H13 vs H11 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

H13 und H11 sind zwei der am häufigsten verwendeten Warmarbeitsstahlgüten in der Industrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig H11 und H13 ab, wenn sie Formen, Warmumformwerkzeuge, Extrusionswerkzeuge oder Spritzgussgeräte spezifizieren, die hohen Temperaturen, zyklischem thermischen Schock und abrasivem Verschleiß widerstehen müssen. Das Auswahldilemma dreht sich typischerweise um den Kompromiss zwischen der Festigkeit und Warmhärte bei erhöhten Temperaturen und der Bruchzähigkeit sowie der Widerstandsfähigkeit gegen Schlag-/Abplatzungen unter starkem mechanischen Schock.

Der wesentliche praktische Unterschied zwischen diesen Güten liegt im Gleichgewicht zwischen Hochtemperaturfestigkeit und Zähigkeit: H13 wird im Allgemeinen dort spezifiziert, wo Warmhärte, Anlassträhe und thermische Ermüdungsbeständigkeit von primärer Bedeutung sind (z. B. Druckguss, Extrusion), während H11 oft gewählt wird, wo verbesserte Volumenzähigkeit unter Schock und intermittierender Hochbelastung wichtiger ist. Beide sind Warmarbeitsstähle mit ähnlichen Grundchemien, aber bescheidene Unterschiede in Molybdän und Verarbeitung führen zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Einsatz.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Bezeichnungen:
• ASTM/ASME: A681 (spezifiziert AISI/UNS Werkzeugstähle einschließlich H-Serie)
• EN: EN X40CrMoV5-1 (H13-Äquivalent) und ähnliche EN-Nummern für H11-Varianten
• JIS: SKD61 (ungefähr äquivalent zu H13) und SKD5/SKD9-Varianten, die manchmal mit H11 verglichen werden
• GB (China): Vergleichbare Bezeichnungen werden häufig verwendet (z. B. H13/H11-Direktbezeichnungen sind üblich)
• Klassifizierung:
• Sowohl H13 als auch H11 sind als Warmarbeitsstähle (legierte Werkzeugstähle) klassifiziert. Sie sind keine rostfreien Stähle oder HSLA; sie sind kohlenstofflegierte Werkzeugstähle, die für Werkzeuge bei erhöhten Temperaturen vorgesehen sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) für kommerziell spezifiziertes H13 und H11 (repräsentative Bereiche aus gängigen Datenblättern und Normen; genaue Werte hängen von der Norm und dem Lieferanten ab):

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff und Chrom bestimmen hauptsächlich die Härtbarkeit, die martensitische Härtungsfähigkeit und die Ansprechbarkeit auf das Anlassen. - Molybdän erhöht die Härtbarkeit, die Anlassträhe (Rotwärmebeständigkeit) und trägt zur Hochtemperaturfestigkeit bei – ein wesentlicher Grund, warum H13 (höherer Mo-Gehalt) überlegene Warmhärte und thermische Ermüdungsbeständigkeit aufweist. - Vanadium fördert die Ausscheidungsstärkung (VC), trägt zur sekundären Härtung und zur Verschleißbeständigkeit bei. - Silizium verbessert die Festigkeit und die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. - Niedrige Gehalte an Mn, P, S und Spur-Mikrolegerungen steuern die Zähigkeit und Reinheit.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen: - Im geglühten oder normalisierten Zustand weisen beide Güten eine temperierte Martensit/Ferrit-Matrix mit feinen Legierungskarbidpartikeln (Cr- und V-haltige Karbide) auf. Die Karbidverteilung und das Volumenverhältnis werden von C, Mo und V beeinflusst. - Nach dem Abschrecken von einer ausreichend hohen Austenitisierungstemperatur (gewöhnlich 1000–1050 °C für diese Güten) und anschließender Anlasung ist die Mikrostruktur temperierte Martensit mit Legierungskarbidpartikeln und möglichem zurückgehaltenem Austenit, wenn überanlasst oder langsam abgekühlt wurde.

