4Cr13 vs 9Cr18 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

4Cr13 und 9Cr18 sind zwei weit verbreitete martensitische Edelstahlgüten in der chinesischen und internationalen Praxis. Ingenieure und Beschaffungsexperten stehen häufig vor einem Auswahldilemma zwischen ihnen: das Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und Schneidfähigkeit (hochlegierte, hochchromhaltige Stähle) gegenüber Kosten, Zähigkeit und einfacher Bearbeitbarkeit (niedriglegierte Martensite) zu finden. Typische Entscheidungskontexte umfassen Messer- und Werkzeugkomponenten, Ventil- und Pumpenteile, Verschleißkomponenten für industrielle Ausrüstungen und Anwendungen, bei denen kontrollierte Korrosionsbeständigkeit mit gehärteten Oberflächen erforderlich ist.

Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, dass 9Cr18 ein hochlegierter, hochchromhaltiger martensitischer Edelstahl ist, der auf Härte und Verschleißfestigkeit optimiert ist, während 4Cr13 ein niedriglegierter martensitischer Edelstahl ist, der einige Verschleißfestigkeit gegen verbesserte Zähigkeit, Schweißbarkeit und niedrigere Materialkosten eintauscht. Diese Eigenschaften treiben den häufigen Vergleich in Design und Fertigung voran, insbesondere wenn Oberflächenverschleiß, Schneidfähigkeit und moderate Korrosionsbeständigkeit im Konflikt mit Form-, Verbindungs- und Schlaganforderungen stehen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Äquivalente, die im internationalen Handel und in technischen Dokumentationen referenziert werden:
• GB/T (China): 4Cr13, 9Cr18 (chinesische Gütebezeichnungen)
• JIS/AISI/SAE: 4Cr13 wird oft als ähnlich zur AISI 420/420J2-Familie betrachtet; 9Cr18 wird oft mit AISI 440C/9Cr (hochlegierter martensitischer Edelstahl) in Funktion verglichen, obwohl die genauen Zusammensetzungen je nach Norm variieren.
• EN/ASTM: Es gibt keinen direkten EN- oder ASTM-Namen, der perfekt passt; die Gleichwertigkeit wird typischerweise durch die Übereinstimmung chemischer und mechanischer Anforderungen anstelle einer genauen Bezeichnung behandelt.
• Klassifizierung:
• 4Cr13: Martensitischer Edelstahl (Edelstahl-Werkzeug-/Strukturmartensit)
• 9Cr18: Hochlegierter martensitischer Edelstahl (Edelstahl-Werkzeug-/verschleißfester Martensit)

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt typische nominale Zusammensetzungsbereiche, die in Spezifikationsblättern und Lieferantendaten für diese Güten verwendet werden. Die Werte sind indikativ und können je nach genauer Norm oder Lieferant variieren; überprüfen Sie die Einkaufsspezifikation auf vertragsrelevante Grenzen.

Element	Typischer Bereich — 4Cr13 (nominal)	Typischer Bereich — 9Cr18 (nominal)
C	0.30–0.45 Gew%	0.80–1.05 Gew%
Mn	≤ 1.0–1.2 Gew%	≤ 1.0 Gew%
Si	≤ 1.0 Gew%	≤ 1.0 Gew%
P	≤ 0.03–0.04 Gew%	≤ 0.03–0.04 Gew%
S	≤ 0.03 Gew%	≤ 0.03 Gew%
Cr	12–14 Gew%	17–19 Gew%
Ni	typischerweise Spuren	typischerweise Spuren
Mo	gewöhnlich Spuren/keine	typischerweise Spuren/keine
V, Nb, Ti, B, N	generell nicht absichtlich legiert; kleine Rückstände möglich	generell nicht absichtlich legiert; kleine Rückstände möglich

