GCr15 vs GCr18 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

GCr15 und GCr18 sind eng verwandte hochkohlenstoffhaltige Chromstähle, die häufig für Lager, Verschleißteile und Präzisionskomponenten verwendet werden. Ingenieure und Einkaufsleiter wägen häufig die Kompromisse zwischen erreichbarer Härte, Durchhärtungsfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen: die Spezifikation eines Lagerlaufs, bei dem Lebensdauer und Oberflächenhärte von größter Bedeutung sind, die Auswahl einer Welle oder eines Rollers, die eine tiefere Härtung erfordert, oder die Optimierung der Anschaffungskosten im Vergleich zur Lebensdauer.

Der wesentliche metallurgische Unterschied zwischen diesen Güten ist ein erhöhter Chromgehalt in GCr18 im Vergleich zu GCr15. Diese höhere Chromkonzentration verschiebt das Legierungsverhältnis zugunsten einer größeren Härtbarkeit und Karbidbildung, was wiederum die Reaktion auf die Wärmebehandlung, das Verschleißverhalten und die Fertigungsüberlegungen beeinflusst. Da beide hochkohlenstoffhaltige, chromhaltige Stähle für ähnliche Anwendungen gedacht sind, werden sie häufig direkt in Design- und Fertigungsentscheidungen verglichen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Gemeinsame internationale Referenzen und Äquivalente:
• GB (China): GCr15, GCr18 (chinesische nationale Güten, die in Lager- und Verschleißkomponenten verwendet werden).
• EN / ISO: 100Cr6 (EN) wird in der Praxis häufig mit GCr15/AISI 52100 gleichgesetzt.
• JIS: SUJ2 wird häufig mit GCr15 verglichen.

• ASTM/ASME: keine universelle ASTM-Bezeichnung für diese spezifischen GB-Güten, aber AISI 52100 ist das gängige US-Äquivalent zu GCr15.

• Klassifizierung:

• Sowohl GCr15 als auch GCr18 sind hochkohlenstoffhaltige, nichtrostende Lagerstähle (hochlegierte Kohlenstoffstähle, die auf Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit ausgelegt sind). Sie sind keine rostfreien Güten, noch sind sie strukturelle niedriglegierte HSLA-Stähle.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Typische Zusammensetzung (Gewichtsprozent, ungefähr; konsultieren Sie den spezifischen Standard oder das Werkszertifikat für genaue Grenzen)

Element	GCr15 (typisch)	GCr18 (typisch)
C	0.95–1.05	0.95–1.05
Mn	0.25–0.45	0.25–0.45
Si	0.17–0.37	0.17–0.37
P	≤0.025 (max)	≤0.025 (max)
S	≤0.025 (max)	≤0.025 (max)
Cr	1.40–1.65 (ungefähr)	1.70–2.00 (ungefähr; höher als GCr15)
Ni	≤0.30 (Spur)	≤0.30 (Spur)
Mo	≤0.10 (normalerweise abwesend)	≤0.10 (normalerweise abwesend)
V, Nb, Ti, B, N	Spuren oder kontrollierte Verunreinigungen	Spuren oder kontrollierte Verunreinigungen

Hinweise: - Die oben genannten Werte sind indikative typische Bereiche, die in der Industrie verwendet werden; immer gegen Werksprüfzertifikate oder die relevante GB/T-Spezifikation überprüfen. - Die wesentliche Zusammensetzungsänderung ist die gezielte Erhöhung des Chroms in GCr18 im Vergleich zu GCr15; andere Elemente bleiben vergleichbar und im Allgemeinen niedrig.

Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Kohlenstoff bildet die Grundlage für Härtbarkeit und erreichbare martensitische Härte; beide Güten sind hochkohlenstoffhaltig, um hohe Härte und Verschleißfestigkeit zu unterstützen. - Chrom erhöht die Härtbarkeit, Karbide (Chromkarbide) und Temperwiderstand. Höherer Cr verbessert die Durchhärtung und Verschleißfestigkeit und erhöht die Temperstabilität. - Mangan und Silizium wirken als Entgasungsmittel und tragen bescheiden zur Härtbarkeit bei; legierungsfremde Elemente oder Mikrolegierung (V, Nb) beeinflussen die feine Karbidverteilung, wenn vorhanden.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen und Reaktionen auf Wärmebehandlung: - Geglüht / spheroidisiert: Beide Güten werden häufig in einer spheroidisierten perlitischen oder spheroidisierten Ferrit + Karbidstruktur geliefert oder verarbeitet, um die Bearbeitbarkeit und Formbarkeit vor der endgültigen Wärmebehandlung zu verbessern. - Abgeschreckt und vergütet: Die Wärmebehandlung erzeugt Martensit, der auf die erforderliche Härte vergütet wird, mit einer Verteilung von chromreichen Karbiden. Die Karbidmorphologie und das Volumenverhältnis werden durch den Cr-Gehalt beeinflusst; GCr18 neigt dazu, einen leicht höheren Anteil stabiler Karbide zu bilden und kann bei vergleichbaren Wärmebehandlungen feinere oder zahlreichere Cr-Karbide zeigen. - Normalisieren: Stellt eine feine perlitische/vergütete Mikrostruktur vor der Endbearbeitung oder Härtung wieder her; der Effekt ist für beide Güten ähnlich. - Einfluss von höherem Cr in GCr18: - Erhöhte Härtbarkeit: GCr18 erreicht tiefere martensitische Strukturen bei gleicher Abschreckschärfe oder ermöglicht eine geringere Abschreckschärfe, um eine Zielhärte zu erreichen, was die Gleichmäßigkeit in größeren Querschnitten verbessert. - Karbidstabilität/Volumen: Mehr Cr neigt dazu, Karbide zu stabilisieren und kann die Temperweiche für eine gegebene Tempertemperatur reduzieren, was die Verschleißfestigkeit verbessert, aber die Zähigkeit verringern kann, wenn die Karbidgröße/Kontinuität zunimmt.

Thermomechanische Verarbeitung, die die vorherige Austenitkornstruktur verfeinert und Karbide dispergiert, kann beiden Güten zugutekommen; das höhere Cr von GCr18 bietet mehr Spielraum für die Durchhärtung in dickeren Querschnitten.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Vergleichendes mechanisches Verhalten (qualitativ, abhängig von Wärmebehandlung und Querschnittsgröße)

Eigenschaft	GCr15	GCr18
Zugfestigkeit (gehärtet)	Hoch; typischer Lagerstahlbereich	Ähnlich bis leicht höher (aufgrund höherer Härtbarkeit)
Streckgrenze	Hoch (von der Wärmebehandlung abhängig)	Ähnlich bis geringfügig höher in tiefer abgeschreckten Querschnitten
Dehnung (Duktilität)	Niedrig bis moderat nach der Härtung	Ähnlich oder geringfügig reduziert, wenn das Karbidvolumen zunimmt
Schlagzähigkeit	Allgemein besser unter vergleichbaren Bedingungen (etwas nachsichtiger)	Leicht niedriger bei entsprechender Härte, wenn der Karbidanteil zunimmt
Härte (gehärtet/vergütet)	Kann typische Lagerhärten erreichen (sehr hoch)	Vergleichbare Spitzenhärte; leichter durch Dicke zu erreichen

Interpretation: - Beide Güten sind für hohe Härte und Ermüdungsbeständigkeit ausgelegt. Der höhere Chromgehalt von GCr18 verbessert die Durchhärtung und Temperstabilität, was eine ähnliche oder leicht höhere Zugfestigkeit für dickere Komponenten oder unter milderen Abschreckbedingungen ermöglicht. Ein erhöhter Karbidgehalt kann jedoch die Kerbschlagzähigkeit und Duktilität leicht verringern, sodass Designer Härte und Zähigkeit basierend auf der Anwendung ausbalancieren müssen.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit: - Der hohe Kohlenstoffgehalt in beiden Güten schränkt die Schweißbarkeit ein; Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperatur und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) sind häufig erforderlich, um Kaltverzug und spröden Martensit in wärmebeeinflussten Zonen zu vermeiden. - Die erhöhte Härtbarkeit (durch höheren Cr) in GCr18 erhöht das Risiko harter, spröder HAZ-Mikrostrukturen nach dem Schweißen, was in einigen Fällen konservativere Schweißverfahren als bei GCr15 erfordert.

