X12CrMo5 vs X20CrMoV12-1 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Ingenieure und Beschaffungsexperten stehen häufig vor der Wahl zwischen Stählen, die auf dem Papier ähnlich aussehen, aber unterschiedliche Rollen im Einsatz erfüllen: der eine bietet Korrosions- und Temperaturbeständigkeit bei angemessener Zähigkeit und Schweißbarkeit; der andere ist für Warmbearbeitungswerkzeuge und Verschleißbeständigkeit bei hohen Temperaturen optimiert. Das Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise auf Kompromisse zwischen Korrosionsbeständigkeit und Kosten oder zwischen Rot-Härte/Verschleißbeständigkeit und Bearbeitbarkeit/Schweißbarkeit.
Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden deutschen Stählen ist funktional: der eine ist ein chromhaltiger martensitischer Edelstahl, der für den Einsatz bei hohen Temperaturen und Korrosionsbeständigkeit vorgesehen ist, während der andere ein hochchromhaltiger, molybdän-vanadiumlegierter Werkzeugstahl ist, der für die Warmbearbeitung und Werkzeuge entwickelt wurde, bei denen Rot-Härte und Verschleißbeständigkeit entscheidend sind. Da beide signifikante Mengen an Chrom und Legierungszusätzen enthalten, vergleichen Designer sie, wenn Teile einer erhöhten Temperaturbelastung, abrasivem Kontakt oder zyklischer thermischer Belastung ausgesetzt sind.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche Normen, in denen diese Bezeichnungen erscheinen: EN / DIN (europäisch), ISO (wo zutreffend) und nationale Äquivalente (ASTM/ASME, JIS, GB). Exakte Querverweisnummern können variieren; immer mit den Lieferanten-Mühlenzertifikaten und den aktuellen Normen überprüfen.
- Materialklasse:
- X12CrMo5 — ein martensitischer Chromlegierungsstahl, der üblicherweise unter hitzebeständigen oder martensitischen Edelstählen und nicht unter Werkzeugstählen kategorisiert wird.
- X20CrMoV12-1 — ein Warmbearbeitungs-/Werkzeugstahl (hochlegierter Cr–Mo–V-Grad), der typischerweise unter Werkzeugstählen (Warmbearbeitung) in EN/ISO-Normen aufgeführt ist.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | X12CrMo5 (typische Rolle) | X20CrMoV12-1 (typische Rolle) |
|---|---|---|
| C | Niedrig–moderat; ermöglicht martensitische Härtung bei akzeptabler Schweißbarkeit und Zähigkeit | Moderat; unterstützt höhere Härtbarkeit und Verschleißbeständigkeit durch Karbidbildung |
| Mn | Niedrig; Entgasung und geringe Härtbarkeit | Niedrig–moderat; trägt zur Härtbarkeit bei |
| Si | Niedrig; Entgasungsmittel und Festigkeitsbeitrag | Niedrig; Entgasungsmittel und Hochtemperaturfestigkeit |
| P | Spuren; niedrig gehalten für Zähigkeit | Spuren; niedrig gehalten für Zähigkeit |
| S | Spuren; kontrolliert für Bearbeitbarkeit | Spuren; kontrolliert für Bearbeitbarkeit |
| Cr | Hoch; primär für Korrosionsbeständigkeit und Anlasstemperaturbeständigkeit | Sehr hoch; primär für Rot-Härte, Verschleißbeständigkeit und Karbidbildner |
| Ni | Typischerweise minimal/abwesend | Typischerweise minimal/abwesend |
| Mo | Moderat; verbessert Kriech- und Hochtemperaturfestigkeit | Moderat–hoch; verbessert Rot-Härte und Anlasstemperaturbeständigkeit |
| V | Niedrig oder Spuren; verfeinert Karbide/Mikrostruktur | Vorhanden; bildet harte Vanadiumkarbide für Verschleißbeständigkeit |
| Nb/Ti | Üblicherweise abwesend oder Spuren; Kornstabilisierung, falls vorhanden | Mögliche Spuren; Kornverfeinerung und Karbidkontrolle |
| B | Spuren, falls vorhanden, für Härtbarkeit | Mögliche Spuren; Härtbarkeitsmodifikator in einigen Schmelzen |
| N | Sehr niedrig; kontrolliert | Sehr niedrig; kontrolliert |
Hinweise: Die Tabelle gibt die relative Präsenz und metallurgische Rolle an, nicht exakte Prozentsätze. Für Beschaffung und Prozesskontrolle verwenden Sie Mühlenzertifikate und EN/ASTM-Bezeichnungen für exakte Zusammensetzungsgrenzen.
Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Chrom erhöht die Korrosionsbeständigkeit, Anlasstemperaturbeständigkeit und Karbidbildungsfähigkeit. In martensitischen Edelstählen verleiht es Passivität; in Werkzeugstählen trägt es zur Rot-Härte und Verschleißbeständigkeit bei. - Molybdän und Vanadium erhöhen die Rot-Härte, Anlasstemperaturbeständigkeit und die Bildung stabiler Karbide, was die Verschleißbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen verbessert. - Kohlenstoff steuert die erreichbare Härte und Härtbarkeit, reduziert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit, wenn er steigt.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Typische Mikrostrukturen nach Standardverarbeitung: - X12CrMo5: geglüht/normiert ergibt Ferrit/Perlit oder eine weiche martensitische Matrix, abhängig von der Behandlung. Nach Abschrecken und Anlassen bildet es angelassenes Martensit mit fein dispergierten Karbiden; einige zurückgehaltene Austenit können je nach Legierung und Abkühlung auftreten. - X20CrMoV12-1: im geglühten Zustand enthält es angelassenes Martensit plus eine signifikante Anzahl von Legierungskarbid (Cr-reiche Karbide und Vanadiumkarbide). Nach geeigneter Abschreckung und Anlassen für Warmbearbeitungsstähle bietet eine angelassene Martensitmatrix mit stabilen harten Karbiden die Kombination aus Zähigkeit und Rot-Härte.
Wie Wärmebehandlungen jede beeinflussen: - Normalisieren/Verfeinerung: Beide Grades profitieren vom Normalisieren zur Verfeinerung der Korngröße; die Karbidverteilung in Werkzeugstählen ist kritischer und erfordert oft kontrollierte Kühlzyklen. - Abschrecken & Anlassen: Beide reagieren auf Abschreck- und Anlaszyklen. X20CrMoV12-1 wird typischerweise auf höhere Endhärten durch höhere Anlasstemperaturen gehärtet, die darauf abzielen, die Rot-Härte zu erhalten; das Anlassen erzeugt stabile sekundäre Härtung aufgrund von Mo/V-Karbiden. X12CrMo5 wird angelassen, um Zähigkeit und Härte für den Einsatz auszubalancieren und kann in gehärtetem und angelassenem Zustand oder als ausfällungsgehärtete Sorte für Kriechbeständigkeit verwendet werden. - Thermo-mechanische Verarbeitung: wird häufiger auf Stähle angewendet, bei denen eine Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit bei niedrigeren Legierungsgehalten erforderlich ist; für Werkzeugstähle sind kontrolliertes Schmieden und Wärmebehandlung zur Optimierung der Karbidmorphologie Standard.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | X12CrMo5 (typisches Verhalten) | X20CrMoV12-1 (typisches Verhalten) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Moderat — ausreichend für viele hochtemperaturbeständige Strukturteile | Höher — ausgelegt für erhöhte Zug- und Druckbelastungen in Werkzeugen |
| Streckgrenze | Moderat | Höher |
| Elongation | Höher (duktiler unter vergleichbaren Bedingungen) | Lower (Kompromiss für Härte/Verschleißbeständigkeit) |
| Schlagzähigkeit | Allgemein bessere Zähigkeit bei ordnungsgemäßem Anlassen | Niedriger; Werkzeugstähle opfern etwas Zähigkeit für Verschleiß- und Rot-Härte |
| Härte (gehärtet/angelassen) | Moderat bis hoch (dienstabhängig) | Typischerweise höhere erreichbare Härte und erhaltene Härte bei erhöhten Temperaturen |
