9Cr18 vs 9Cr18Mo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Die Wahl zwischen 9Cr18 und 9Cr18Mo ist eine häufige Entscheidung für Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner, die martensitische rostfreie Stähle für Komponenten spezifizieren, die eine Kombination aus Verschleißfestigkeit, hoher Härte und einem gewissen Maß an Korrosionsbeständigkeit erfordern. Typische Entscheidungskontexte umfassen das Abwägen von Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kosten, Härtbarkeit und endgültiger Härte gegenüber Schweißbarkeit sowie Verschleißlebensdauer gegenüber Fertigungserleichterungen.

Der primäre metallurgische Unterschied ist die gezielte Zugabe von Molybdän in 9Cr18Mo. Diese Legierungsänderung erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion und verbessert die Härtbarkeit, ohne das Verhalten der gesamten martensitischen rostfreien Stahlfamilie drastisch zu verändern. Da beide Sorten hochkohlenstoffhaltige, hochchromhaltige, martensitische rostfreie Stähle sind, werden sie häufig für Messerblätter, Ventile, Lager und Verschleißteile verglichen, bei denen sowohl Härte als auch Oberflächenkorrosionsbeständigkeit wichtig sind.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche regionale Standards und Bezeichnungen, auf die man achten sollte:
• GB (China): Sorten, die als 9Cr18 und 9Cr18Mo gekennzeichnet sind, erscheinen in chinesischen nationalen und industriellen Katalogen.
• EN / ISO: Es gibt keine exakte 1:1-Zuordnung; diese Sorten werden typischerweise als proprietäre oder nationale martensitische rostfreie Varianten behandelt (Analoga existieren unter den AISI 440 Serien).
• JIS (Japan) / ASTM / ASME: Ähnliche Chemie kann in AISI/ASTM martensitischen rostfreien Familien gefunden werden (zum Beispiel AISI 440A/B/C), aber genaue Bezeichnungs- und Toleranzunterschiede erfordern eine Querverweisung.
• Materialtyp: Sowohl 9Cr18 als auch 9Cr18Mo sind martensitische rostfreie Stähle (hochkohlenstoffhaltig, hochchromhaltig). Sie sind weder HSLA noch typische Kohlenstoffstähle; sie sind aufgrund des Chromgehalts rostfrei, aber nicht austenitisch.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) an, die als technische Richtlinie für diese Sorten verwendet werden. Tatsächliche Werkszertifikate und der anwendbare Standard sollten für Beschaffungsentscheidungen konsultiert werden; die Zusammensetzungen variieren je nach Hersteller und spezifischer Unterklasse.

Element	9Cr18 (typischer Bereich, Gew.-%)	9Cr18Mo (typischer Bereich, Gew.-%)
C	0.80 – 1.05	0.80 – 1.05
Mn	≤ 1.00	≤ 1.00
Si	≤ 1.00	≤ 1.00
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16.0 – 19.0	16.0 – 19.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.25 (oft ≈0)	0.2 – 1.0 (typisch ≈0.3–0.8)
V	≤ 0.2	≤ 0.2
Nb/Ti/B	Spuren/kontrolliert	Spuren/kontrolliert
N	Spuren	Spuren

Hinweise: - Diese Bereiche sind indikativ; Lieferanten können engere Toleranzen angeben. - Der definierende Unterschied ist Mo; 9Cr18Mo enthält absichtlich Mo, um die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion und Härtbarkeit zu verbessern. - Hoher Kohlenstoff (~0.8–1.0%) und hoher Chromgehalt (~16–19%) treiben die martensitische Härtbarkeit und die Oberflächenkorrosionsbeständigkeit an.

Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Kohlenstoff steuert die erreichbare Härte und Festigkeit nach dem Abschrecken/Anlassen; höherer C führt zu höherer Härte und Verschleißfestigkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit. - Chrom bietet Korrosionsbeständigkeit (Passivierung) und trägt zur Härtbarkeit bei. - Molybdän erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion und verbessert die Härtbarkeit sowie die sekundäre Härtung beim Anlassen. Es kann auch die Karbidchemie zur Verschleißfestigkeit verfeinern. - Minderbestandteile (V, Nb, Ti) können vorhanden sein, um das Einschlussverhalten und die Karbidstabilität zu steuern und somit die Zähigkeit und Schleifmerkmale zu beeinflussen.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostruktur: - Beide Sorten sind so konzipiert, dass sie nach dem geeigneten Abschrecken von der Austenitisierungstemperatur Martensit bilden, mit einer Dispersion von chromreichen Karbiden (z.B. M23C6, M7C3, abhängig von der genauen Chemie und Wärmebehandlung). - In 9Cr18Mo können Karbide Mo enthalten, was Größe, Verteilung und Stabilität im Vergleich zu 9Cr18 verändert.