Legierungsstrategie und -effekte: - Kohlenstoff: Primäres Härte- und Martensit-Bildungselement. Höherer Kohlenstoff in 9Cr18 erhöht die erreichbare Härte, Verschleißfestigkeit und den Volumenanteil an Karbiden; es erhöht auch die Anfälligkeit für sprödes Verhalten und Schweißrissbildung ohne sorgfältige Kontrolle. - Chrom: Bietet Korrosionsbeständigkeit und trägt zur Härte bei. Der höhere Chromgehalt von 9Cr18 verbessert die allgemeine Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu 4Cr13 und unterstützt die Bildung härterer, chromreicher Karbide, was die Verschleißfestigkeit erhöht. - Mangan und Silizium: Deoxidationsmittel und Austenit-Stabilisatoren in kleinen Mengen; höheres Mn erhöht die Härte moderat. - Verunreinigungselemente (P, S): Niedrig gehalten, um die Zähigkeit zu erhalten und Sprödigkeit zu vermeiden; S kann in freibearbeitbaren Varianten absichtlich leicht erhöht werden, aber typische 4Cr13/9Cr18 sind keine hochschwefelhaltigen Typen.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen für beide Güten sind martensitisch nach geeigneter Austenitisierung und Abschreckung, aber die Karbidverteilung und der Matrix-Kohlenstoffgehalt unterscheiden sich erheblich.

• 4Cr13:
• Nach der Lösungsglühbehandlung und Abschreckung eine überwiegend martensitische Matrix mit relativ niedrigem zurückgehaltenem Karbidvolumen. Karbide sind aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts im Allgemeinen kleiner und stärker verteilt.
• Das Anlassen reduziert die Sprödigkeit und erzeugt angelassenen Martensit; die erreichbare Härte ist moderat und kann auf ein Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Festigkeit abgestimmt werden.

• Normalisieren sorgt für eine gleichmäßigere Struktur für nachfolgende Bearbeitung oder Oberflächenbehandlung.

• 9Cr18:

• Nach der Austenitisierung und Abschreckung ist Martensit mit einem höheren Anteil an Chromkarbiden (M23C6 und anderen Cr-reichen Karbiden) typisch aufgrund des hohen Kohlenstoff- und Chromgehalts. Karbidnetzwerke oder größere Partikel erhöhen die Verschleißfestigkeit, verringern jedoch die Zähigkeit.
• Das Anlassen reduziert innere Spannungen und passt die Härte an, aber Überanlassen kann Karbide erweichen und die Verschleißfestigkeit verringern.
• Um optimale Eigenschaften zu erreichen, ist eine genauere Kontrolle der Austenitisierungstemperatur und -zeit erforderlich, um die Karbidauflösung und -verteilung zu steuern.

Bearbeitungseffekte: - Normalisieren/Verfeinern der Korngröße ist für beide Güten vor der endgültigen Wärmebehandlung nützlich. - Abschreckmedien, Querschnittsdicke und Austenitisierungstemperatur beeinflussen stark das zurückgehaltene Austenit und die Härte – besonders kritisch bei 9Cr18 aufgrund der hohen Härtefähigkeit. - Kryogene Behandlungen werden manchmal bei hochlegierten martensitischen Edelstählen (wie 9Cr18-Analoga) verwendet, um zurückgehaltenes Austenit zu reduzieren und die Härte zu stabilisieren.

4. Mechanische Eigenschaften

Die berichteten mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung, der Anlasstemperatur und der Produktform ab. Die folgende Tabelle gibt indikative Bereiche für häufig spezifizierte wärmebehandelte Bedingungen (abgeschreckt und angelassen) an. Die Werte sind illustrativ; geben Sie genaue Anforderungen an die Eigenschaften nach der Wärmebehandlung in den Beschaffungsdokumenten an.

Eigenschaft	4Cr13 — typisch (abgeschreckt & angelassen)	9Cr18 — typisch (abgeschreckt & angelassen)
Zugfestigkeit (MPa)	~600–1200 MPa (zustandsabhängig)	~800–1600 MPa (zustandsabhängig)
Streckgrenze (0,2% Offset, MPa)	~400–900 MPa	~600–1400 MPa
Dehnung (%)	~8–20%	~5–15%
Schlagzähigkeit (J, genutet)	Moderat; höher als 9Cr18 bei vergleichbarer Härte	Niedriger, insbesondere bei hohen Härtegraden
Härte (HRC)	~40–56 HRC (abhängig vom Anlassen)	~55–64 HRC (höhere erreichbare Härte)

