GCr15 vs GCr15Mo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

GCr15 und GCr15Mo sind zwei eng verwandte Wälzlagerstähle, die häufig für Wälzlager, Wellen und andere hochbelastete, verschleißanfällige Komponenten spezifiziert werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Produktionsplaner wägen routinemäßig Kompromisse wie Kosten, Ermüdungslebensdauer, Härtbarkeit und Nachbearbeitung nach dem Schweißen ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl des kosteneffektivsten Materials für Standardlager im Vergleich zur Spezifikation eines leicht legierten Stahls, wenn eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Anlassen oder überlegene Ermüdungsleistung erforderlich ist.

Der wesentliche technische Unterschied ist die Zugabe von Molybdän in GCr15Mo; dieses Legierungselement erhöht die Härtbarkeit und verbessert den Anlaswiderstand, was sich in einer besseren Ermüdungsleistung unter hohen Kontaktspannungen niederschlagen kann. Da die Zusammensetzung und Wärmebehandlung die Mikrostruktur bestimmen, werden die beiden Sorten oft bei identischen Abmessungen und Belastungsbedingungen verglichen, um festzustellen, ob die marginalen Materialkosten für Molybdän gerechtfertigt sind.

1. Normen und Bezeichnungen

• GB (China): GCr15, GCr15Mo (oder GCr15SiMn in Varianten)
• JIS (Japan) / AISI-Äquivalente: GCr15 ≈ JIS SUJ2 / AISI 52100 (Wälzlagerstahl)
• EN: EN ISO-Äquivalente, die oft als 1.3505 (52100) für GCr15-ähnliche Stähle referenziert werden; Mo-haltige Äquivalente können je nach genauer Chemie und Benennung unter anderen EN-Nummern klassifiziert werden
• ASTM/ASME: Keine genaue ASTM-Bezeichnung für GCr15; AISI 52100 wird häufig in internationalen Kontexten verwendet

Klassifizierung: - Beide Sorten sind hochlegierte Chrom-Wälzlagerstähle (Werkzeug-/Wälzlagerstähle), keine rostfreien Stähle oder HSLA. GCr15 ist ein hochlegierter Chromlegierungsstahl; GCr15Mo ist die gleiche Grundchemie mit kontrollierter Molybdänzugabe (eine legierungstechnische Verbesserung).

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Element	Typisches GCr15 (repräsentative Bereiche)	Typisches GCr15Mo (repräsentative Bereiche)
C	0.95 – 1.05 Gew%	0.95 – 1.05 Gew%
Mn	0.25 – 0.45 Gew%	0.25 – 0.45 Gew%
Si	0.15 – 0.35 Gew%	0.15 – 0.35 Gew%
P	≤ 0.025 Gew%	≤ 0.025 Gew%
S	≤ 0.025 Gew%	≤ 0.025 Gew%
Cr	1.30 – 1.65 Gew%	1.30 – 1.65 Gew%
Ni	≤ 0.30 Gew%	≤ 0.30 Gew%
Mo	~ 0 Gew% (Spuren)	0.06 – 0.25 Gew% (typischer Bereich)
V, Nb, Ti, B, N	Typischerweise auf niedrigen Niveaus kontrolliert; können in Spurenmikrolegierungsbeträgen vorhanden sein, abhängig vom Lieferanten	Dasselbe, mit Mo als der hauptsächlichen beabsichtigten Zugabe

Hinweise: Die Tabelle gibt repräsentative Bereiche an, die häufig in Lieferantendatenblättern und nationalen Standards vorkommen. Exakte Grenzen hängen von der spezifischen Norm und dem Hersteller ab; konsultieren Sie immer die geltende Materialspezifikation für den Einkauf.