Erklärung: X20CrMoV12-1 ist für Festigkeit und Verschleiß bei erhöhten Temperaturen optimiert und erreicht daher höhere Härte und Festigkeit nach geeigneter Wärmebehandlung aufgrund des höheren Legierungsgehalts und der Karbid bildenden Elemente. X12CrMo5, der entwickelt wurde, um Oxidation/Korrosion zu widerstehen und die Zähigkeit zu erhalten, bietet in vielen Anlasbedingungen eine bessere Duktilität und Schlagzähigkeit.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit muss unter Verwendung von Kohlenstoffäquivalentkonzepten und Legierungsgehalt bewertet werden. Zwei häufig verwendete empirische Ausdrücke:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation (qualitativ): - Ein höher berechneter $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ weist auf ein erhöhtes Risiko von Kaltreißern und einen größeren Bedarf an Vorwärmung, Interpass-Temperaturkontrolle und Nachschweißwärmebehandlung hin. - X12CrMo5 weist typischerweise niedrigere Kohlenstoffäquivalente auf als stark legierte Werkzeugstähle, was ihm relativ bessere Schweißbarkeit verleiht; das martensitische Edelstahlverhalten erfordert dennoch kontrollierte Erwärmung und PWHT, um Rissbildung zu vermeiden und die Härte wiederherzustellen. - X20CrMoV12-1 hat mit höherem Cr, Mo und V im Allgemeinen eine höhere Härtbarkeit und ein höheres Kohlenstoffäquivalent, was das Schweißen anspruchsvoller macht: Vorwärmung, Niedrigwasserstoffpraxis und PWHT sind häufig erforderlich. Die Auswahl des Schweißzusatzmaterials muss die erforderliche Betriebstemperatur, die gewünschte Zähigkeit und die Anfälligkeit für Anlasversprödung berücksichtigen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- X12CrMo5: als chromhaltiger martensitischer Edelstahl bietet er im Vergleich zu einfachen Kohlenstoffstählen eine messbare Korrosionsbeständigkeit. Sein passives Verhalten hängt vom Chromgehalt und der Wärmebehandlung ab; in vielen Umgebungen schneidet er ohne Beschichtungen besser ab, aber für aggressive Medien können schützende Beschichtungen oder Passivierung dennoch erforderlich sein.
- X20CrMoV12-1: als Werkzeugstahl ist er kein Edelstahl; er erfordert Schutzmaßnahmen in korrosiven Umgebungen wie Beschichtungen (Nitrieren, PVD/CVD-Beschichtungen für Verschleiß), Lackieren oder Verzinken (Verzinkung ist für einige Formen möglich, aber möglicherweise nicht für Werkzeugoberflächen geeignet).
- Wenn Korrosionsindizes relevant sind (Edelstahllegierungen), wird PREN verwendet, um die Lochkorrosionsbeständigkeit zu vergleichen:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Dieser Index ist nicht anwendbar auf Werkzeugstähle, die hauptsächlich für Verschleiß/Rot-Härte ausgelegt sind.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitung: X20CrMoV12-1 ist im gehärteten Zustand aufgrund stabiler Karbide und höherer Härte schwieriger zu bearbeiten; im geglühten Zustand bearbeitet er sich wie ein hochlegierter Stahl, erfordert jedoch gutes Werkzeug und Kühlmittel. Die Bearbeitbarkeit von X12CrMo5 ist moderat und oft besser als die hochlegierter Werkzeugstähle, insbesondere in weicheren Zuständen.
- Umformen/Biegen: X12CrMo5 hat im geglühten Zustand eine bessere Formbarkeit; X20CrMoV12-1 ist nicht für starkes Umformen im gehärteten Zustand vorgesehen und wird typischerweise warmbearbeitet oder geschmiedet, um die nahezu endgültige Form vor der endgültigen Wärmebehandlung zu erreichen.