Wärmebehandlungsrouten und -reaktionen: - Glühen / Normalisieren: Produziert angelassenes Martensit oder sphäroidisierte Karbide; nützlich für die Bearbeitung vor der endgültigen Härtung. Normalisieren verfeinert die vorherige Austenitkornstruktur und löst einige Karbide je nach Temperatur auf. - Abschrecken & Anlassen: Standardroute, um hohe Härte und Verschleißfestigkeit zu erreichen. Austenitisieren (typische Temperaturen hängen von den Lieferantendaten ab), abschrecken, um Martensit zu bilden, dann bei gewählter Temperatur anlassen, um Härte gegen Zähigkeit zu tauschen. - 9Cr18Mo erreicht im Allgemeinen eine etwas höhere Härtbarkeit, was eine gleichmäßigere martensitische Struktur in dickeren Abschnitten erzeugt. - Thermomechanische Verarbeitung: Kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen können die Mikrostruktur verfeinern und die Zähigkeit verbessern; Molybdän hilft, die Härtbarkeit unter einer solchen Verarbeitung zu erhalten.

Implikationen: - 9Cr18Mo ist aufgrund der verbesserten Härtbarkeit weniger anfällig für unvollständige Umwandlung (verbleibendes Austenit) in größeren Querschnitten. - Die Karbidchemie in 9Cr18Mo ist oft stabiler in korrosiven Umgebungen.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung ab. Die folgende Tabelle gibt typische Bereiche nach dem Abschrecken & Anlassen an, die für Spezifikationsvergleiche verwendet werden (konsultieren Sie die Werksprüfzertifikate für die Beschaffung).

Eigenschaft	9Cr18 (typischer Bereich)	9Cr18Mo (typischer Bereich)
Zugfestigkeit (MPa)	900 – 1600	900 – 1650
Streckgrenze (MPa)	600 – 1400	600 – 1450
Dehnung (%)	6 – 18	6 – 18
Schlagzähigkeit (J, Charpy)	niedrig–moderat; hängt vom Anlassen ab	vergleichbar oder leicht verbessert (bessere Durchdringungszähigkeit in dickeren Abschnitten)
Härte (HRC)	48 – 63 (abhängig vom Anlassen)	48 – 63 (kann bei gleichem Anlassen aufgrund von Mo ähnlich oder leicht höher erreichen)

Erklärung: - Beide Sorten können sehr hohe Härte und Zugfestigkeit erreichen, wenn sie vollständig gehärtet sind; kleinere Erhöhungen der Härtbarkeit durch Mo helfen, die Festigkeit in dickeren Abschnitten aufrechtzuerhalten. - Die Zähigkeit wird durch die Anlasstechnik und die Karbidverteilung bestimmt; Molybdän verbessert oft leicht die Zähigkeit und verringert das Risiko der Anlassembrittelung in einigen Regimen. - Die Dehnung ist durch den hohen Kohlenstoffgehalt begrenzt; beide sind weniger duktil als niedriglegierte rostfreie Stähle.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von hochkohlenstoffhaltigen martensitischen rostfreien Stählen ist aufgrund ihres Kohlenstoffgehalts und ihrer Härtbarkeit herausfordernd.