Interpretation: - Festigkeit und Härte: 9Cr18 kann auf höhere Härte- und Zugfestigkeitsniveaus gehärtet werden, aufgrund seines höheren Kohlenstoff- und abrasiven Chromkarbiden; es ist daher überlegen für verschleißkritische Komponenten. - Zähigkeit und Duktilität: 4Cr13 bietet typischerweise bessere Zähigkeit und Dehnung bei einem gegebenen Härtegrad aufgrund des niedrigeren Kohlenstoff- und Karbidgehalts. - Der Kompromiss ist klassisch: 9Cr18 begünstigt Verschleiß-/Kantenhalt; 4Cr13 begünstigt Zähigkeit und einfachere Nachbearbeitung.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffäquivalent und den Legierungsgehalt bestimmt, die die Härtefähigkeit und die Martensitbildung im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) fördern. Zwei häufig verwendete prädiktive Ausdrücke sind:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

und

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Der hohe Kohlenstoff- und erhöhte Chromgehalt von 9Cr18 ergibt ein höheres Kohlenstoffäquivalent und $P_{cm}$, was auf eine höhere Neigung zu Kaltverzug, eine harte martensitische HAZ und die Notwendigkeit von Vorwärmung, kontrollierter Interpass-Temperatur und Nachschweißwärmebehandlung hinweist, um die HAZ-Martensite zu tempern. - 4Cr13, mit niedrigerem Kohlenstoff, zeigt typischerweise niedrigere CE und bessere Schweißbarkeit; es ist jedoch immer noch ein martensitischer Edelstahl und kann in dickeren Abschnitten Vorwärmung und Anlassen nach dem Schweißen erfordern, um Rissbildung in der HAZ zu vermeiden. Der Einsatz von wasserstoffarmen Elektroden und kontrollierter Wärmezufuhr ist für beide Güten ratsam.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl 4Cr13 als auch 9Cr18 werden als martensitische Edelstähle klassifiziert und erhalten ihre Korrosionsbeständigkeit hauptsächlich durch den Chromgehalt. Sie sind nicht so korrosionsbeständig wie austenitische Edelstähle (z. B. 304/316) oder Duplexgüten in chloridreichen oder stark oxidierenden Umgebungen.
• PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) wird häufig verwendet, um die lokale Korrosionsbeständigkeit zu vergleichen:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Für diese Güten sind Mo und N typischerweise abwesend oder niedrig, sodass PREN hauptsächlich durch Cr bestimmt wird. Der höhere Chromgehalt von 9Cr18 ergibt nominal einen höheren PREN als 4Cr13, was auf eine etwas bessere Lochkorrosionsbeständigkeit in neutralen bis leicht korrosiven Umgebungen hinweist. Allerdings ist keine der Güten für den Einsatz in extremen marinen oder chloridhaltigen Umgebungen ohne Oberflächenschutz ausgelegt.
• Wenn die Korrosionsbeständigkeit unzureichend ist, gelten konventionelle Oberflächenschutzmaßnahmen:
• Passivierung (Salpetersäure oder Zitronensäure), um den passiven Film nach der Bearbeitung wiederherzustellen.
• Beschichtungen wie Galvanisierung oder PVD für Gleit-/Verschleißoberflächen oder Schutzfarben, wo angebracht.
• Verzinkung wird im Allgemeinen nicht auf Edelstahlsubstraten zur Verbesserung der Korrosion angewendet und haftet möglicherweise nicht gut; Oberflächenbearbeitung und Passivierung sind vorzuziehen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• 4Cr13 lässt sich im Allgemeinen leichter bearbeiten als 9Cr18 aufgrund der niedrigeren Härte in geglühten/normierten Zuständen und des niedrigeren Karbidgehalts. Freibearbeitbare Varianten sind möglicherweise verfügbar, aber der Standard 4Cr13 ist keine freibearbeitbare Legierung.
• 9Cr18, mit höherem Kohlenstoff und harten Karbiden, erhöht den Werkzeugverschleiß und kann Hartmetallwerkzeuge, langsamere Vorschübe und kontrollierte Spanbildungsstrategien erfordern.
• Formbarkeit:
• Beide sind martensitische Edelstähle und haben eine begrenzte Kaltformbarkeit in gehärteten Zuständen. Das Formen ist am einfachsten in geglühten oder normierten Zuständen vor der endgültigen Abschreckung und dem Anlassen.
• Oberflächenbearbeitung:
• Polieren und Schleifen sind für beide üblich; 9Cr18 erfordert oft aggressivere Schleifmittel und Überlegungen zur Werkzeuglebensdauer.