Nützliche Formeln für den Kohlenstoffäquivalent (qualitativ interpretieren — nicht als Ersatz für Verfahrensqualifikation verwenden): - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Internationales Pcm zur Bewertung der Schweißbarkeit: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: - Beide Güten weisen hohe $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu niedriglegierten Baustählen auf; das höhere Cr in GCr18 erhöht diese Indizes moderat, was auf eine leicht höhere Neigung zur HAZ-Härtung und Rissbildung hinweist, wenn das Schweißen ohne Kontrollen versucht wird. - Praktische Empfehlung: Minimieren Sie das Schweißen auf kritischen Lagerflächen; wenn Schweißen unvermeidlich ist, verwenden Sie qualifiziertes Vorwärmen, Verbrauchsmaterialien mit passender Zusammensetzung, enge Fugen-Geometrie und PWHT, um die HAZ zu vergüten.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder GCr15 noch GCr18 sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt und weitgehend eine Funktion der Oberflächenbeschaffenheit, Schmierstoffe und Umweltschutzmaßnahmen.
• Standardmäßige Schutzansätze: Öl- oder Fett-Schmierung für Lager, Phosphatierung für Korrosionsbeständigkeit vor dem Lackieren, Feuerverzinkung oder Lackierung für strukturelle/Verschleißkomponenten, wo angemessen.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist ein Index für rostfreien Stahl: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist nicht auf GCr15/GCr18 anwendbar, da sie keine rostfreien Legierungen sind (unzureichendes Cr und im Wesentlichen kein Mo/N zur Bildung einer passiven Schicht).

Praktische Anmerkung: Das leicht höhere Cr von GCr18 bietet marginal bessere Korrosionsbeständigkeit in rein chemischen Begriffen, aber der Unterschied ist gering und irrelevant für Umgebungen, die echte Korrosionsbeständigkeit erfordern — solche Anwendungen benötigen rostfreie Stähle oder Oberflächenbeschichtungen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• Beide Güten sind in gehärtetem Zustand schwer zu bearbeiten; die Bearbeitung erfolgt normalerweise im geglühten oder spheroidisierten Zustand, um die Werkzeuglebensdauer und Maßgenauigkeit zu schützen.
• GCr18 kann aufgrund des erhöhten Karbidgehalts leicht höheren abrasiven Verschleiß an Schneidwerkzeugen verursachen; das Werkzeugmaterial und die Schneidbedingungen sollten entsprechend ausgewählt werden (Hartmetall-Einsätze, Kühlmittel, geeignete Vorschub-/Drehzahlen).
• Formbarkeit:
• Der hohe Kohlenstoffgehalt verringert die Duktilität im gehärteten Zustand; Kaltumformung ist begrenzt und erfordert typischerweise zuerst eine Glühung.
• Für Biege- und Umformoperationen ist eine vollständige Glühung oder spheroidisierte Glühung Standard, um Rissbildung zu vermeiden.
• Oberflächenbearbeitung:
• Schleif- und Finishoperationen für Lagerflächen sind Standard; höheres Cr kann den Werkzeugverschleiß erhöhen, unterstützt jedoch auch eine bessere Verschleißfestigkeit des fertigen Teils.