Wie gängige thermische Prozesse sie beeinflussen: - Normalisieren: Verfeinert die Kornstruktur; wird vor der endgültigen Härtung durchgeführt, um die Mikrostruktur zu homogenisieren und Segregationen zu entfernen. - Abschrecken & Anlassen: Beide reagieren gut auf konventionelle Abschreck- und Anlaszyklen. H13’s höherer Mo-Gehalt erhöht die Härtbarkeit und steigert die Anlassträhe (behaltene Härte bei höheren Anlasstemperaturen). H11 mit leicht niedrigerem Mo-Gehalt erreicht tendenziell vergleichbare Härte, kann jedoch nach optimiertem Anlassen eine leicht höhere zurückgehaltene Zähigkeit aufweisen. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Schmieden und kontrolliertes Walzen vor dem Normalisieren können die Zähigkeit verbessern, indem grobe Karbide aufgebrochen und die vorherige Austenitkorngröße verfeinert wird. Dies wird häufig für große Formschmiedeteile oder schwere Werkzeuge verwendet, um die Bruchbeständigkeit zu maximieren.

Auswirkungen auf die Leistung: - H13’s Mikrostruktur mit mehr Mo unterstützt höhere Rotwärmebeständigkeit und Widerstand gegen Weichwerden bei erhöhten Betriebstemperaturen. - H11’s Mikrostruktur kann (durch Anlassen und thermo-mechanische Verarbeitung) optimiert werden, um die Volumenzähigkeit und den Widerstand gegen Rissausbreitung zu maximieren.

4. Mechanische Eigenschaften

Typische Bereiche für abgeschreckte und angelassene Eigenschaften (Werte variieren je nach Anlasstiefe und Lieferant; angegebene Bereiche sind repräsentativ für gängige HT-Bedingungen):

Interpretation: - Festigkeit: Beide Güten können nach ordnungsgemäßer Wärmebehandlung ähnliche hohe Festigkeiten erreichen, aber H13 wird häufig ausgewählt, wenn eine höhere zurückgehaltene Festigkeit bei erhöhten Temperaturen erforderlich ist. - Zähigkeit: H11 zeigt typischerweise etwas höhere Volumenzähigkeit und Schlagfestigkeit unter vergleichbaren Härtebedingungen. Der Unterschied verstärkt sich, wenn Werkzeuge für starke Schockbelastungen oder wiederholte mechanische Einwirkungen ausgelegt sind. - Duktilität: Vergleichbar; H11 kann je nach Anlasstiefe und Verarbeitung einen bescheidenen Vorteil in der Dehnung beim Bruch aufweisen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffäquivalent und die Legierungsbeiträge zur Härtbarkeit und Anfälligkeit für Kaltbrüche bestimmt.