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Kohlenstoff (C): Bietet die Matrix für die Martensitbildung und hohe Härte nach dem Härten; höherer Kohlenstoff erhöht die erreichbare Härte und Verschleißfestigkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität. - Chrom (Cr): Verbessert die Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit und Anlasverhalten; 1–1.6% Cr ist typisch für klassische Wälzlagerstähle. - Mangan (Mn) und Silizium (Si): Entgasungsmittel und legierungstechnische Zusätze, die die Härtbarkeit und Festigkeit moderat beeinflussen. - Molybdän (Mo): Erhöht die Härtbarkeit und verbessert den Widerstand gegen Anlassen (d.h. erhält Zähigkeit und Härte bei erhöhten Anlasstemperaturen). Mo verfeinert auch das sekundäre Härtungsverhalten und kann die Lebensdauer bei Wälzkontakt-Ermüdung verbessern. - Schwefel und Phosphor werden auf niedrige Niveaus kontrolliert, um Versprödung zu vermeiden und die Ermüdungsleistung aufrechtzuerhalten.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Ausgangsmikrostrukturen und Reaktionen:

• Geglühter / weichgeglühter Zustand:
• Beide Sorten werden häufig in einem weichgeglühten Zustand zum Bearbeiten geliefert, wobei sphäroidisierte Karbide in einer ferritischen Matrix entstehen. Dies fördert die Bearbeitbarkeit und Formbarkeit vor der endgültigen Härtung.
• Härtungs- und Anlaszustand:
• Nach dem Austenitisieren und Öl- oder kontrollierten Härten bilden beide Stähle eine überwiegend martensitische Matrix mit Karbidpartikeln (hauptsächlich Chromkarbide und Zementit). Das Anlassen reduziert innere Spannungen und passt das Härte-Zähigkeits-Gleichgewicht an.
• GCr15Mo zeigt eine leicht bessere Anlasbeständigkeit: Nach dem Anlassen bei einer bestimmten Temperatur sind die erhaltene Härte und die Tendenzen zur sekundären Härtung im Vergleich zu reinem GCr15 verbessert. Dies ermöglicht es GCr15Mo, eine zähere, weniger überhärtete Mikrostruktur bei erhöhten Anlasstemperaturen oder während der Exposition gegenüber höheren Betriebstemperaturen zu behalten.
• Normalisieren und thermo-mechanische Bearbeitung:
• Das Normalisieren verfeinert die Korngröße in beiden Sorten; die Anwesenheit von Mo verlangsamt die Rekristallisation und kann helfen, das Kornwachstum während Hochtemperaturzyklen zu unterdrücken, was bei größeren Komponenten, die eine tiefe Härtbarkeit erfordern, hilfreich ist.
• Härtbarkeit:
• GCr15Mo zeigt eine höhere Härtbarkeit als GCr15 aufgrund von Mo; dies ist besonders vorteilhaft für größere Querschnitte, bei denen eine Durchhärtung erforderlich ist, um eine konsistente Kernhärte und Ermüdungsbeständigkeit zu erreichen.

4. Mechanische Eigenschaften

Vertretbare mechanische Eigenschaften nach typischen Härte- und Anlaszyklen (Werte sind Richtlinienbereiche; Lieferanten und Wärmebehandlungen erzeugen spezifische Werte):

Eigenschaft	GCr15 (typisch nach Q&T)	GCr15Mo (typisch nach Q&T)
Zugfestigkeit (MPa)	1400 – 2100	1500 – 2200
Streckgrenze (MPa)	800 – 1400	900 – 1500
Dehnung (%)	4 – 12	4 – 12 (ähnliche Bereiche; kann bei gleicher Härte leicht höher sein)
Schlagzähigkeit (Charpy, J)	Stark von der Wärmebehandlung abhängig; niedrig bei sehr hoher Härte (einzelne Ziffern bis 20er)	Typischerweise vergleichbar oder moderat besser bei gleicher Härte aufgrund von Mo, das die Anlasbeständigkeit verbessert
Härte (HRC)	58 – 66 (Wälzlagerlauf-/gehärteter Zustand)	58 – 66 (kann ähnliche Härte mit verbesserter Anlasstabilität erreichen)