- Oberflächenveredelung: Beide können geschliffen und bearbeitet werden; Werkzeugstähle benötigen oft spezialisiertes Schleifen, um mit harten Karbiden umzugehen; Edelstahlähnliche Grade erfordern Aufmerksamkeit, um Wärmeverfärbung zu vermeiden und die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten.
8. Typische Anwendungen
| X12CrMo5 (häufige Anwendungen) | X20CrMoV12-1 (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Hochtemperaturstrukturkomponenten mit moderater Korrosionsbeständigkeit (Ventile, Ofenkomponenten, Wellen, die hoher Temperaturoxidation ausgesetzt sind) | Warmbearbeitungswerkzeuge: Stempel, Druckgussformen, Extrusionsstempel, Schmiedewerkzeuge, die hohen Temperaturen und Verschleiß ausgesetzt sind |
| Teile, die ein Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit erfordern | Einsätze, Werkzeugkomponenten, bei denen Rot-Härte und Verschleißbeständigkeit entscheidend sind |
| Komponenten, bei denen Schweißen und Nachschweißanlassen verwendet werden | Komponenten, die aus Werkzeugstahlblöcken bearbeitet und für den Einsatz wärmebehandelt werden |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie die martensitische Chromlegierung, wenn Korrosionsbeständigkeit, einfachere Verarbeitung und bessere Duktilität/Zähigkeit Priorität haben. - Wählen Sie den Cr–Mo–V-Werkzeugstahl, wenn die Hauptanforderung Verschleißbeständigkeit, Rot-Härte und dimensionsstabilität unter zyklischen thermischen/mechanischen Belastungen ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Werkzeugstähle wie X20CrMoV12-1 sind typischerweise teurer pro Kilogramm als martensitische Edelstähle aufgrund des höheren Legierungsgehalts (Mo, V) und der spezialisierteren Verarbeitung. Werkzeugstahl verursacht auch höhere Verarbeitungskosten (Wärmebehandlung, Schleifen).
- Verfügbarkeit: X12CrMo5 und ähnliche Grade sind häufig in Stab-, Platten- und Rohrformen bei größeren Händlern vorrätig; Werkzeugstähle sind verfügbar, jedoch oft in begrenzteren Produktformen (Werkzeugrohlinge, geschmiedete Blöcke, Platten) und können auf Bestellung gefertigt oder von spezialisierten Werkzeugstahl-Lieferanten bezogen werden.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | X12CrMo5 | X20CrMoV12-1 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut bis moderat (erfordert PWHT für martensitische Edelstahlpraktiken) | Herausfordernd—erfordert Vorwärmung, Niedrigwasserstoffpraxis, PWHT |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Moderat hohe Festigkeit mit besserer Duktilität/Zähigkeit | Hohe Festigkeit und Härte, niedrigere Duktilität/Zähigkeit |
| Kosten | Niedriger bis moderat | Höher |
Empfehlung: - Wählen Sie X12CrMo5, wenn Sie einen korrosionsbeständigen, hitzebeständigen martensitischen Stahl mit einer verzeihenderen Verarbeitung und besserer Gesamtzähigkeit für Komponenten benötigen, die Oxidation oder mild korrosiven Hochtemperaturumgebungen ausgesetzt sind, und wenn Schweißen oder Kosten Priorität haben. - Wählen Sie X20CrMoV12-1, wenn die Einsatzbedingungen hohe Verschleißbeständigkeit, Rot-Härte und dimensionsstabilität unter zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen (Warmbearbeitungswerkzeuge, Formeinsätze) erfordern und wo höhere Material- und Verarbeitungskosten durch Werkzeuglebensdauer und Leistung gerechtfertigt sind.
Letzte Anmerkung: Beide Grade erfordern die Spezifikation exakter chemischer und mechanischer Anforderungen aus Normen oder Lieferantendatenblättern für Design, Verarbeitung und Beschaffung. Verwenden Sie Mühlenzertifikate und führen Sie Vorqualifizierungs-Schweißversuche durch, wenn die Einsatzbedingungen anspruchsvoll sind.