CR4 vs CR5 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

CR4 und CR5 sind kaltgewalzte, niedriglegierte Stahlgüten, die weit verbreitet in Blechanwendungen eingesetzt werden, bei denen Formgüte, Oberflächenfinish und Maßkontrolle entscheidend sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen oft vor der Wahl zwischen ihnen, wenn sie Materialien für gestanzte Automobilbleche, tiefgezogene Gehäuse von Geräten oder präzise gefertigte Gehäuse spezifizieren. Die Auswahl balanciert typischerweise Formbarkeit gegenüber Festigkeit und Kosten sowie nachgelagerte Prozessbeschränkungen wie Schweißen und Beschichten.

Der wesentliche praktische Unterschied zwischen den beiden Güten liegt in ihrer relativen Eignung für anspruchsvolle Ziehoperationen: Eine Güte ist für sehr hohe tiefziehbare Formbarkeit optimiert (verbesserte Zieh- und Flanschfähigkeit), während die andere ein leicht höheres Festigkeits-/Zähigkeitsverhältnis für Anwendungen bietet, bei denen die Ziehschwere moderat ist. Da beide Güten kaltgewalzt und geglüht werden, um eine feine ferritische Mikrostruktur und kontrollierte Oberflächenbedingungen zu erzeugen, werden sie häufig während der Materialauswahl für formintensive Produktionen verglichen.

1. Normen und Bezeichnungen

Kaltgewalzte, allgemeine und ziehfähige Stähle werden durch mehrere nationale und internationale Normen abgedeckt. Während die Nomenklatur CR4/CR5 in kommerziellen und Lieferantenkatalogen häufig verwendet wird, sind äquivalente oder verwandte Güten in diesen Spezifikationen zu finden:

• ASTM / ASME: A1008 / A1008M (kaltgewalzt, Handelsqualität, ziehfähige Varianten)
• EN: EN 10130 (kaltreduzierte, unlegierte Stähle für die Kaltumformung)
• JIS: G3141 (kommerziell erhältliche kaltgewalzte Stähle und tiefziehfähige Güten)
• GB/T (China): Verschiedene Standards für kaltgewalzte Bleche, die niedriglegierte Ziehstäle abdecken

Klassifizierung: Sowohl CR4 als auch CR5 sind unlegierte, niedriglegierte kaltgewalzte Stähle (nicht rostfrei, nicht Werkzeugstahl, nicht HSLA), die typischerweise für die Kaltumformung und Anwendungen mit exponierter Oberfläche vorgesehen sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die Chemie von CR4 und CR5 ist absichtlich einfach: sehr niedriger Kohlenstoff, eng kontrolliertes Silizium, Mangan und minimale Verunreinigungen (P, S). Mikrolegierungszusätze (Ti, Nb, V, B) sind in standardmäßigen Ziehstälen normalerweise nicht vorhanden oder in geringen Mengen; wenn sie vorhanden sind, werden sie sorgfältig kontrolliert, da sie die Korngröße, Rekristallisation und Formbarkeit beeinflussen.

Element	CR4 (typische Strategie)	CR5 (typische Strategie)
C	Sehr niedrig — minimal gehalten, um Formbarkeit und Schweißbarkeit zu maximieren	Extrem niedrig — weiter optimiert, um Ziehfähigkeit zu verbessern und Härtevermögen zu reduzieren
Mn	Kontrolliert (moderat), um Festigkeit und Walzfähigkeit zu unterstützen	Kontrolliert; oft ähnlich wie CR4
Si	Niedrig — Deoxidationskontrolle; begrenzt, um Versprödung zu vermeiden	Niedrig — ähnliche Begründung
P	Streng begrenzt (Verunreinigung)	Streng begrenzt
S	Kontrolliert (oft ≤0,01–0,02%)	Kontrolliert; kann niedriger sein für verbesserte Oberflächenqualität
Cr, Ni, Mo	Typischerweise Spuren oder nicht vorhanden in standardmäßigen Ziehstälen	Typischerweise Spuren oder nicht vorhanden
V, Nb, Ti	Allgemein nicht absichtlich für standardmäßige CR-Güten hinzugefügt; wenn vorhanden, in sehr niedrigen Mikrolegierungsniveaus	Kann in speziellen Varianten in Spurenmengen eingesetzt werden, um die Textur anzupassen, ist jedoch in einfachem CR5 nicht üblich
B	Nicht typisch in ziehfähigen CR-Güten	Nicht typisch
N	Niedrig und kontrolliert	Niedrig und kontrolliert

