzen.
Gemeinsame Indizes: - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Internationales 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: - Typisches $CE_{IIW}$ für diese Stähle ist moderat (häufig um 0.4–0.6, abhängig von der genauen Chemie), was auf eine Tendenz hinweist, im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) harten Martensit zu bilden, es sei denn, es werden geeignete Vorwärm- und/oder Interpass-Temperaturen verwendet. - Vorwärmen und kontrollierte Interpass-Temperaturen reduzieren die Abkühlrate und die HAZ-Härte; PWHT (Anlassen) wird für kritische, dicke oder hochbelastete Schweißverbindungen empfohlen. - Sowohl 42CrMo als auch 42CrMo4 haben ähnliche Schweißbarkeit; die Auswahl wird durch die Akzeptanz von PWHT und die Fertigungsumgebung bestimmt. Verwenden Sie qualifizierte Schweißverfahren und berücksichtigen Sie Wasserstoffkontrolle und Vorwärmung zur Rissvermeidung.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Diese Sorten sind keine rostfreien Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist in unbeschichtetem Zustand gering.
- Oberflächenschutzoptionen: Lackieren, Ölen, Phosphatieren, Galvanisieren und Feuerverzinken, abhängig von der Anwendung und den Einschränkungen nach der Wärmebehandlung (Verzinken nach dem Anlassen kann akzeptabel sein; Verzinken vor kritischer Wärmebehandlung ist nicht).
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für nicht rostfreie Stähle nicht anwendbar, aber zur Referenz lautet die Formel: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ und ergibt bedeutungslos niedrige Werte für diese niedriglegierten Cr-Stähle; daher sollte die Korrosionsleistung durch Beschichtungen oder rostfreie Überzüge, wo nötig, gesteuert werden.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Im normalisierten Zustand ist die Bearbeitbarkeit moderat; im abgeschreckten & angelassenen Zustand ist die Bearbeitung schwieriger und kann Hartmetallwerkzeuge und reduzierte Vorschübe erfordern. Freischnittrichtungen (mit zugesetztem Schwefel) sind für diese Sorten nicht standardmäßig.
- Formbarkeit: Warmumformen und Schmieden sind unkompliziert; Kaltumformen ist durch den Kohlenstoffgehalt begrenzt — starkes Kaltbiegen kann Risse verursachen, es sei denn, es wird geglüht oder im normalisierten Zustand verwendet.
- Schleifen und Finish: Beide reagieren gut auf Präzisionsschleifen nach der Wärmebehandlung; Oberflächenbehandlungen zur Ermüdungslebensdauer (Strahlverfestigung, Nitrieren) werden häufig angewendet.
8. Typische Anwendungen
| 42CrMo (häufige Anwendungen) | 42CrMo4 (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Wellen, Achsen und Spindeln | Wellen, Achsen und Spindeln |
| Zahnräder und Ritzel | Zahnräder und Ritzel |
| Hochfeste Befestigungen und Schrauben | Hochfeste Befestigungen und Schrauben |
| Kolbenstangen, Kurbelwellen in kleineren oder mittleren Querschnitten | Maschinenkomponenten unter hoher zyklischer Belastung |
| Druckteile (nach geeigneter Wärmebehandlung) | Automobil- und Baumaschinenteile, die EN-Rückverfolgbarkeit erfordern |
Auswahlbegründung: - Beide Sorten werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und guten Ermüdungsbeständigkeit nach Abschrecken & Anlassen gewählt. - Wählen Sie basierend auf der erforderlichen Zertifizierung, dem spezifizierten Standard, der Lieferkette (welches Werk und welche Region) und der Akzeptanz der erforderlichen Nachschweißwärmebehandlung.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Beide Materialien sind weltweit in Stangen, Schmiedeteilen, nahtlosen Rohren und Platten weit verbreitet. Die Verfügbarkeit variiert je nach Region und Vorlieben der Lagerhalter.
- 42CrMo4 ist auf den europäischen Märkten sehr verbreitet und oft bequemer, wenn eine EN-Zertifizierung erforderlich ist.
- 42CrMo (GB/T) und Äquivalente (AISI 4140 / SCM440) sind typischerweise einfacher in Asien und Nordamerika zu beschaffen.
- Relative Kostenunterschiede sind normalerweise gering und werden von der Produktform, der Querschnittsgröße und den Anforderungen an die Wärmebehandlung oder Werkszertifizierung dominiert, nicht von der nominalen Bezeichnungsbezeichnung.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 42CrMo | 42CrMo4 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Moderat; Vorwärmen/PWHT oft erforderlich | Moderat; Vorwärmen/PWHT oft erforderlich |
| Festigkeit–Zähigkeit (wärmebehandelt) | Hoch (prozessabhängig) | Hoch (prozessabhängig) |
| Kosten / Verfügbarkeit | Weit verbreitet in Asien/Amerika; wettbewerbsfähig | Weit verbreitet in Europa; wettbewerbsfähig |
Empfehlungen: - Wählen Sie 42CrMo, wenn Sie Material innerhalb eines GB/AISI-Lieferantensystems beschaffen müssen oder wenn die Projektbeschaffung eine GB- oder amerikanische Spezifikationsäquivalenz erfordert und Sie typische mechanische Leistungen der Klasse 4140 mit lokaler Rückverfolgbarkeit benötigen. - Wählen Sie 42CrMo4, wenn die Projektspezifikation eine EN-Materialzertifizierung, eine europäische Lieferkettenausrichtung oder wenn der Kunde/Projektvertrag ausdrücklich EN-Standards (42CrMo4 / EN 1.7225) angibt.
Letzte Anmerkung: Die metallurgischen und mechanischen Leistungen dieser beiden Bezeichnungen überschneiden sich erheblich; die entscheidenden Faktoren sind oft nicht-metallurgisch (Standardkonformität, Werkszertifizierung, Rückverfolgbarkeit und lokale Verfügbarkeit). Für kritische Komponenten sollten immer die erforderliche Wärmebehandlung, die Kriterien für die Akzeptanz mechanischer Eigenschaften und die NDT/Nachschweißwärmebehandlungsverfahren spezifiziert werden, anstatt sich nur auf den Gradnamen zu verlassen.