8. Typische Anwendungen

GCr15 (typische Anwendungen)	GCr18 (typische Anwendungen)
Präzisionskugeln und -rollenlager (Läufe, Kugeln)	Lager und Rollen, bei denen tiefere Härtung oder leicht verbesserte Verschleißfestigkeit erforderlich ist
Wellen und Spindeln für Werkzeugmaschinen	Roller mit schwereren Querschnitten, Wellen und Verschleißringe, die Durchhärtung erfordern
Verschleißringe, Buchsen, Nocken (wo hohe Oberflächenhärte erforderlich ist)	Komponenten, die unter höheren Kontaktspannungen oder größeren Querschnitten arbeiten
Präzisionsgehärtete Komponenten, die eine hohe Ermüdungslebensdauer erfordern	Anwendungen, die von verbesserter Temperwiderstand oder leicht erhöhtem Karbidgehalt profitieren

Auswahlbegründung: - Wählen Sie GCr15, wenn die Leistung von Standardlagerstahl, breite Verfügbarkeit und etablierte Verarbeitungswege die Hauptüberlegungen sind. - Wählen Sie GCr18, wenn die Querschnittsdicke oder Geometrie die Durchhärtung von GCr15 erschwert oder wenn eine moderate Verbesserung der Temperwiderstand/Verschleißleistung gewünscht ist und ein kleiner Kompromiss bei der Zähigkeit akzeptabel ist.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: GCr18 hat typischerweise einen moderaten Aufpreis gegenüber GCr15 aufgrund des höheren Chromgehalts und der spezialisierteren Nachfrage. Der Preisunterschied variiert mit den Marktpreisen der Legierungselemente und den Praktiken der Lieferanten.
• Verfügbarkeit: GCr15 ist äußerst verbreitet und weit verbreitet in Stab-, Ring- und fertigen Lagerproduktformen. GCr18 ist verfügbar, aber weniger allgegenwärtig — es kann von Spezialanbietern gelagert oder auf Bestellung für schwerere oder leistungsstärkere Komponenten produziert werden.
• Produktformen: Beide Güten sind als warmgewalzte und kaltgezogene Stäbe, Ringe und geschmiedete Rohlinge erhältlich; fertige Lagerteile sind eine ausgereifte Lieferkette für GCr15.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Schnelle Zusammenfassung

Attribut	GCr15	GCr18
Schweißbarkeit	Herausfordernd (hoher C); besser als GCr18 unter gleichen Bedingungen	Leicht schlechter aufgrund höherer Härtbarkeit
Stärke-Zähigkeit-Balance	Gute Balance für viele Lageranwendungen	Leicht höhere Stärke/Durchhärtung auf Kosten von geringfügig niedrigerer Zähigkeit
Kosten	Niedriger / weit verbreitet	Höher / weniger verbreitet

Empfehlungen: - Wählen Sie GCr15, wenn: - Sie einen bewährten Lagerstahl mit ausgereiften Verarbeitungswegen und breiter Lieferverfügbarkeit benötigen. - Die Komponente relativ dünn ist oder aggressiv abgeschreckt werden kann, sodass die Durchhärtung nicht einschränkend ist. - Kosten und standardisierte Versorgung die Hauptbeschränkungen sind.

• Wählen Sie GCr18, wenn:
• Die Querschnittsgröße, das Design oder die Abschreckbeschränkungen eine tiefere Härtung wünschenswert machen, um konsistente Eigenschaften durch die Dicke zu gewährleisten.
• Die Anwendung von verbessertem Temperwiderstand oder einer moderaten Erhöhung der Verschleißfestigkeit profitiert und das Design eine kleine Reduzierung der Kerbschlagzähigkeit toleriert.
• Sie einen moderaten Kostenaufschlag und potenziell längere Lieferzeiten für spezialisierte Lieferungen akzeptieren.

Letzte Anmerkung: Beide Güten erfordern eine sorgfältige Spezifikation der Wärmebehandlung, Oberflächenbearbeitung und Schmierregime, um Ermüdungs- und Verschleißleistung zu realisieren. Für kritische Lager oder hochzuverlässige rotierende Komponenten arbeiten Sie mit Materiallieferanten und Wärmebehandlungsspezialisten zusammen, um den genauen Zustand (Härteprofil, Mikrostruktur, Restspannungen) zu produzieren und zu qualifizieren, der von der Anwendung gefordert wird.