Wie Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen: - Kohlenstoff: primäre Kontrolle über Festigkeit und Härtevermögen; niedriger Kohlenstoff verbessert die Zähigkeit und Schweißbarkeit, reduziert jedoch die Festigkeit im gewalzten Zustand. - Mangan und Silizium: bieten Deoxidation und moderate Verstärkung; übermäßiges Mn kann CE erhöhen und die Schweißbarkeit beeinträchtigen. - Mikrolegierung und Verunreinigungen: Spuren von Mikrolegierung können die Korngröße verfeinern, müssen jedoch gegen Textureffekte abgewogen werden, die die Tiefziehfähigkeit beeinflussen.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Mikrostruktur: - Sowohl CR4 als auch CR5 werden verarbeitet, um eine überwiegend ferritische (α-Eisen) Mikrostruktur mit feinen, äquiaxialen Körnern nach dem Glühen und der Rekristallisation zu erzeugen. Die endgültige Korngröße und die kristallographische Textur (Ebene und Richtung der Körner) sind entscheidend für die Tiefziehleistung.

Typische Verarbeitungswege und -effekte: - Rekristallisationsglühen (kontinuierliches oder Batch-Glühen) gefolgt von kontrollierter Abkühlung und möglichem Hautpass: Produziert eine uniforme, feine ferritische Mikrostruktur und eine kristallographische Textur, die die planare Anisotropie (r-Wert) und die Tiefziehfähigkeit bestimmt. - Normalisieren: Nicht typisch für kaltgewalzte Ziehstäle; wird selten verwendet, wenn eine andere Mikrostruktur erforderlich ist. - Härten und Anlassen: Nicht anwendbar — CR-Güten sind nicht wärmebehandelbare Stähle, die für die Kaltumformung vorgesehen sind. - Thermo-mechanische Verarbeitung: In maßgeschneiderten Varianten können kontrollierte Walz- und Glühzyklen die Korngröße verfeinern und die Textur steuern, um die Ziehfähigkeit und die Flanschfähigkeit zu verbessern.

CR5-Varianten, die für extremes Tiefziehen vorgesehen sind, erhalten oft Glühzyklen und Walzpläne, die optimiert sind, um einen höheren durchschnittlichen r-Wert und eine günstigere planare Anisotropie zu erzeugen, wodurch die lokale Verdünnung während des intensiven Ziehens reduziert wird.

4. Mechanische Eigenschaften

Für kaltgewalzte Ziehstäle variieren die absoluten Werte je nach Anbieter, Temper und abschließendem Glühen. Der bedeutende Vergleich ist die relative Leistung in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit und Schlagzähigkeit.

Eigenschaft	CR4 (typisch)	CR5 (typisch)
Zugfestigkeit	Moderat — entspricht den Bereichen für niedriglegierte kaltgewalzte Bleche	Ähnlich oder leicht niedriger (Kompromiss zur Gewinnung von Formbarkeit)
Streckgrenze	Moderat	Oft leicht niedriger, um die Ziehfähigkeit zu verbessern
Dehnung (Zähigkeit)	Gut	Höher — optimiert für Tiefziehen
Schlagzähigkeit	Gut bei Raumtemperatur	Vergleichbar; der Fokus liegt auf Zähigkeit statt auf verbesserter Schlagzähigkeit
Härte	Niedrig bis moderat (weich geglüht)	Niedrig — weicher, um mehr Verformung vor dem Einschnüren zuzulassen

