Cr12 vs Cr12MoV – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Cr12 und Cr12MoV sind hochchromhaltige, hochkohlenstoffhaltige Werkzeugstähle, die weit verbreitet für Kaltbearbeitungswerkzeuge, Schermesser, Stempel und Matrizen verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Auswahldilemma, ob sie die Verschleißfestigkeit (für lange Lebensdauer und enge Toleranzen) oder die Widerstandsfähigkeit gegen Abplatzungen und Brüche (für Stoß- oder unterbrochene Schnitte) priorisieren sollen. Der entscheidende praktische Unterschied zwischen diesen Stählen liegt im Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Verschleißfestigkeit, das durch gezielte Zusätze von Mo und V in Cr12MoV erzeugt wird.

Beide Stähle werden oft verglichen, da sie eine chromreiche, hochkohlenstoffhaltige Grundchemie teilen, die harte Karbide und hohe Härte nach der Wärmebehandlung erzeugt, während Legierungsvariationen bedeutende Unterschiede in der Härtbarkeit, der sekundären Härte und der Karbidverteilung erzeugen – Faktoren, die die Leistung im Einsatz und die Verarbeitungsentscheidungen bestimmen.

1. Normen und Bezeichnungen

Übliche Normen und Bezeichnungen, unter denen Cr12 und Cr12MoV oder eng verwandte Stähle zu finden sind:

• GB/T (China): Cr12 ist eine inländische Bezeichnung; Cr12MoV ist die mit Mo und V legierte Variante.
• EN: Vergleichbare Werkzeugstahlfamilien werden als D-Serie (z.B. D2) oder X-Serie je nach Legierung bezeichnet; Äquivalente sollten durch Chemie überprüft werden.
• JIS: Japanische Werkzeugstahlstandards listen ähnliche hochchromhaltige Kaltarbeitsstähle unter der JS-Serie; genaue chemische Übereinstimmung überprüfen.
• ASTM/ASME: Werkzeugstähle sind unter ASTM A600/A681 für Werkzeugstahlstäbe und andere Spezifikationen abgedeckt – Querverweis nach Zusammensetzung.
• Klassifizierung: Sowohl Cr12 als auch Cr12MoV sind hochkohlenstoffhaltige, hochchromhaltige Kaltarbeitswerkzeugstähle (Werkzeugstahlfamilie). Sie sind nicht rostfrei (im Sinne der Korrosionsbeständigkeit), noch sind sie HSLA-Strukturstähle.

Bestätigen Sie immer die Äquivalenz, indem Sie die tatsächliche chemische Zusammensetzung und die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften in den Lieferzertifikaten überprüfen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Typische nominale Zusammensetzungen (Gew.-%) für kommerzielle Cr12- und Cr12MoV-Qualitäten. Dies sind repräsentative Bereiche, die von Herstellern verwendet werden; überprüfen Sie die tatsächlichen Werkszertifikate für den Einkauf.

Element	Cr12 (typisch, Gew.-%)	Cr12MoV (typisch, Gew.-%)
C	1.35 – 1.65	1.35 – 1.65
Mn	0.20 – 0.60	0.20 – 0.60
Si	0.20 – 0.80	0.20 – 0.80
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	≤ 0.10 (oft Spur)	0.20 – 1.00
V	≤ 0.10 (oft Spur)	0.05 – 0.50
Nb	≤ 0.02	≤ 0.02
Ti	≤ 0.02	≤ 0.02
B	≤ 0.001	≤ 0.001
N	Spur	Spur

Wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen: - Kohlenstoff (C): Primäres Härteelement; hoher C fördert hohe Härte durch Karbidbildung, verringert jedoch Schweißbarkeit und Zähigkeit. - Chrom (Cr): Fördert die Bildung harter Chromkarbide (ähnlich M7C3/M23C6 in hoch-C-Stählen), verbessert die Verschleißfestigkeit und trägt zur Härtbarkeit bei. - Molybdän (Mo): Erhöht die Härtbarkeit, verfeinert die Karbidmatrix, verleiht sekundäre Härte und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und verbessert die Zähigkeit im Vergleich zu einem Mo-freien Gegenstück. - Vanadium (V): Bildet sehr harte, feine Vanadiumkarbide, die die Körnung verfeinern und die Verschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit verbessern; trägt zur sekundären Härte und Zähigkeit bei, indem es die Korngrenzen fixiert. - Mangan und Silizium: Entgasungsmittel und Festigkeits-/Härtbarkeitsmodifikatoren in bescheidenen Mengen. - P, S: Niedrig gehalten, um Sprödigkeit und Bearbeitungsprobleme zu vermeiden.