Relevante prädiktive Formeln: - Kohlenstoffäquivalent (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (zur Vorhersage der Kaltverzugsempfindlichkeit):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation (qualitativ): - Beide Sorten haben hohe $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu niedriglegierten Stählen, was auf eine hohe Neigung zur Martensitbildung im HAZ und das Risiko von Kaltverzug ohne Vorwärmung und kontrollierte Abkühlung hinweist. - 9Cr18Mo hat aufgrund des hinzugefügten Mo einen etwas höheren Kohlenstoffäquivalentbeitrag aus dem $(Cr+Mo+V)/5$-Term; jedoch verbessert Mo auch die Härtbarkeit, was das Risiko eines harten, spröden HAZ erhöhen kann. Praktisch erfordern die Schweißverfahren für beide eine Vorwärmung, Temperaturkontrolle zwischen den Schweißvorgängen, wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien und Nachbehandlung, wo die Anforderungen an die Zähigkeit bestehen. - Für viele Anwendungen werden Bearbeitung und mechanische Befestigung oder Löten verwendet, um das Schweißen zu vermeiden. Wenn Schweißen notwendig ist, müssen Kantenvorbereitung, Vorwärmung und PWHT spezifiziert werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

Hinweis zu nicht rostfrei vs. rostfrei: - Beide Sorten sind aufgrund des Cr-Gehalts rostfrei, jedoch nicht korrosionsbeständig in dem Maße wie austenitische oder duplex rostfreie Stähle in Chloridumgebungen.

Vorhersage der Lochkorrosionsbeständigkeit (PREN): - Für Legierungen, bei denen PREN informativ ist:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Anwendung: PREN wird hauptsächlich für austenitische und duplex rostfreie Stähle verwendet. Für martensitische Stähle wie 9Cr18 und 9Cr18Mo kann PREN einen Hinweis auf die relative Lochkorrosionsbeständigkeit geben; der Mo-Term erhöht PREN erheblich, sodass 9Cr18Mo eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen lokale Korrosion (insbesondere Loch- und Spaltkorrosion) als 9Cr18 bei gleichem Cr-Gehalt aufweist.

Praktische Hinweise: - 9Cr18 bietet eine gute allgemeine Korrosionsbeständigkeit in leicht korrosiven Atmosphären und wird häufig unverändert für Klingen und Verschleißteile verwendet. - 9Cr18Mo bietet eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion, Spaltangriffe und Spannungsrisskorrosion in chloridhaltigen Umgebungen — lohnenswert, wo eine Oberflächenexposition gegenüber Salzen oder sauren Medien zu erwarten ist. - Für aggressive Umgebungen sollten Passivierungsbehandlungen, Oberflächenbeschichtungen (z.B. Elektrolyse, Umwandlungsbeschichtungen) oder die Spezifizierung rostfreier Familien mit höherer allgemeiner Korrosionsbeständigkeit in Betracht gezogen werden. - Wenn Korrosionsschutz durch Beschichtungen ausgewählt wird: Verzinkung wird typischerweise nicht für gehärtete martensitische rostfreie Teile verwendet, die für den Verschleiß bestimmt sind; Farben, Umwandlungsbeschichtungen oder dünne beschichtete Schichten sind üblicher für den allgemeinen Schutz.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Hochkohlenstoffhaltige martensitische rostfreie Stähle sind im gehärteten Zustand schwieriger zu bearbeiten. Die Bearbeitung erfolgt typischerweise im geglühten Zustand. Die Karbidgröße und -verteilung beeinflussen das Schleifen und die Werkzeuglebensdauer; Mo-haltige Karbide in 9Cr18Mo können leicht unterschiedliche Werkzeugüberlegungen erfordern.
• Formbarkeit: Im gehärteten Zustand begrenzt. Biegen und Formen sollten im geglühten oder normalisierten Zustand erfolgen, um Rissbildung zu vermeiden. Nach dem Formen sind Wärmebehandlungen und Abschreck-/Anlasszyklen üblich.
• Oberflächenveredelung: Beide können auf einen glänzenden Finish poliert werden; 9Cr18Mo kann aufgrund der Karbidverteilung und der leicht höheren Härtbarkeit eine feinere Schneide und Politur halten.
• Wärmebehandlungsüberlegungen für die Verarbeitung: Glühen zum Formen, dann härten/anlassen. Schnelles Abkühlen nach dem Schweißen vermeiden; kontrolliertes Abkühlen und PWHT empfohlen.