Welcher ist stärker/zäher/duktiler und warum: - CR4 bietet eine ausgewogene Kombination aus Festigkeit und Formbarkeit für viele Stanzoperationen. - CR5 ist auf höhere Formbarkeit abgestimmt (größere Dehnung und bessere Widerstandsfähigkeit gegen lokale Verdünnung) und weist daher typischerweise leicht niedrigere Streck- und Zugfestigkeiten im geglühten Zustand auf, während es verbesserte Zähigkeit für anspruchsvolle Umformungen bietet.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von kaltgewalzten Ziehstälen ist aufgrund des sehr niedrigen Kohlenstoffgehalts im Allgemeinen gut. Bewertungen verwenden typischerweise Kohlenstoffäquivalenzformeln, um die Anfälligkeit für Kaltverzug in der wärmebeeinflussten Zone abzuschätzen.

Übliche Schweißbarkeitsindizes: - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Internationale Formel für Schweißbarkeit (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: - Niedrigere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte deuten auf bessere Schweißbarkeit und geringere Vorwärmeanforderungen hin. Sowohl CR4 als auch CR5 haben niedrigen Kohlenstoff und minimale Legierung, sodass ihre Kohlenstoffäquivalente typischerweise niedrig sind und sie leicht mit gängigen Methoden (MIG/MAG, TIG, Widerstandsschweißen) mit Standardpraktiken geschweißt werden können. - CR5’s leicht niedrigerer Kohlenstoffgehalt und kontrollierte Verunreinigungen geben ihm im Allgemeinen einen kleinen Vorteil in der Schweißbarkeit für komplexe, dünnwandige Anwendungen, bei denen das Minimieren des Risikos von HAZ-Versprödung wichtig ist. Da CR5 jedoch weicher sein kann, sollten Schweißverzug und Wärmeinput dennoch kontrolliert werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

Weder CR4 noch CR5 sind rostfrei; daher sind Korrosionsschutzstrategien für exponierte Anwendungen erforderlich.

• Übliche Schutzmaßnahmen: Feuerverzinkung, elektrolytische Verzinkung, Coil-Beschichtungen, Umwandlungsbeschichtungen und organische Farbsysteme.
• Oberflächenvorbereitung: Beizen und Phosphatieren oder Vorbehandlung werden häufig verwendet, um die Haftung der Beschichtung zu fördern.

Wenn rostfreie Indizes relevant sind: - Für rostfreie Stähle wird die Äquivalenzzahl für Lochkorrosionsbeständigkeit (PREN) verwendet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - PREN gilt nicht für CR-Güten, da Cr und Mo in vernachlässigbaren Mengen vorhanden sind. Der Korrosionsschutz von CR4/CR5 muss durch Beschichtungen und Design (z. B. Entwässerung, Kantenschutz) erreicht werden.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden: Beide Güten lassen sich ähnlich bearbeiten und schneiden; die Gratbildung wird durch die Blechqualität und das Werkzeug kontrolliert.
• Biegen: CR5 toleriert im Allgemeinen engere Biegeradien und stärkere Zugbiegungen ohne Rissbildung aufgrund überlegener Zähigkeit und Anisotropiekontrolle.
• Zeichnen/Umformen: Dies ist der entscheidende Bereich. CR5 ist für höhere Tiefziehfähigkeit ausgelegt — bessere Ziehnahtleistung, verbesserte Dehnflanschfähigkeit und reduzierte Ohrenneigung beim Becherziehen. CR4 bietet gute Formbarkeit für standardmäßige Stanzoperationen, kann jedoch modifiziertes Werkzeug oder Schmierung für hohe Ziehverhältnisse erfordern.
• Finish: Oberflächenfinish und Hautpasskontrolle sind ähnlich; CR5-Varianten, die für kritische sichtbare Paneele vorgesehen sind, können engere Oberflächenqualitäts-Toleranzen und niedrigere Einschlüsse erhalten.

