GCr18 vs GCr18Mo – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

GCr18 und GCr18Mo sind hochkohlenstoffhaltige Chromlager-/Legierungsstähle, die häufig für Wälzkörper, Wellen und verschleißfeste Teile verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Kompromisse zwischen Ermüdungslebensdauer, Verschleißfestigkeit, Härteverhalten, Schweißbarkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl einer Sorte für tiefenlagige Lager, das Entwerfen von Komponenten, die Durchhärtung im Vergleich zur Einsatzhärtung erfordern, oder die Wahl eines Materials, das zuverlässig in großen Querschnitten hergestellt werden kann.

Der wesentliche metallurgische Unterschied ist die gezielte Zugabe von Molybdän zu GCr18Mo, um die Härtbarkeit zu erhöhen und die Verschleiß- und Anlassempfindlichkeit im Vergleich zu reinem GCr18 zu verbessern. Aus diesem Grund werden beide Sorten in Design und Fertigung verglichen, wo Querschnittsgröße, Wärmebehandlungsreaktion und Betriebsverschleiß entscheidend sind.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche nationale und internationale Äquivalente und Standards:
• GB (China): GCr18, GCr18Mo (chinesische nationale Nomenklatur für Lager-/Legierungsstähle).
• EN (Europa): Eng verwandt mit 100Cr6 / 1.3505 (für GCr18); eine Mo-haltige Variante kann unter modifizierten 1.3505-Sorten oder spezifischen EN-Bezeichnungen angegeben werden.
• AISI/SAE: 52100 / SAE 52100 ist ähnlich wie GCr15/100Cr6; GCr18 wird oft mit diesen Lagerstählen in Chemie und Anwendung verglichen, aber die genaue Äquivalenz hängt von den Grenzen ab.
• JIS (Japan): Ähnliche Lagerstähle erscheinen in JIS, aber eine direkte Eins-zu-eins-Zuordnung erfordert die Überprüfung von Zusammensetzungstabellen.
• Klassifizierung:
• Sowohl GCr18 als auch GCr18Mo sind hochkohlenstoffhaltige, chromhaltige Legierungsstähle, die typischerweise als Lager-/Werkzeug-/Verschleißstähle und nicht als rostfreie Stähle oder HSLA-Baustähle verwendet werden.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle zeigt typische Elementbereiche für repräsentative GCr18- und GCr18Mo-Formulierungen. Die genauen Grenzen variieren je nach Standard, Hersteller und Wärmebehandlungsanforderung; die Benutzer sollten das Werkszertifikat oder den geltenden Standard für den Einkauf konsultieren.

Hinweise: - Kohlenstoff ist hoch, um hohe Härte und Verschleißfestigkeit nach Abschrecken und Anlassen zu ermöglichen. - Chrom sorgt für Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit und Karbidbildung. - Molybdän in GCr18Mo wird in geringen Mengen hinzugefügt, um die Härtbarkeit und Anlassempfindlichkeit zu erhöhen; es verfeinert auch die Ansprechreaktion beim Anlassen und verringert das Risiko von spröden Abschreck-Mikrostrukturen in größeren Querschnitten. - Minderbestandteile (V, Nb, Ti) sind typischerweise nur in Spurenmengen oder als gezielte Mikrolegierung vorhanden, abhängig von den Praktiken des Lieferanten.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - C und Cr steuern die erreichbare Härte und Karbidstruktur – höherer C erhöht die Härte, verringert jedoch die Schweißbarkeit. - Cr im Bereich von 1,3–1,7% trägt zur sekundären Härtung und Verschleißfestigkeit bei, macht den Stahl jedoch nicht rostfrei. - Mo erhöht die Härtbarkeit, hebt die Anlassempfindlichkeit (beibehält die Härte bei höheren Anlasstemperaturen) und kann die Lebensdauer bei Rollkontakt-Ermüdung verbessern. - Mn und Si sind Entgasungsmittel und tragen bescheiden zur Härtbarkeit und Festigkeit bei.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen und die Auswirkungen der Verarbeitung:

• Warmgewalzt/normiert:

• Beide Sorten weisen eine perlitische oder sphäroidisierte Karbidmatrix auf, abhängig von der Glühpraxis. Normalisierungs-/Verfeinerungszyklen erzeugen feinen Perlit und zurückgehaltene Karbide, die für die anschließende Abschreck- und Anlasstherapie geeignet sind.

