H13 vs 8407 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Einführung
Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen zwei nah verwandten, aber unterschiedlichen Werkzeugstählen für Warmbearbeitung: dem weltweit anerkannten AISI H13 und einer regional spezifizierten Sorte, die in skandinavischen/europäischen Lieferantenlisten häufig als 8407 angegeben wird. Die Entscheidung hängt typischerweise von Abwägungen zwischen Verfügbarkeit und Kosten, Reproduzierbarkeit und Materialreinheit sowie subtilen Unterschieden in der Härtbarkeit, Zähigkeit und Wärmebehandlungspraktiken ab.
Im Großen und Ganzen erfüllen beide Sorten die Anforderungen an Werkzeuge für Warmbearbeitung (Formen, Kerne, Stempel) und sind legiert für Härtbarkeit und Temperwiderstand; die praktische Auswahl hängt oft davon ab, ob ein Lieferanten-/Walzwerkstandard (regionale Sortensteuerung und Rückverfolgbarkeit) oder eine international standardisierte Spezifikation bevorzugt wird. Da die Leistungsfähigkeit des Designs stark von der Wärmebehandlung und der Reinheit abhängt, sollten Ingenieure immer die chemische Zusammensetzung und die Wärmebehandlungspraktiken vom Lieferanten bestätigen.
1. Standards und Bezeichnungen
- AISI/ASTM: H13 (Werkzeugstahl für Warmbearbeitung) — weit verbreitet in der amerikanischen und internationalen Beschaffung.
- EN/DIN: Ein typisches europäisches Äquivalent zu H13 ist X40CrMoV5-1 / X38CrMoV5-1 Varianten (Nomenklatur variiert je nach Standard).
- National/regional: 8407 — eine Bezeichnung, die in einigen skandinavischen/europäischen Walzwerk-Katalogen und Kreuzreferenztabellen zu finden ist; wird häufig nach schwedischen Walzwerkspezifikationen mit Rückverfolgbarkeit und Prozesskontrolle, die spezifisch für dieses Walzwerk sind, hergestellt.
- Klassifikation: Beide sind hochlegierte Werkzeugstähle (Werkzeugstähle für Warmbearbeitung), nicht rostfrei, nicht HSLA. Sie sind legierte Werkzeugstähle, die für Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und thermische Ermüdungsbeständigkeit ausgelegt sind.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsbereiche für AISI H13 und eine repräsentative 8407-Zusammensetzung an, die häufig als europäische/skandinavische Variante zitiert wird. Da nationale/regional Bezeichnungen und Walzwerk-Chemien variieren können, behandeln Sie die 8407-Bereiche als indikativ; bestätigen Sie immer die genaue Zusammensetzung auf dem Walzwerk-Zertifikat.
| Element | H13 (typische AISI-Bereiche, Gew.% ) | 8407 (repräsentativ, typische Bereiche, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | 0.32 – 0.45 | 0.36 – 0.44 |
| Mn | 0.20 – 0.50 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.80 – 1.20 | 0.80 – 1.20 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.025 |
| Cr | 4.75 – 5.50 | 4.5 – 5.3 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | 1.10 – 1.75 | 0.9 – 1.3 |
| V | 0.80 – 1.20 | 0.8 – 1.2 |
| Nb | — (Spur) | — (Spur) |
| Ti | — (Spur) | — (Spur) |
| B | — | — |
| N | — | — |
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff: primäre Härtbarkeit und erreichbare Härte; höherer C erhöht die Festigkeit und Abriebfestigkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität. - Chrom und Molybdän: erhöhen die Härtbarkeit, die Festigkeit bei hohen Temperaturen und den Temperwiderstand. - Vanadium: verfeinert Karbide und Korngröße, verbessert die Abriebfestigkeit und Zähigkeit. - Silizium und Mangan: Entgasung und Festigkeit; Mn trägt zur Härtbarkeit bei, aber übermäßiges Mn kann die Segregation fördern. - Kontrolle der Spurenelemente und niedriger P/S verbessern die Zähigkeit und Reinheit — ein Bereich, in dem walzwerkspezifische Sorten (wie bestimmte 8407-Materialangebote) möglicherweise engere Grenzen betonen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Im abgeschreckten und vergüteten Zustand sind H13 und 8407 vergütete Martensit-Matrizen, die dispergierte legierte Karbide (Cr-, Mo-, V-Karbide) enthalten. Die Mikrostruktur umfasst die Korngrenzen der vorherigen Austenitkörner, martensitische Lamellen und legierte Karbide, abhängig von der Wärmebehandlung.
