CR3 vs CR4 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

CR3 und CR4 sind kommerzielle kaltgewalzte Stahlgüten, die häufig in der Umformung und in strukturellen Anwendungen in den Bereichen Automobil, Haushaltsgeräte und allgemeine Fertigung eingesetzt werden. Ingenieure und Beschaffungsfachleute stehen häufig vor der Wahl zwischen ihnen, wenn es darum geht, Umformbarkeit, Festigkeit, Kosten und nachgelagerte Verarbeitung (Beschichtung, Schweißen oder Umformen) abzuwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl einer Güte für Tiefziehen im Vergleich zu moderatem Stanzen, die Wahl eines Materials, das mit bestimmten Beschichtungsanlagen kompatibel ist, oder die Optimierung des Teileertrags bei gleichzeitiger Minimierung von Rückfederung und Rissbildung.

Der wesentliche technische Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass CR4 darauf ausgelegt ist, eine verbesserte Umformleistung (verbesserte Duktilität und Ziehfähigkeit) im Vergleich zu CR3 zu bieten; beide sind Varianten von kaltgewalztem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die sich in Chemie und mechanischen Eigenschaften überschneiden, und die Auswahl wird oft durch den Verarbeitungsweg und die Anforderungen an die Oberflächenbehandlung bestimmt, anstatt durch radikal unterschiedliche Legierungschemien.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Systeme, in denen kaltgewalzte Stähle (kommerziell als CR1–CR4 oder ähnliche Qualitätsbänder beschrieben) erscheinen:
• EN (Europäisch): EN 10130 (kaltgewalzte Flachprodukte aus niedriglegiertem Stahl für die Kaltumformung) und verwandte Produktspezifikationen.
• ASTM/ASME: Keine universelle "CR3/CR4"-Bezeichnung in ASTM; ähnliche Stähle werden durch Produktstandards und Anforderungen an mechanische Eigenschaften spezifiziert.
• JIS (Japan): Kaltgewalzte Bleche und Bänder haben Grad-Systeme (z. B. SPCC, SPCD) anstelle von CR3/CR4-Bezeichnungen, aber funktional vergleichbare Klassen existieren.
• GB (China): Nationale Standards für kaltgewalzte Stähle (z. B. Q195–Q345-Serie und kaltgewalzte Äquivalente).
• Klassifizierung: Sowohl CR3 als auch CR4 sind kaltgewalzte Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstahl, nicht hochlegiert) in der Familie der milden/Kohlenstoffstähle. Sie sind standardmäßig nicht rostfrei oder HSLA, obwohl mikrolegierte Varianten für spezifische Anwendungen existieren.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Im Folgenden finden Sie einen repräsentativen, qualitativen Vergleich der chemischen Bestandteile für CR3 und CR4. Exakte Zusammensetzungen sind lieferanten- und normabhängig; überprüfen Sie die Mill-Zertifikate für Beschaffung oder Design.

Legierungsstrategie: Für CR3/CR4 liegt der Schwerpunkt auf der Aufrechterhaltung eines sehr niedrigen Kohlenstoffgehalts sowie kontrolliertem Mn und Si, um eine gute Kaltumformbarkeit und Schweißbarkeit zu gewährleisten. CR4-Güten werden typischerweise produziert oder wärmebehandelt, um eine verbesserte Duktilität zu verleihen (z. B. weichere Temperglühung, kontrollierte Abkühlung oder interkritische Glühung), anstatt durch signifikante Änderungen der Legierungselemente.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostrukturen: Sowohl CR3 als auch CR4 haben typischerweise eine ferritische (raumzentrierte kubische, BCC) Mikrostruktur mit feinem Perlit oder sehr niedrigem Karbidgehalt, abhängig von Kohlenstoff und thermischer Vorgeschichte. Wenn sie als kaltgewalztes Blech mit Glühung hergestellt werden, ist eine nahezu vollständig ferritische Struktur mit gleichmäßig verteilten sehr feinen Karbiden/Nitriden üblich.
• Verarbeitungseffekte:
• Rekristallisationsglühung (üblich für kaltgewalztes Blech): Produziert eine weiche, duktilere, feinkörnige ferritische Matrix, die die Umformbarkeit maximiert. CR4 wird oft mit Glühungen oder kontrollierten Abkühlplänen geliefert, die für höhere Dehnung und niedrigere Streckgrenze optimiert sind, um das Tiefziehen zu unterstützen.
• Tempern / Backhärtung: Backhärtbare Varianten können durch Kontrolle des gelösten Kohlenstoffs und Stickstoffs hergestellt werden; diese Behandlungen erhöhen die Streckgrenze nach Lackier-/Backzyklen und finden sich in Automobilanwendungen.
• Thermo-mechanische Verarbeitung: Wenn der Lieferant thermo-mechanisches Walzen + kontrollierte Abkühlung anwendet, kann die Mikrostruktur verfeinert werden, um ein besseres Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Umformbarkeit zu erzielen; solche Behandlungen sind typischer, wenn spezifische mechanische Ziele erforderlich sind und können die Unterschiede zwischen CR3 und CR4 verwischen.
• Härtbarkeit: Beide Güten sind aufgrund des niedrigen Kohlenstoff- und Legierungsgehalts niedrig in der Härtbarkeit; sie reagieren schlecht auf Durchhärtung, aber gut auf Oberflächenbehandlungen und Kaltverformung.