• Abschrecken und Anlassen:

• Typische Härtung: Austenitisieren (z. B. 780–840°C, abhängig von Querschnitt und Spezifikation), dann Öl-/Abschrecken oder Luft-/Abschrecken für spezifische Geometrien. Das anschließende Anlassen erzeugt angelassenes Martensit mit dispergierten Chromkarbiden.
• GCr18: erreicht hohe Härte und feine Karbidverteilung in kleineren Querschnitten; in größeren Querschnitten ist es anfälliger für unvollständige Umwandlung (weicher Kern) und ein höheres Risiko von Abschreckrissen, wenn es nicht sorgfältig kontrolliert wird.

• GCr18Mo: Mo erhöht die Härtbarkeit und fördert eine durchgehärtete martensitische Struktur in größeren Querschnitten. Mo verschiebt auch die Anlassempfindlichkeit, sodass die angelassene Härte bei höheren Anlasstemperaturen besser beibehalten wird.

• Thermomechanische Verarbeitung:

• Thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung und Warmwalzen beeinflussen die vorherige Austenitkornstruktur. Feinere Austenitkörner verbessern die Zähigkeit und senken die erforderlichen Austenitisierungstemperaturen; Mo hilft, die Zähigkeit in gröberen Querschnitten zu erhalten, indem es die Härtbarkeit verbessert.

Zusammenfassend konzentriert sich die mikrostrukturelle Kontrolle für beide Sorten darauf, eine martensitische Matrix mit dispergierten Chromkarbiden zu erreichen; GCr18Mo ist nachsichtiger für größere Querschnitte und höhere Anlasstemperaturen.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der genauen Wärmebehandlung ab. Die folgende Tabelle gibt typische Bereiche nach dem Abschrecken und Anlassen an, die für Lager-/Verschleißanwendungen verwendet werden; betrachten Sie diese als repräsentative und nicht als garantierte Werte.

Interpretation: - Die Spitzenhärte und Zugfestigkeit werden hauptsächlich durch Kohlenstoff und Wärmebehandlung kontrolliert. Beide Sorten erreichen ähnliche Spitzenhärten in kleinen Komponenten. - GCr18Mo bietet verbesserte Härtbarkeit, sodass in größeren Teilen eine höhere Kernhärte und Festigkeit im Vergleich zu reinem GCr18, das identisch verarbeitet wird, erreicht werden kann. - Zähigkeitsunterschiede hängen von Anwendung und Behandlung ab; Mo kann die Zähigkeit in schwereren Querschnitten verbessern, indem es eine gleichmäßigere martensitische Reaktion und die Stabilität der Mikrostruktur beim Anlassen ermöglicht.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von hochkohlenstoffhaltigen, hochharten Stählen erfordert eine sorgfältige Kontrolle aufgrund des hohen Kohlenstoffäquivalents und der Tendenz, im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) hartes, sprödes Martensit zu bilden.