Interpretation: - Festigkeit: Beide Sorten können nach entsprechender Härtung ähnliche Spitzenhärte und Zugfestigkeit erreichen. GCr15Mo neigt dazu, eine moderat höhere erhaltene Festigkeit im Betrieb oder nach höherem Anlassen aufgrund von Mo zu bieten. - Zähigkeit: Bei vergleichbaren Härtegraden bietet GCr15Mo typischerweise eine leicht bessere Ermüdungsbeständigkeit und Zähigkeit, da Mo das temperierte Martensit stabilisiert und das Weichwerden während des Anlassens verlangsamt — vorteilhaft für die Wälzkontakt-Ermüdung. - Duktilität: Beide behalten bei hohen Härtegraden eine niedrige Duktilität; das Design sollte die begrenzte Plastizität in Lagerkomponenten berücksichtigen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt und die legierungstechnischen Elemente, die die Härtbarkeit fördern, bestimmt. Sowohl GCr15 als auch GCr15Mo sind hochlegierte Wälzlagerstähle und gelten als schwierig zu schweißen, ohne spezielle Verfahren.

Zwei gängige empirische Schweißbarkeitsformeln:

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

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

Qualitative Interpretation: - Beide Sorten haben hohen $C$ und nicht vernachlässigbaren Cr; die Zugabe von Mo in GCr15Mo erhöht den $(Cr+Mo+V)$-Term in $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$, sodass GCr15Mo im Allgemeinen ein höheres Kohlenstoffäquivalent und damit eine höhere Neigung zu schweißbedingter Härtung und Rissbildung aufweist. - Praktische Implikationen: Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen, wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) sind normalerweise erforderlich. Für kritische Komponenten sind alternative Verbindungsmethoden (mechanische Befestigung oder Kleben in nicht tragenden Zonen) oder Bearbeitungsmerkmale, die darauf ausgelegt sind, geschweißte Verbindungen zu vermeiden, üblich. - Empfehlung: Vermeiden Sie das Schweißen von tragenden, hochbelasteten oder Wälzlagerlaufoberflächen, wann immer möglich. Wenn das Schweißen unvermeidlich ist, konsultieren Sie die Schweißverfahrensspezifikationen und führen Sie PWHT durch, um die Duktilität wiederherzustellen und Restspannungen zu reduzieren.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder GCr15 noch GCr15Mo sind rostfreie Stähle; sie haben eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit in feuchten oder korrosiven Umgebungen.
• Standard-Schutzmethoden:
• Mechanische Oberflächenbearbeitung (Polieren, Superfinish), um Initiationsstellen für Korrosionsermüdung zu minimieren.
• Beschichtungen: Galvanisieren, thermisches Spritzen, physikalische Dampfabscheidung (PVD) für Verschleiß-/Korrosionsumgebungen sowie Verzinkung oder Lackierung zum allgemeinen Korrosionsschutz.
• Oberflächenhärten oder Induktionshärten wird manchmal für Kontaktflächen verwendet; diese erfordern eine Prozessgestaltung, um die Kernzähigkeit aufrechtzuerhalten.
• Die PREN-Formel ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar, aber zur Klarheit: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index wird für rostfreie Sorten verwendet, um die Lochkorrosionsbeständigkeit zu quantifizieren; er ist nicht sinnvoll für hochlegierte Wälzlagerstähle mit nur ~1–1.6% Cr.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• Im geglühten Zustand (weichgeglüht) sind beide Stähle bearbeitbar; die typische Vorhärte wird durch Sphäroidisierung niedrig gehalten. GCr15Mo kann etwas weniger bearbeitbar sein, wenn es nicht vollständig sphäroidisiert ist, aufgrund von Mo-stabilisierten Karbiden.
• Nach der Härtung ist die Bearbeitbarkeit schlecht; Schleifen, Hartdrehen und Superfinish sind die Hauptbearbeitungsoperationen.
• Formbarkeit:
• Kaltumformung ist aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts begrenzt; Warmumformung oder Schmieden in geeigneten Temperaturbereichen ist Standard zur Herstellung von Rohlingen vor der endgültigen Wärmebehandlung.
• Oberflächenbearbeitung:
• Schleifen und Superfinish sind typisch für Lageroberflächen; GCr15Mo kann leicht unterschiedliche Anlas- und Bearbeitungszyklen erfordern, um eine gleichwertige Oberflächenintegrität aufgrund seiner Ansprechverhalten zu erreichen.