Reaktion auf Wärmebehandlung und -wege: - Glühen/Normalisieren: Weichglühen zur Bearbeitung auf ein festgelegtes Härtelevel (häufig ~200–260 HB) und zur Homogenisierung der Struktur. Normalisieren verfeinert die vorherigen Austenitkörner. - Härten (Abschrecken): Austenitisieren im Temperaturbereich von 1000–1050 °C (typische AISI H13-Praxis hängt von der Querschnittsgröße und den Empfehlungen des Lieferanten ab), gefolgt von Luft-, Öl- oder kontrolliertem Abschrecken auf Raumtemperatur. Da es sich um legierte Stähle mit moderater Härtbarkeit handelt, beeinflussen das Abschreckmedium und die Querschnittsgröße stark die Härteuniformität. - Vergüten: Mehrere Vergütungszyklen im Temperaturbereich von 500–600 °C, um ein Gleichgewicht zwischen Härte und Temperwiderstand zu erreichen; das Vergüten bei höheren Temperaturen erhöht den Widerstand gegen Weichwerden für Anwendungen in der Warmbearbeitung. - Thermomechanische Verarbeitung: Für 8407, die von einigen europäischen Walzwerken produziert werden, kann eine engere Kontrolle über Schmiede- und Walzpläne sowie das Nachglühen nach dem Schmieden eine verbesserte Homogenisierung, Reinheit und Zähigkeit erzeugen.
Unterschiede in der Reaktion: - Beide Sorten reagieren ähnlich auf standardisierte Abschreck- und Vergütungszyklen. Walzwerkspezifische Praktiken (kontrollierte Atmosphäre, Vakuum-Entgasung, Schmiedeverfahren), die in einigen Walzwerken auf 8407 angewendet werden, können eine konsistentere Durchhärtung und leicht verbesserte Zähigkeit für eine gegebene Härte ergeben.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung, der Querschnittsgröße und dem Vergüten ab. Die folgende Tabelle zeigt typische Eigenschaftsbereiche nach Härten und Vergüten für Werkzeugdienstbedingungen. Verwenden Sie diese nur als indikative Bereiche; überprüfen Sie die Daten beim Lieferanten.