Cr12 ist optimiert, um den Gehalt an Chromkarbiden für die Verschleißfestigkeit mit minimalem Mo und V zu maximieren. Cr12MoV fügt Mo und V hinzu, um die Härtbarkeit, Zähigkeit und Karbidverteilung zu verbessern, was mit leichten Kostensteigerungen und verringerter Schweißbarkeit einhergeht.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen: - Warmgewalzt oder normalisiert: Mischung aus vergütetem Martensit/Ferrit mit dispergierten chromreichen Karbiden (ähnlich Cr7C3/Cr23C6) und sekundären Karbiden. Cr12 zeigt gröbere Chromkarbide; Cr12MoV zeigt feinere, gleichmäßiger verteilte Karbide mit Mo- und V-reichen Ausfällungen. - Nach Abschrecken und Anlassen: Überwiegend martensitische Matrix mit einem Netzwerk stabiler Chromkarbide und feinen Mo/V-Karbiden für Cr12MoV. Cr12 neigt dazu, größere, kontinuierliche Karbidnetzwerke zu behalten, die die Abriebfestigkeit maximieren, aber als Rissinitiierungsstellen unter Stoßlasten wirken können.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren: Verfeinert die Körnung und hilft, einige Karbide aufzulösen; nützlich vor der Bearbeitung oder weiteren Verarbeitung. - Härten (austenitisieren und abschrecken): Typische Austenitisierungstemperaturen für Werkzeugstähle der Cr12-Familie sind hoch (z.B. 1000–1050°C, abhängig von der Querschnittsgröße und der Zusammensetzung), um Karbide so weit wie möglich aufzulösen für maximale sekundäre Härte; sicherstellen, dass die Anleitung des Lieferanten befolgt wird. Schnelles Abschrecken (Öl oder unterbrochenes Öl) erzeugt Martensit; der Legierungsgehalt steuert das verbleibende Austenit und die Härtbarkeit. - Anlassen: In mehreren Anlasstufen durchgeführt, um verbleibenden Austenit zu reduzieren, sekundäre Härte zu entwickeln (insbesondere in Mo-haltigen Qualitäten) und Spannungen abzubauen. Cr12MoV zeigt oft eine stärkere sekundäre Härte aufgrund von Mo/V-Karbiden; dies ermöglicht ein leicht besseres Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Härte nach dem Anlassen.

Thermomechanische Verarbeitung (kontrolliertes Walzen, Schmieden) kann die Zähigkeit und Gleichmäßigkeit der Karbide verbessern und ist besonders vorteilhaft für Cr12MoV, um seine Legierung für verfeinerte Karbide auszunutzen.

4. Mechanische Eigenschaften

Typische Bereiche mechanischer Eigenschaften nach geeigneter Abschreckung und Anlassen; Werte variieren je nach Wärmebehandlungsrezept, Querschnittsgröße und Lieferant. Bestätigen Sie die Werte aus den Prüfberichten der Werke für das Design.

Eigenschaft	Cr12 (typischer Bereich)	Cr12MoV (typischer Bereich)
Zugfestigkeit (MPa)	900 – 1800	1000 – 2000
Streckgrenze (MPa)	700 – 1500	800 – 1700
Dehnung (%)	2 – 10	2 – 12
Schlagzähigkeit (J, Charpy)	Niedrig bis moderat; verbessert durch Anlassen	Moderat; in der Regel höher als Cr12 bei ähnlicher Härte
Härte (HRC)	55 – 62 (durchgehärtet)	55 – 62 (durchgehärtet); kann in größeren Querschnitten die Härte besser halten

Erklärung: - Festigkeit und Härte werden hauptsächlich durch Kohlenstoff und martensitische Matrix bestimmt; beide Qualitäten können ähnliche Spitzenhärten erreichen. Cr12MoV erreicht oft vergleichbare Härte, während es bessere Zähigkeit und Durchhärtung aufgrund von Mo und V bietet. - Zähigkeit: Cr12MoV ist typischerweise zäher (weniger spröde) bei gleicher Härte, da Mo die Härtbarkeit erhöht und V die Karbide und Korngrenzen verfeinert, wodurch die Neigung zur Rissausbreitung verringert wird. - Duktilität: Beide sind bei hoher Härte niedrig duktil, aber Cr12MoV kann in bestimmten Behandlungen eine marginal höhere Dehnung bieten.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von hochkohlenstoffhaltigen, hochchromhaltigen Werkzeugstählen ist im Allgemeinen herausfordernd. Schlüsselfaktoren: hoher Kohlenstoffgehalt, Karbidnetzwerk und Härtbarkeit.