Nützliche empirische Formeln: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (empfindlicher gegenüber Rissneigung): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Sowohl H13 als auch H11 haben einen moderaten Kohlenstoffgehalt und signifikante Legierungen (Cr, Mo, V), die die Härtbarkeit erhöhen; daher gelten beide als mäßig schwierig zu schweißen im unangelassenen Zustand. Vorwärmen, Kontrolle der Zwischenschichttemperatur und Nachbehandlung (PWHT) sind typischerweise erforderlich, um Risse zu vermeiden. - H13’s höherer Mo-Gehalt und oft leicht höheres CE machen es tendenziell anfälliger für Härtung und Rissbildung in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ), sodass die Schweißpraxis konservativer sein muss (höheres Vorwärmen, kontrollierte Abkühlung, PWHT). - H11, mit leicht niedrigerem Mo-Gehalt, ist marginal einfacher zu schweißen, erfordert jedoch weiterhin die üblichen Vorsichtsmaßnahmen für Werkzeugstähle (Vorwärmen, niedrige Wärmeaufnahme, PWHT) und die Verwendung von passenden oder spezialisierten Füllmetallen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder H13 noch H11 sind rostfrei; beide sind in feuchten oder korrosiven Umgebungen korrosionsanfällig. Typische Schutzmethoden umfassen:
• Beschichtung oder Polymerbeschichtungen
• Chemische Passivierung (begrenzte Wirksamkeit bei diesen legierten Stählen)
• Lokalisierte Verzinkung ist für Werkzeuge unüblich, da Beschichtungen Toleranzen und Leistung beeinträchtigen können.
• Oberflächenengineering (Nitrieren, PVD-Beschichtungen, keramische oder DLC-Beschichtungen) wird häufig verwendet, um die Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist nur für rostfreie Legierungen von Bedeutung; zum Beispiel: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index gilt nicht für H11/H13, da es sich um nicht rostfreie Werkzeugstähle handelt.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit:
• Im geglühten Zustand sind beide Güten mit Standard-Hochgeschwindigkeitsstahl oder Hartmetallwerkzeugen zerspanbar. H13, mit leicht höherem Mo-Gehalt und mehr sekundären Karbiden, kann marginal abrasiver für Werkzeuge sein und die Werkzeuglebensdauer im Vergleich zu H11 unter vergleichbaren Bedingungen verringern.
• Im gehärteten Zustand sind beide schwierig zu bearbeiten; EDM, Schleifen und abrasive Bearbeitung sind typische Fertigungsverfahren.
• Formbarkeit:
• Warmumformung (Schmieden) ist gängige Praxis für große Formen. Beide reagieren gut auf Warmbearbeitung, wenn geeignete Temperaturen und Dehnungsraten verwendet werden.
• Kaltumformung ist aufgrund des Kohlenstoffgehalts und des Risikos von Rissen begrenzt.
• Fertigung:
• Beide akzeptieren Oberflächenhärtungsverfahren (Nitrieren, Induktionshärtung für selektive Bereiche) und PVD/CVD-Beschichtungen. H13’s bessere Anlassträhe macht es zu einer etwas besseren Plattform für Beschichtungen, die bei erhöhten Temperaturen verwendet werden.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie H13, wenn wiederholte hohe Temperaturbelastung, thermische Zyklen und Widerstand gegen Weichwerden (Anlassträhe) die dominierenden Anliegen sind. - Wählen Sie H11, wenn der Dienst schwere mechanische Schläge, große Querschnitte mit inneren Spannungen umfasst oder wenn die Maximierung der Volumenbruchzähigkeit Priorität hat.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: H13 wird weltweit in großen Mengen produziert und vorrätig gehalten; sein höherer Molybdängehalt kann es im Vergleich zu H11 pro kg etwas teurer machen, aber die Preise hängen vom Lieferanten und Markt ab. H11 kann dort geringfügig günstiger sein, wo Lagerbestände und lokale Versorgung es begünstigen.
• Verfügbarkeit nach Produktform:
• Stangen, Blöcke, Platten, Schmiedeteile und vorgehärtete Platten sind für beide Güten allgemein verfügbar. H13 ist vielleicht die am häufigsten gelagerte Warmarbeitsgüte weltweit, sodass die Lieferzeiten und die Vielfalt der Formen oft besser für H13 sind.
• Für große maßgefertigte Schmiedeteile hängen die Lieferzeiten mehr von Wärmebehandlungs- und Schmiedehäusern als von der Grundmaterialgüte ab.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlungen: - Wählen Sie H13, wenn: - Ihre Werkzeuge bei erhöhten Temperaturen über längere Zyklen betrieben werden und gute Rotwärmebeständigkeit und Widerstand gegen thermisches Weichwerden benötigen (z. B. Druckguss, Extrusion, heißes Schneiden). - Thermische Ermüdung und Widerstand gegen Weichwerden unter zyklischer Erwärmung die primären Versagensarten sind. - Wählen Sie H11, wenn: - Das Werkzeug oder die Form schweren mechanischen Schlägen, Stößen ausgesetzt ist oder wenn die Verhinderung von sprödem Bruch und Abplatzungen die Hauptsorge ist (große Schmiedewerkzeuge, schockanfällige Werkzeuge). - Sie die Bruchzähigkeit und die Reparierbarkeit über die maximale Hochtemperatur-Härteerhaltung priorisieren.

Letzte Anmerkung: Die praktische Leistung beider Güten hängt stark von der Qualität der Versorgung, der Reinheit, der vorherigen thermo-mechanischen Verarbeitung und dem genauen Wärmebehandlungsplan ab. Für kritische Werkzeuge sollten die erforderliche Zähigkeit, der akzeptable Härtebereich und alle Nachbehandlungspraktiken in den Beschaffungsunterlagen spezifiziert und mit den Stahlzulieferern konsultiert werden, um die Mill-Zertifikate und empfohlenen thermischen Zyklen, die auf die Anwendung zugeschnitten sind, zu erhalten.