8. Typische Anwendungen

GCr15 (typische Anwendungen)	GCr15Mo (typische Anwendungen)
Tiefgroove-Kugellager, Rollenlager, Lagerringe und -kugeln für allgemeine industrielle Maschinen	Schwerlastlager (Windkraftanlagen, große industrielle Getriebe), hochbelastbare Lager
Wellen, Spindeln und gehärtete Ringe für Werkzeugmaschinen und kleine rotierende Geräte	Lager und Komponenten, bei denen höhere Härtbarkeit oder bessere Anlasstabilität erforderlich ist (dickere Abschnitte)
Kleine Zahnräder, Präzisionswellen und Verschleißteile für mittlere Belastungen	Automotive Antriebsstrangkomponenten und größere Lagerstellen, die zyklischen Kontaktspannungen ausgesetzt sind
Anwendungen, bei denen Kostensensitivität und breite Verfügbarkeit Priorität haben	Anwendungen, bei denen eine marginale Leistungsverbesserung der Ermüdungslebensdauer die leicht höheren Materialkosten rechtfertigt

Auswahlbegründung: - Wählen Sie GCr15, wenn Kostensensitivität, Standardlagergrößen und etablierte Wärmebehandlungswege Priorität haben. - Wählen Sie GCr15Mo, wenn größere Querschnitte, höhere Anlasstemperaturen oder leichte Verbesserungen der Lebensdauer bei Wälzkontakt-Ermüdung die zusätzlichen Legierungskosten rechtfertigen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: GCr15 ist im Allgemeinen günstiger als GCr15Mo, da es keine gezielte Molybdänzugabe hat. Molybdän ist ein teureres legierungstechnisches Element und erhöht die Materialpreise.
• Verfügbarkeit: GCr15 wird weit verbreitet hergestellt und in gängigen Wälzlagerproduktformen (Stangen, Ringe, Vorformen) gelagert. GCr15Mo ist ebenfalls weit verbreitet erhältlich, kann jedoch auf Bestellung für bestimmte Produktformen oder engere Chemiekontrollen produziert werden.
• Produktformen: Beide Sorten sind als Stangen, Ringe, Rohlinge und Schmiedeteile erhältlich; die Lieferzeiten können sich für große oder niedrigvolumige Artikel erhöhen, die eine maßgeschneiderte Chemie oder eine engere Kontrolle der Einschlüsse erfordern.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Merkmal	GCr15	GCr15Mo
Schweißbarkeit	Schlecht (hoher C, benötigt Vorwärmen/PWHT)	Etwas schlechter (höheres CE aufgrund von Mo)
Festigkeits-Zähigkeits-Gleichgewicht	Hohe Härte erreichbar; gute Ermüdungsleistung in Standardteilen	Ähnlich oder leicht verbesserte Ermüdungs- und Anlasbeständigkeit, insbesondere in dickeren Abschnitten
Kosten	Niedriger	Höher (aufgrund von Mo)
Verfügbarkeit	Sehr gut	Sehr gut, manchmal stärker spezifiziert

Abschließende Empfehlung: - Wählen Sie GCr15, wenn Sie einen bewährten, kosteneffektiven Wälzlagerstahl für standardisierte Wälzkörper und Komponenten benötigen, bei denen die standardmäßige Härtbarkeit und Ermüdungsleistung ausreichen. - Wählen Sie GCr15Mo, wenn die Anwendung dickere Abschnitte, höhere Anlasstemperaturen, größere Lager oder Komponenten erfordert, die eine verbesserte Anlasbeständigkeit und Lebensdauer bei Wälzkontakt-Ermüdung benötigen, oder wenn eine konsistente Durchhärtung entscheidend ist und die moderat höheren Materialkosten rechtfertigt.

Praktischer Hinweis: Die endgültige Materialauswahl sollte immer mit der spezifischen Bauteilgeometrie, dem Betriebslastspektrum, den Anforderungen an die Oberflächenbearbeitung und dem genauen Wärmebehandlungszyklus validiert werden. Konsultieren Sie die Materialzertifikate des Lieferanten und führen Sie anwendungsrepräsentative Ermüdungs- oder Dauerfestigkeitsprüfungen durch, wenn die Lebenszyklusleistung entscheidend ist.