4. Mechanische Eigenschaften

Repräsentative mechanische Eigenschaften für kaltgewalzte Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt werden mehr durch Kaltverringerung und Glühzyklen als durch strenge Gütebezeichnungen beeinflusst. Die folgende Tabelle fasst das typische Verhalten zusammen; überprüfen Sie die Prüfberichte der Mühle für die Beschaffung.

Erklärung: CR4 wird häufig geliefert oder verarbeitet, um eine niedrigere Streckgrenze und eine höhere Dehnung für verbesserte Umformung zu erreichen; CR3 kann verwendet werden, wenn leicht höhere Festigkeit oder Kosteneinsparungen wichtig sind und die Umformanforderungen weniger streng sind.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von kaltgewalzten Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist aufgrund der niedrigen Kohlenstoffäquivalente im Allgemeinen gut, aber die lokale Zusammensetzung und Mikrolegierung beeinflussen die Anfälligkeit für Kaltverriss und HAZ-Härtung.

Nützliche Kohlenstoffäquivalentformeln (qualitativ interpretieren; keine numerische Zusammensetzung ohne Überprüfung ersetzen): - International Institute of Welding Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Umfassenderes 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: - Sowohl CR3 als auch CR4 weisen typischerweise niedrige $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte auf, aufgrund des sehr niedrigen Kohlenstoff- und Legierungsgehalts, was auf eine günstige Schweißbarkeit mit Standard-Schmelzprozessen und gängigen Füllmetallen hinweist. - Der niedrigere effektive Kohlenstoffgehalt und die weichere Temperierung von CR4 reduzieren im Allgemeinen das Risiko der HAZ-Härtung und die Anfälligkeit für Kaltverriss, wodurch die Anforderungen an Vorwärmung und Nachschweißwärmebehandlung im Vergleich zu hochfesten Stählen weniger anspruchsvoll sind. - Mikrolegierungselemente (Nb, V, Ti), wenn sie in Spuren vorhanden sind, können lokal die Härtbarkeit erhöhen; spezifizieren Sie das Schweißverfahren basierend auf der zertifizierten Zusammensetzung und verwenden Sie geeignete Vorwärm-/Zwischenpass-Temperaturen, wenn der Mikrolegierungsgehalt $P_{cm}$ erhöht.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Nicht rostfreie Natur: Weder CR3 noch CR4 sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit ist typisch für unlegierten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Für atmosphärische oder äußere Anwendungen sind Schutzsysteme erforderlich.
• Übliche Schutzmaßnahmen: Feuerverzinkung, elektrolytische Verzinkung, Zink-Eisen-Beschichtungen, organische Farbsysteme, Pulverbeschichtungen oder Umwandlungsbeschichtungen (Phosphat) sind Standardoptionen. Die Auswahl hängt von der beabsichtigten Umgebung, der Umformung (Beschichtung vor oder nach der Umformung) und den VOC- oder Prozessbeschränkungen beim Lackieren ab.
• Rostfreie Indizes: PREN gilt nicht für CR3/CR4, da sie keine rostfreien Legierungen sind. Für rostfreie Stähle würde man verwenden: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Beschichtungspraktiken: Für Tiefzieh-Anwendungen sollten nach der Beschichtung oder prozesskompatible Beschichtungen in Betracht gezogen werden, die Umformungsbelastungen tolerieren; z. B. elektrolytische Verzinkung oder bestimmte organische Beschichtungen, die auf die Umformbarkeit der Güte abgestimmt sind, um Rissbildung zu vermeiden.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit

• Umformbarkeit: CR4 ist auf verbesserte Umformbarkeit (höhere gleichmäßige Dehnung, niedrigere Streckgrenze) ausgelegt, was es bevorzugt für Tiefziehen, komplexes Stanzen und Teile macht, die enge Biegeradien erfordern. Die Rückfederung neigt dazu, in der weicheren Temperierung von CR4 geringer zu sein.
• Biegen und Stanzen: CR4 toleriert größere Dehnungen, bevor es zu einem Nacken kommt. Die Werkzeuglebensdauer kann sich verbessern, wenn weicheres Material geformt wird, erfordert jedoch möglicherweise Aufmerksamkeit für den Werkzeugabstand und die Schmierung, um Oberflächenfehler zu vermeiden.
• Schneiden und Stanzen: Beide Güten lassen sich ähnlich bearbeiten und schneiden; sehr niedrige Einschlüsse und kontrollierte Oberflächenqualität (oft mit höheren CR-Zahlen assoziiert) reduzieren Kantenrisse und Grat.
• Bearbeitbarkeit: Niedriglegierte Stähle haben eine angemessene Bearbeitbarkeit; schwefelhaltige oder bleihaltige Varianten sind besser bearbeitbar, aber weniger umformbar – diese sind für CR4, das auf Umformbarkeit abzielt, nicht typisch.
• Oberflächenfinish: CR4 wird häufig mit Oberflächenfinish und Coillubrikanten geliefert, die für die Umformung optimiert sind; wählen Sie geeignete Umformschmierstoffe und Werkzeugmaterialien, um die Oberflächenqualität zu erhalten.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: Wählen Sie CR4, wenn die Komplexität der Umformung und die Integrität des Teils während des Tiefziehens/Stanzens dominierende Anforderungen sind. Wählen Sie CR3, wenn die Umformung moderat ist, die Kostensensibilität größer ist und eine höhere Festigkeit oder leicht niedrigere Duktilität akzeptabel ist.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: CR4 ist oft kostengünstig im Vergleich zu CR3 bei großen Mengen, da die Grundchemie ähnlich ist; jedoch können Verarbeitungsschritte (spezielle Glühungen oder Oberflächenbehandlungen), um eine überlegene Umformbarkeit zu erreichen, einen Aufpreis verursachen. In vielen Märkten hat CR4 einen moderaten Aufpreis gegenüber CR3, wenn es mit zertifizierter verbesserter Umformbarkeit oder spezifischen Glühbehandlungen geliefert wird.
• Verfügbarkeit nach Produktform: Beide Güten sind häufig als kaltgewalzte Coils, Bleche und maßgeschneiderte Zuschnitte erhältlich. Die Verfügbarkeit hängt von den regionalen Beständen der Mühle und davon ab, ob der Kunde zusätzliche Verarbeitung anfordert (z. B. Hautpass, spezielle Glühung oder Vorbeschichtung).
• Beschaffungstipp: Geben Sie die erforderlichen mechanischen Eigenschaften (Streckgrenze, Dehnung, Zugfestigkeit) und Umformanforderungen an, anstatt nur die CR3/CR4-Bezeichnung; dies stellt sicher, dass die Mühlen den geeigneten Verarbeitungsweg bereitstellen können und verringert die Unklarheit bei der Preisgestaltung.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie CR3, wenn Sie einen kosteneffizienten kaltgewalzten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt für Teile mit moderaten Umformanforderungen benötigen, bei denen leicht höhere Streckgrenze oder verfügbare Bestände wichtig sind. - Wählen Sie CR4, wenn das Teil überlegene Umformbarkeit oder Tiefziehen erfordert (Minimierung von Rissbildung und Rückfederung), verbesserte Oberflächenqualität nach der Umformung oder wenn die Prozessrobustheit beim Stanzen entscheidend ist.

Letzte Anmerkung zur Beschaffung und Technik: Da CR3- und CR4-Bezeichnungen von Mühlen und regionalen Lieferanten unterschiedlich verwendet werden können, ist es am sichersten, die erforderlichen mechanischen Eigenschaften (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung), Oberflächenfinish und alle Beschichtungs- oder Backanforderungen in den Einkaufsunterlagen zu definieren. Fordern Sie die Prüfzeugnisse der Mühle an und führen Sie, wo die Umformung entscheidend ist, Umformversuche durch oder fordern Sie Umformdaten (z. B. Erichsen-Kuppel, begrenzte Kuppelhöhe) an, um die ausgewählte Güte zu validieren.