8. Typische Anwendungen

4Cr13 — Häufige Anwendungen	9Cr18 — Häufige Anwendungen
Messerblätter, bei denen gute Zähigkeit und angemessene Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind (niedrigere Kostenblätter, Universalmesser)	Messerblätter und Besteck, die höhere Kantenhaltbarkeit und Verschleißfestigkeit erfordern (Premium-Kantenhaltungsblätter)
Ventilkomponenten, Pumpenwellen und Hardware, die moderate Korrosionsbeständigkeit bei guter Zähigkeit erfordern	Wälzlagerkomponenten und Verschleißteile, bei denen hohe Härte und Abriebfestigkeit erforderlich sind
Allzweckgehärtete Teile (Kupplungen, kleine Strukturkomponenten)	Medizinische und chirurgische Instrumente (beschränkt auf bestimmte Instrumente, bei denen hohe Härte erforderlich ist und Oberflächenpassivierung angewendet wird)
Dekorative und technische Komponenten, bei denen Nachbearbeitung und Schweißen erforderlich sind	Werkzeuge für Kaltbearbeitung und kleine Werkzeugkomponenten mit hohen Verschleißanforderungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 4Cr13 für Teile, die eine Mischung aus Zähigkeit, angemessener Korrosionsbeständigkeit und niedrigeren Kosten erfordern oder wo Schweißen und Formen häufig sind. - Wählen Sie 9Cr18 für Teile, die Härte, Abriebfestigkeit und Kantenhaltbarkeit priorisieren und höhere Bearbeitungskosten sowie strengere Wärmebehandlungs-/Schweißkontrollen akzeptieren.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• 9Cr18 ist typischerweise teurer pro Kilogramm als 4Cr13 aufgrund des höheren Chrom- und Kohlenstoffgehalts und der anspruchsvolleren Wärmebehandlung, um hohe Härte zu erreichen.
• Die Verarbeitungskosten (Härten, Schleifen, Werkzeugverschleiß) für 9Cr18 sind ebenfalls höher.
• Verfügbarkeit:
• Beide Güten sind in gängigen Produktformen (Stange, Blech, Band, Platte, Schmiedeteile) weit verbreitet, aber spezifische Größen, Oberflächenbehandlungen und eng tolerierte wärmebehandelte Stangen können für 9Cr18 weniger häufig sein und mehr bei spezialisierten Lieferanten vorrätig sein.
• Für den Hochvolumeneinkauf sind 4Cr13-Varianten im Allgemeinen einfacher von mehreren Werken zu beziehen; 9Cr18 kann erfordern, dass man mit spezialisierten Lieferanten für Edelstahl-Werkzeugstahl für bestimmte Produktformen zusammenarbeitet.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Attribut	4Cr13	9Cr18
Schweißbarkeit	Gut bis moderat; geringeres Risiko als 9Cr18	Moderat bis schlecht; höhere Vorwärm- und PWHT-Bedürfnisse
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Moderate Festigkeit; bessere Zähigkeit und Duktilität	Höhere Festigkeit und Härte; reduzierte Zähigkeit
Kosten	Niedrigere Material- und Verarbeitungskosten	Höhere Material- und Verarbeitungskosten

Empfehlungen: - Wählen Sie 4Cr13, wenn: - Sie einen vernünftig korrosionsbeständigen martensitischen Edelstahl mit verbesserter Zähigkeit und niedrigeren Gesamtkosten benötigen. - Schweißen, Formen oder Nachbearbeitung häufig oder kritisch sind. - Die Einsatzbedingungen moderate Schlagbelastungen umfassen oder wo katastrophale spröde Brüche inakzeptabel wären.

• Wählen Sie 9Cr18, wenn:
• Hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Kantenhaltbarkeit die primären Konstruktionsfaktoren sind.
• Sie die Wärmebehandlung, Bearbeitungsprozesse und Schweißverfahren kontrollieren können (oder das Schweißen durch Design vermeiden).
• Die Anwendung niedrigere Schlagzähigkeit und höhere Verarbeitungskosten toleriert, um eine längere Lebensdauer oder bessere Schneidleistung zu erzielen.

Letzte Anmerkung: Beide Güten sind martensitische Edelstähle und ihre Leistung im Einsatz hängt stark von der genauen Zusammensetzung, der Querschnittsdicke und der sorgfältig kontrollierten Wärmebehandlung ab. Für Beschaffungs- und technische Spezifikationen definieren Sie die erforderlichen Härte-/Zähigkeitsziele, Anforderungen an die Nachschweißwärmebehandlung und Korrosionserwartungen ausdrücklich, um sicherzustellen, dass die Lieferanten Material liefern, das für die beabsichtigte Anwendung konditioniert ist.