Praktischer Hinweis: Werkzeug, Schmierung, Haltekraft und Glühen interagieren alle mit der Materialauswahl. Ein Material mit sehr hoher Ziehfähigkeit kann Rückfederung und Umformfehler reduzieren, aber die Prozesseinstellungen müssen dennoch optimiert werden.

8. Typische Anwendungen

CR4 — Typische Anwendungen	CR5 — Typische Anwendungen
Allgemeine Außenbleche für Automobile mit moderatem Ziehen	Hochkomplexe Innenbleche für Automobile und stark gezogene Karosserieteile
Gerätebleche (Waschmaschinen, Trockner) mit moderater Formung	Tiefgezogene Gehäuse und Komponenten von Geräten mit anspruchsvoller Geometrie
Elektrische Gehäuse und gefertigte Schränke	Komplexe Rohlinge für Kochgeschirr/Hauswaren und Mehrfachziehteile (wo lebensmittelsichere Beschichtungen aufgetragen werden)
Allgemeine Fertigung, wo Kostenbalance wichtig ist	Hochvolumen-Stanzprozesse, die minimale Ablehnung durch Verdünnung oder Faltenbildung erfordern

Auswahlbegründung: - Wählen Sie CR4, wenn die Formschwere moderat ist, wenn ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Formbarkeit erforderlich ist und wenn die Kosten eine primäre Rolle spielen. - Wählen Sie CR5 für Teile, die mehrere Ziehungen, hohe Ziehverhältnisse, minimale Verdünnung und enge Erscheinungs-/Funktionstoleranzen erfordern.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: CR5 hat typischerweise einen moderaten Aufpreis im Vergleich zu CR4 aufgrund der engeren Kontrolle der Chemie, Glühzyklen und Texturkontrolle, die erforderlich sind, um sehr hohe Ziehfähigkeit zu erreichen.
• Verfügbarkeit: CR4 ist weit verbreitet von großen Walzwerken und Servicezentren in mehreren Produktformen (Coils, geschnittene Bleche) erhältlich. CR5 kann weniger verbreitet sein und in einigen Regionen als Spezial- oder Premium-Ziehprodukt angeboten werden; die Lieferzeiten können je nach Beschichtungs- und Temperanforderungen variieren.
• Produktformen: Beide Güten werden häufig in kaltgewalzten Coils und geschnittenen Längen geliefert; verzinkte und vorlackierte Formen sind weit verbreitet für CR4 und CR5, wenn Korrosionsschutz angefordert wird, obwohl spezifische beschichtete CR5-Lose möglicherweise begrenzter sind.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Metrik	CR4	CR5
Schweißbarkeit	Gut	Sehr gut (leicht besser aufgrund niedrigerer C/Verunreinigungen)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Ausgewogen	Leicht niedrigere Festigkeit, aber höhere Zähigkeit für die Umformung
Kosten	Niedriger	Höher (Aufpreis für verbesserte Formbarkeit)

Empfehlung: - Wählen Sie CR4, wenn Sie ein kosteneffektives kaltgewalztes Blech für standardmäßige Stanzungen, leichte Strukturpaneele und Anwendungen benötigen, bei denen die Formschwere moderat ist und Verfügbarkeit sowie Versorgungssicherheit Priorität haben. - Wählen Sie CR5, wenn Ihre Teile starkes oder mehrstufiges Tiefziehen mit engen Toleranzen bei Verdünnung und Ohrenbildung erfordern, wenn Sie die höchste planare Zähigkeit und Ziehfähigkeit von einem nicht rostfreien kaltgewalzten Blech benötigen oder wenn das Minimieren der Teileablehnung aufgrund von Formbarkeitsproblemen entscheidend ist, trotz eines moderaten Materialaufschlags.

Abschließende praktische Hinweise: Geben Sie die erforderliche Temper, Beschichtung und Oberflächenfinish in den Beschaffungsdokumenten an; fordern Sie Lieferantendaten zum r-Wert (planare Anisotropie) und zur Ziehprüfung für sowohl CR4 als auch CR5 an, um die reale Formbarkeit für das vorgesehene Werkzeug und das Schmierungssystem zu validieren.