Branchenspezifische Formeln zur Bewertung der Schweißbarkeit und der Vorwärm-Anforderungen: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Detailliertere Parameter (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: - Beide Formeln zeigen den Einfluss von C, Cr, Mo und V auf die Härtbarkeit und die Neigung zu Kaltbrüchen. Höhere Werte deuten auf einen Bedarf an Vorwärmung, kontrollierter Wärmezufuhr und Nachbehandlung hin. - Cr12 (mit hohem C und Cr) erfordert typischerweise erhebliches Vorwärmen und Nachbehandlung; die Schweißbarkeit ist ohne strenge Verfahren schlecht. - Cr12MoV, mit zusätzlichem Mo und V, erhöht die Härtbarkeit und kann die CE/Pcm-Werte weiter erhöhen, was die Schweißbarkeit in Bezug auf das Rissrisiko verschlechtern kann, aber kontrollierte Schweißverfahren und passende Füllmetalle mit ähnlicher oder leicht niedrigerer Härtbarkeit, Vorwärmung zur Verringerung der Abkühlrate und lokale Nachbehandlung können akzeptable Verbindungen erzeugen. - Beste Praxis: Vermeiden Sie Schweißen, wenn möglich; bevorzugen Sie mechanische Befestigungen oder Löten. Wenn Schweißen notwendig ist, konsultieren Sie die Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) des Materiallieferanten und führen Sie Qualifikationstests durch.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

Weder Cr12 noch Cr12MoV sind rostfrei im allgemeinen Sinne; ihr Chromgehalt verbessert die Korrosionsbeständigkeit leicht im Vergleich zu einfachem Kohlenstoffstahl, bietet jedoch keine Passivierung, die mit rostfreien Legierungen vergleichbar ist.

• Oberflächenschutzoptionen: Galvanisieren, Feuerverzinken (begrenzt für Werkzeugstähle aufgrund von Änderungen in der Wärmebehandlung), Lackieren, Pulverbeschichten und anwendungsspezifische Beschichtungen wie PVD/CVD, Hartverchromung oder Nitrieren zur Verbesserung der Oberflächenlebensdauer und Korrosionsschutz.
• Thermochemische Behandlungen: Nitrieren kann die Oberflächenhärte und die Verschleißleistung für bestimmte Werkzeugstahlqualitäten verbessern, muss jedoch gegen die gewünschten Abmessungen und Zugfestigkeiten bewertet werden.
• Die PREN-Formel ist für diese nicht rostfreien Werkzeugstähle nicht anwendbar: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Die Verwendung von PREN ist nur für korrosionsbeständige rostfreie Stähle sinnvoll; für Cr12-Familienstähle bestimmen Oberflächenschutz und Beschichtungen die Korrosionsleistung im Einsatz.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Im geglühten Zustand sind beide Qualitäten bearbeitbar, aber schwieriger als niedriglegierte Stähle aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts und harter Karbide. Cr12MoV kann aufgrund feiner Mo/V-Karbide etwas weniger bearbeitbar sein; verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge, hohe Schnittgeschwindigkeiten und starre Aufbauten. Grobe Bearbeitung erfolgt typischerweise im geglühten Zustand.
• Schleifen und Finish: Beide erfordern Schleifmittel, die für harte Karbide geeignet sind; die gröberen Karbide von Cr12 können Vibrationen erzeugen, wenn die Werkzeuge nicht optimiert sind.
• Umformen und Biegen: Eingeschränkte Kaltformbarkeit aufgrund des hohen Kohlenstoff- und Karbidgehalts; Umformen erfolgt normalerweise im geglühten Zustand oder wird vermieden. Warmumformen ist möglich, erfordert jedoch Nachwärmung und vollständige Wärmebehandlung.
• Überlegungen zur Wärmebehandlung: Verzerrungsrisiko während des Härtens und Anlassens erfordert sorgfältige Vorrichtungen und Bearbeitungszugaben.