8. Typische Anwendungen

9Cr18 (häufige Anwendungen)	9Cr18Mo (häufige Anwendungen)
Messer- und Klingenstähle (Besteck)	Messerblätter und Besteck, bei denen die Widerstandsfähigkeit gegen Lochkorrosion im nassen oder salzigen Einsatz wichtig ist
Kugellager, Verschleißringe für Pumpen (in weniger aggressiven Flüssigkeiten)	Ventile, Pumpenkomponenten, die chloridhaltigen Flüssigkeiten ausgesetzt sind
Ventilsitze, Trimmteile	Komponenten, die höhere Durchdringungshärte erfordern (dickere Abschnitte)
Chirurgische Instrumente (wo Sterilisationskorrosion begrenzt ist)	Teile der chemischen Industrie mit intermittierender Exposition gegenüber Chloriden
Federn und kleine Verschleißteile (wo hohe Härte benötigt wird)	Hochverschleißkomponenten, die auch eine verbesserte lokale Korrosionsbeständigkeit erfordern

Auswahlbegründung: - Wählen Sie 9Cr18, wenn Kostenempfindlichkeit und allgemeine Korrosionsbeständigkeit akzeptabel sind und wenn die Anwendungen hauptsächlich verschleiß- oder härtegetrieben in benignen Umgebungen sind. - Wählen Sie 9Cr18Mo, wenn die gleichen Härte-/Verschleißmerkmale benötigt werden, die Umgebung jedoch Chloride oder saure Bedingungen umfasst oder wenn dickere Abschnitte eine verbesserte Härtbarkeit erfordern, um einheitliche Eigenschaften zu erreichen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: 9Cr18 ist typischerweise günstiger als 9Cr18Mo aufgrund des zusätzlichen Legierungselements (Mo) und der etwas komplexeren Metallurgie. Der Kostenunterschied hängt vom Mo-Gehalt, dem Marktpreis für Mo und der Verarbeitung im Werk ab.
• Verfügbarkeit: Beide Sorten sind häufig in Stab-, Platten- und Streifenformen von spezialisierten rostfreien Werken und Händlern erhältlich. 9Cr18 ist als Handelsware in martensitischer Form breiter verfügbar; 9Cr18Mo kann in einigen Märkten auf Bestellung produziert oder dort gelagert werden, wo die Nachfrage nach Mo-haltigen martensitischen rostfreien Stählen besteht.
• Produktformen: Stäbe, Schmiedeteile, Rohlinge und Präzisionsstreifen/flache Materialien sind üblich. Fertige harte oder geglühte Zustände beeinflussen die Lieferzeiten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitative Bewertung: Gut / Mäßig / Schlecht)

Messgröße	9Cr18	9Cr18Mo
Schweißbarkeit	Mäßig–Schlecht	Mäßig–Schlecht (erfordert Vorwärmung/PWHT)
Festigkeit–Zähigkeit (nach HT)	Hohe Festigkeit, mäßige Zähigkeit	Hohe Festigkeit, leicht verbesserte Zähigkeit in dickeren Abschnitten
Lokale Korrosionsbeständigkeit	Mäßig	Besser (verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion)
Kosten	Niedriger	Höher
Verfügbarkeit	Weit verbreitet	Weit verbreitet, aber manchmal spezialisierter

Empfehlung: - Wählen Sie 9Cr18, wenn Sie einen kosteneffektiven martensitischen rostfreien Stahl mit hoher Härte und Verschleißfestigkeit für Anwendungen in relativ benignen Umgebungen benötigen oder wenn die Bauteilgeometrie dünn und gleichmäßig ist, sodass die Standardhärtung akzeptable Eigenschaften erzeugt. - Wählen Sie 9Cr18Mo, wenn das Bauteil in Umgebungen mit Chloridbelastung oder lokalem Korrosionsrisiko betrieben wird oder wenn dickere Abschnitte eine verbesserte Härtbarkeit erfordern, um eine einheitliche martensitische Umwandlung und mechanische Eigenschaften über den Querschnitt hinweg zu erreichen.

Letzte Beschaffungsnotiz: Geben Sie immer den genauen Zusammensetzungsbereich, die Produktform und den Wärmebehandlungszustand in den Bestellungen an. Fordern Sie Werkszertifikate an und, wo erforderlich, Schweißverfahrensspezifikationen (einschließlich Vorwärmung und PWHT) sowie Korrosionstests oder Passivierungsunterlagen für kritische Anwendungen an.