| Eigenschaft | H13 (typisch, nach Wärmebehandlung) | 8407 (repräsentativ, nach Wärmebehandlung) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~900 – 1600 | ~900 – 1600 |
| Streckgrenze (MPa) | ~700 – 1400 | ~700 – 1400 |
| Dehnung (%) | ~8 – 15 | ~8 – 15 |
| Schlagzähigkeit (Charpy, J) | ~10 – 40 (hängt von der Härte ab) | ~12 – 45 (kann bei reineren Stählen höher sein) |
| Härte (HRC) | ~40 – 56 (typischer Werkzeugbereich 45–52) | ~40 – 56 (typischer Werkzeugbereich 45–52) |
Interpretation: - Festigkeits- und Härtebereiche überschneiden sich für H13 und 8407, da die Chemie ähnlich ist. Praktische Unterschiede ergeben sich aus der Walzwerkverarbeitung und der Kontrolle von Verunreinigungen: Eine reinere 8407-Batch kann bei gleicher Härte geringfügig höhere Zähigkeit aufweisen. - Für Anwendungen, die maximale Härte und Abriebfestigkeit priorisieren, können beide Sorten auf vergleichbare HRC gehärtet werden; für maximale Zähigkeit bei gegebener Härte kann eine hochwertige 8407-Variante Vorteile bieten.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffäquivalent und den Legierungsgehalt (Härtungselemente) bestimmt. Verwenden Sie Standardindizes, um die Schweißbarkeit qualitativ zu schätzen:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Beide Sorten haben moderaten Kohlenstoff und signifikante Legierung (Cr, Mo, V). Diese erhöhen $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu niedriglegierten Stählen, was auf eine Neigung zu Kaltversprödung und martensitischer Härtung in der wärmebeeinflussten Zone hinweist. - Praktische Empfehlungen: Vorwärmen vor dem Schweißen, Verwendung von passenden oder niedrigeren Härtefüllmetallen, Kontrolle der Interpass-Temperatur und Durchführung von Nachschweißvergütung oder Spannungsabbau. Für kritische Werkzeuge sollten Schweißreparaturen mit definierten Schweißverfahrensspezifikationen (WPS) und qualifizierten Verfahren geplant werden. - Zwischen den beiden sind die Unterschiede in der Schweißbarkeit gering und werden von dem genauen Kohlenstoffgehalt und der Querschnittsdicke dominiert; wenn 8407-Batches mit leicht höherem Mn oder C produziert werden, können die Schweißanforderungen strenger sein.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder H13 noch 8407 sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit in feuchten oder korrosiven Umgebungen ist begrenzt. Typische Schutzstrategien:
- Farben, Lacke oder lösemittelbasierte Beschichtungen zum atmosphärischen Schutz.
- Galvanisieren ist für Werkzeugteile nicht typisch (die Beschichtung kann die Abmessungen und den thermischen Kontakt beeinträchtigen).
- Lokalisierte Oberflächenbehandlungen wie PVD/CVD-Beschichtungen (TiN, CrN) für Abrieb und Verschleiß; thermische Barriereschichten für Hochtemperaturanwendungen.
- Strahlbehandlung und Oberflächenpolieren zur Minderung der Ermüdungsinitiierung.
- PREN ist nicht anwendbar, da es sich um nicht rostfreie Werkzeugstähle handelt: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index gilt nur für rostfreie Legierungen; H13/8407 werden nicht nach PREN bewertet.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Im geglühten (weichen) Zustand lassen sich beide Sorten gut bearbeiten; übliche Praxis ist es, auf ~180–260 HB zu glühen für die Bearbeitung. Der Karbidgehalt und die Legierung können die Bearbeitbarkeit im gehärteten Zustand verringern — verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge, starre Aufbauten und geeignete Schnittparameter.
- Hartbearbeitung vs. konventionell: Hartfräsen/-schleifen nach der Wärmebehandlung ist üblich für die Endbearbeitung — Diamantschleifen oder CBN-Werkzeuge werden für hohe Härte verwendet.
- Formbarkeit: Diese Stähle sind nicht für umfangreiche Kaltumformung im gehärteten Zustand vorgesehen. Schmieden und Warmbearbeitung sind Standard in der Walzwerkverarbeitung; Biegen oder Formen sollte im weichgeglühten Zustand erfolgen.
- Oberflächenveredelung: Polieren und EDM sind üblich; EDM beeinflusst die wärmebeeinflusste Oberfläche und erfordert normalerweise ein Nachhärten oder eine Nachbearbeitung, um die Rekristallisationsschicht zu entfernen, wenn sie dienstkritisch ist.