8. Typische Anwendungen

Cr12 (häufige Anwendungen)	Cr12MoV (häufige Anwendungen)
Schermesser, Guillotinemesser	Schwerlaststempel und Matrizen, die Stoß und Verschleiß ausgesetzt sind
Schneidermesser, Kalt-Schneidwerkzeuge	Progressivwerkzeugkomponenten, bei denen Durchhärtung und Zähigkeit erforderlich sind
Kunststoffformhohlräume für abrasive Materialien	Hochbelastbare Stanz- und Trimmwerkzeuge mit unterbrochenem Schnitt
Verschleißplatten mit moderater Stoßbelastung	Werkzeuge, die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Abplatzungen und längere Lebensdauer in größeren Querschnitten erfordern

Auswahlbegründung: - Wählen Sie Cr12, wenn maximale Abriebfestigkeit und Kostenwirksamkeit wichtig sind und die Belastung überwiegend kontinuierlich (gleitender oder gleichmäßiger Abrieb) mit begrenztem Stoß oder Schock ist. - Wählen Sie Cr12MoV, wenn das Werkzeug höheren Stößen, intermittierenden Schnitten, größeren Querschnitten, bei denen Durchhärtung entscheidend ist, oder wenn leicht höhere Zähigkeit und Widerstand gegen Rissausbreitung erforderlich sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: Cr12 ist im Allgemeinen kostengünstiger als Cr12MoV aufgrund des Fehlens von Molybdän und signifikantem Vanadium. Mo und V sind teurere Legierungselemente und erhöhen die Produktionskosten.
• Verfügbarkeit: Beide Qualitäten sind weit verbreitet bei Werkzeugstahlproduzenten und Dienstleistungszentren in gängigen Produktformen (Rundstäbe, Flachstäbe, Platten, gehärtete und angelassene Blöcke). Cr12-Varianten ohne Mo/V können in Rohstoffbatches etwas verbreiteter und günstiger sein; Cr12MoV kann eine Bestandsplanung für Spezialgrößen oder Wärmebehandlungszustände erfordern.
• Produktformen: Stäbe, Platten und vorgehärtete Blöcke; geschmiedete und geglühte Rohlinge sind für beide erhältlich, mit Vorlaufzeiten, die von Wärmebehandlung und Bearbeitungsdiensten abhängen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Eigenschaft	Cr12	Cr12MoV
Schweißbarkeit	Schlecht; erfordert strenge Vorwärmung/Nachwärmung	Schlecht bis moderat; erfordert sorgfältige Kontrolle, kann durch CE schlechter sein, bietet jedoch Möglichkeiten zur Verringerung des Rissrisikos
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Hohe Härte und Verschleißfestigkeit; geringere Zähigkeit	Ähnliche Spitzenhärte, aber verbesserte Zähigkeit und Durchhärtung
Kosten	Niedriger	Höher

Empfehlung: - Wählen Sie Cr12, wenn Sie einen kosteneffektiven, hochverschleißfesten Kaltarbeitswerkzeugstahl für abrasiven Gleitschleiß, feine Schnittanwendungen oder Anwendungen benötigen, bei denen die Stoßbelastung begrenzt ist und Schweißen vermieden werden soll. - Wählen Sie Cr12MoV, wenn die Anwendung unterbrochene Schnitte, höhere Stoß- oder Schocklasten, größere Querschnittsgrößen, bei denen Durchhärtung wichtig ist, oder wenn Sie ein besseres Gleichgewicht zwischen Zähigkeit ohne signifikante Oberflächenhärteeinbußen benötigen – wobei Sie höhere Materialkosten und die Notwendigkeit sorgfältiger Wärmebehandlungs- und Schweißverfahren akzeptieren.

Letzte praktische Anmerkung: Überprüfen Sie immer die Lieferzertifikate des Werks auf Chemie und Wärmebehandlungspraktiken, führen Sie Versuchswärmebehandlungen und Dienstleistungsprüfungen für kritische Werkzeuge durch und konsultieren Sie die Datenblätter des Stahlherstellers, um die spezifische Variante (z.B. genaue Mo- und V-Gehalte) an Ihre Anwendungsbedürfnisse anzupassen.