Übliche Schweißbarkeitsindizes, die qualitativ verwendet werden: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 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 GCr18 als auch GCr18Mo haben hohen Kohlenstoff; ihre $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte werden hoch genug sein, um Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperatur und Nachschweißwärmebehandlung für kritische Anwendungen zu rechtfertigen. - Das Vorhandensein von Mo erhöht $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ leicht; mit anderen Worten, GCr18Mo ist marginal anfälliger für HAZ-Härtung und Rissrisiko als GCr18, wenn es ohne Vorsichtsmaßnahmen geschweißt wird. - Für kleine Reparaturen oder nicht kritische Verbindungen verwenden Sie passende Füllmetalle, vorwärmen, um die Abkühlrate zu reduzieren, und führen Sie PWHT (Nachschweißwärmebehandlung) durch, um Martensit im HAZ zu temperieren. - Wo das Schweißen minimiert oder eliminiert werden muss, sind mechanische Verbindungen oder Bearbeitung auf Montagepassungen bevorzugt.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder GCr18 noch GCr18Mo sind rostfreie Stähle; ihr Chromgehalt ist unzureichend, um Passivierung in wässrigen Umgebungen zu bieten.
• Typische Oberflächenschutzstrategien:
• Schutzbeschichtungen: Lackieren, Beschichten (Zink, Nickel) oder Phosphatbeschichtungen.
• Galvanisieren ist eine Option für bestimmte geformte oder strukturelle Komponenten, obwohl eine Wärmebehandlung nach dem Galvanisieren nicht typisch ist.
• Schmierung und Entwässerungsdesign sind üblich für Wälzkontakte, um korrosionsunterstützten Verschleiß zu reduzieren.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Lagerstähle nicht anwendbar, da PREN verwendet wird, um die rostfreie Korrosionsbeständigkeit zu bewerten: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Verwenden Sie korrosionsbeständige Legierungen (rostfreie Lagerstähle), wenn der Service sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch Verschleiß-/Ermüdungsleistung erfordert.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• Hoher Kohlenstoff- und hohe Härtefähigkeit bedeuten, dass beide Sorten im gehärteten Zustand schwieriger zu bearbeiten sind. Glüh- oder sphäroidisierte Bedingungen werden zur Bearbeitung verwendet, um die Werkzeuglebensdauer zu verbessern.
• GCr18Mo im angelassenen/gehärteten Zustand kann aufgrund der Mo-Verstärkungseffekte marginal schwieriger sein, aber die Unterschiede sind gering für Vorbearbeitungsbedingungen.
• Kaltumformung und Biegen:
• Nicht günstig im gehärteten Zustand; die Umformung erfolgt im weicheren geglühten Zustand.
• Der hohe Kohlenstoffgehalt begrenzt das Tiefziehen oder umfangreiche Umformen ohne Rissbildung.
• Schleifen und Finish:
• Beide reagieren gut auf Präzisionsschleifen nach der Härtung. Karbidverteilung und zurückgehaltenes Austenit können das Schleifverhalten und die endgültige dimensionsstabilität beeinflussen.
• Überlegungen zur Wärmebehandlung:
• Sphäroidalisieren zum Glühen für die Bearbeitung: reduziert Schneidkräfte und verhindert Kantenabplatzen.
• Kontrollierte Abschreckmedien, Anlasstermine und Spannungsabbau sind entscheidend, um Verformungen zu minimieren.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie GCr18 für kleine bis mittlere Lager und Verschleißteile, bei denen die konventionelle Wärmebehandlung die erforderliche Härte und Ermüdungslebensdauer wirtschaftlich erreicht. - Wählen Sie GCr18Mo, wenn die Querschnittsgröße, die erwarteten Betriebsbelastungen oder höhere Anlasstemperaturen eine verbesserte Durchhärtung, höhere zurückgehaltene Härte nach dem Anlassen oder leicht bessere Lebensdauer bei Rollkontakt-Ermüdung erfordern.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• GCr18 ist typischerweise günstiger als GCr18Mo aufgrund des Fehlens von Molybdän, einem kostenintensiveren Legierungselement.
• Die zusätzlichen Kosten von GCr18Mo sind gerechtfertigt, wenn Härtbarkeit, reduzierte Ausschussrate oder Leistungsgewinne Lebenszykluskosteneinsparungen bringen.
• Verfügbarkeit:
• Beide Sorten sind häufig in Lagerstahlprodukten (Stangen, Ringe, Bleche und geschmiedete Rohlinge) über Spezialstahl-Lieferanten erhältlich.
• Lieferzeiten können für enge Toleranzen von Mo-haltigen Varianten oder für spezifische Wärmebehandlungen etwas länger sein; geben Sie beim Bestellen Werkszertifikate und Wärmebehandlungen an.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie GCr18, wenn Sie einen kosteneffektiven Lager-/Verschleißstahl für kleine bis mittlere Querschnitte benötigen, bei denen Standard-Abschreck- und Anlasstherapien die erforderliche Härte und Ermüdungslebensdauer erreichen. - Wählen Sie GCr18Mo, wenn Ihre Komponenten größer im Querschnitt sind, eine gleichmäßigere Härtung durch den Querschnitt erfordern, eine verbesserte Anlassempfindlichkeit benötigen oder von moderaten Verbesserungen in der Verschleiß- und Rollkontakt-Ermüdungslebensdauer profitieren, die Molybdän bietet.

Abschließende praktische Hinweise: - Geben Sie immer genaue chemische Grenzen, Wärmebehandlungspläne und Abnahmetests (Härte, Mikrostruktur, zerstörungsfreie Prüfung) in den Bestellungen an. - Bei geschweißten Baugruppen oder kritischen Ermüdungskomponenten sollten Sie frühzeitig metallurgische Prozessingenieure einbeziehen, um Vorwärmung, Zwischenpass-Temperaturen und erforderliche PWHT zu definieren, um HAZ-Sprödigkeit und Betriebsfehler zu vermeiden.