8. Typische Anwendungen
| H13 (Typische Anwendungen) | 8407 (Typische Anwendungen) |
|---|---|
| Warmarbeits-Druckgussformen, Auswerferstifte, Einsätze | Warmarbeits-Schmiedewerkzeuge, Druckgusskerne, Extrusionswerkzeuge |
| Warmarbeits- und Druckgussformen für Hochtemperatur-Stanzen | Werkzeuge, die hohe Rückverfolgbarkeit und niedrigen Verunreinigungsgehalt erfordern (z. B. Luftfahrtwerkzeuge) |
| Extrusions- und Warm-Schneidklingen | Hochleistungs-Warmarbeitsanwendungen, bei denen die Walzkontrolle spezifiziert ist |
| Kernformen für Kunststoff, die eine thermische Ermüdungsbeständigkeit erfordern | Ähnliche Warmarbeitsanwendungen, bei denen europäische/skandinavische Walzwerksstandards spezifiziert sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie entweder Sorte für Warmarbeitsanwendungen, bei denen Wärme- und thermische Zyklenbeständigkeit erforderlich sind. Wählen Sie 8407, wenn walzwerkspezifische Rückverfolgbarkeit, engere Verunreinigungssteuerung oder spezifische europäische Walzwerkverarbeitung erforderlich sind. Wählen Sie H13, wenn die Spezifikation die AISI/ASTM-Bezeichnung verlangt oder wenn eine breite Verfügbarkeit von Lieferanten wichtig ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: H13 wird weltweit in großem Umfang produziert und kann aufgrund der Volumenproduktion wettbewerbsfähiger sein. 8407, wenn es von Spezialwalzwerken mit engeren Prozesskontrollen produziert wird, kann einen Aufpreis haben.
- Verfügbarkeit: H13 ist in vielen Produktformen (Stangen, Platten, Schmiedeteile, Werkzeugrohlinge) von vielen globalen Lieferanten weit verbreitet. Die Verfügbarkeit von 8407 kann regional oder an bestimmte Walzwerke gebunden sein — die Lieferzeiten können außerhalb der Lieferantenregionen länger sein.
- Produktformen: Beide sind als geschmiedete Blöcke, Stangen und vorgehärtete Rohlinge erhältlich. Für große, kritische Formen sollten Walzwerkzertifikate, zerstörungsfreie Prüfungen und vereinbarte Liefer-/Inspektionsbedingungen spezifiziert werden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Metrik | H13 | 8407 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Moderat — erfordert Vorwärmen/Nachschweißvergütung | Moderat — ähnlich, hängt von der genauen Chemie ab |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Hohe Festigkeit und Temperwiderstand; etablierte Wärmebehandlungs-Kurven | Vergleichbare Festigkeit; Potenzial für leicht höhere Zähigkeit, wenn mit engerer Reinheit produziert |
| Kosten & Verfügbarkeit | Weit verbreitet, in der Regel kosteneffektiver | Potentieller Aufpreis für walzwerkskontrollierte Qualität; kann regionale Lieferzeiten haben |
Empfehlung: - Wählen Sie H13, wenn Sie einen weithin anerkannten, leicht verfügbaren Werkzeugstahl für Warmbearbeitung mit etablierten Spezifikationen, umfangreichen Lieferantenoptionen und wettbewerbsfähigen Preisen benötigen. Es ist die Standardwahl für allgemeine Warmarbeitsformen, Druckgusskerne, Extrusionswerkzeuge und Reparaturmaterial. - Wählen Sie 8407, wenn Ihr Projekt eine walzwerkspezifizierte europäische/skandinavische Sorte erfordert, die Materialreinheit, Rückverfolgbarkeit und konsistente thermomechanische Verarbeitung betont, oder wenn die Beschaffungsspezifikationen diese Bezeichnung verlangen. 8407 kann vorteilhaft für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit sein, bei denen marginale Gewinne in Zähigkeit und Konsistenz potenzielle Kosten- oder Lieferzeitunterschiede rechtfertigen.
Letzte Anmerkung: Da die Leistung im Einsatz stark von der genauen Chemie, der Querschnittsgröße und dem Wärmebehandlungszeitplan abhängt, fordern Sie immer das Walzwerkzertifikat, die empfohlenen Härtungs-/Vergütungszyklen und, für kritische Werkzeuge, die NDT-/Reinigungsdokumentation des Lieferanten vor der Auswahl und Beschaffung an.