4145 Stahl: Äquivalente, Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften

AISI/SAE 4145 ist ein niedrig legierter Chrom-Molybdän-Stahl, der eine stärkere Härtbarkeit und eine höhere erreichbare Festigkeit als 4140 bietet. Dadurch eignet er sich besonders für Öl- und Gaskomponenten mit großen Querschnitten und Bohrlöchern, bei denen eine tiefe Härtung und eine hohe Streckgrenze erforderlich sind; diese Leistung wird durch einen etwas höheren Kohlenstoffgehalt und kontrollierte Cr- und Mo-Zusätze erreicht, und er wird normalerweise vergütet und auf bestimmte Härte- oder Mindeststreckgrenzen angelassen.

Schnelle Fakten

Chemische Zusammensetzung (typische Spezifikationsbereiche)

Nachstehend finden Sie eine praktische Zusammensetzungstabelle, die aus Datenblättern und Produktspezifikationen der Industrie zusammengestellt wurde. Die Lieferanten können geringfügige Abweichungen veröffentlichen, insbesondere für 4145 Modified, dem Mangan, Chrom oder Molybdän hinzugefügt werden kann, um die Härtbarkeit in großen Abschnitten zu verbessern.

Praktischer Hinweis: 4145 MOD-Varianten können absichtlich Mo und/oder Cr erhöhen, um die spezifizierte Mindeststreckgrenze oder -härte in größeren Querschnitten zu erreichen; bestätigen Sie immer die Walzzertifikate des Lieferanten für die genaue Chemie.

Mechanische Eigenschaften (typische Bereiche und Bemessungswerte)

Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung ab. Nachfolgend sind branchentypische Werte aus Lieferantenangaben und technischen Datenblättern aufgeführt; für die endgültige Auslegung sind spezifische Wärmebehandlungszertifikate zu verwenden.

Typische Lieferbereiche (normalisiert oder geglüht)

Vergütete Zielbereiche (gängige Praxis)

Entwurfspraxis: Für sicherheitskritische Bauteile sollten Sie sowohl eine Mindeststreckgrenze (z. B. 110 ksi / 758 MPa) als auch eine maximale Anlaßhärte angeben und eine Zertifizierung des Walzwerks und der Wärmebehandlung verlangen. 4145 wird häufig mit einer Mindeststreckgrenze für Ölfeldrohre und Bohrgestänge geliefert.

Wärmebehandlung und Härtbarkeitsverhalten

Abschrecken

Typische Abschreckmedien sind Öl- oder Polymerabschreckungen für Stangen und Schmiedestücke. Bei großen Querschnitten oder sehr strengen Anforderungen an die Härtbarkeit sind kontrollierte Abschreckprotokolle erforderlich, um Risse zu vermeiden und eine gleichmäßige Härte zu erreichen.

Anlassen

Die Wahl der Anlasstemperatur sorgt für ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit. Niedrigere Anlasstemperaturen führen zu höherer Härte und Festigkeit bei geringerer Kerbschlagzähigkeit. In der Regel wird die Anlasstemperatur so gewählt, dass der angestrebte HRC-Wert oder die Mindeststreckgrenze erreicht wird.

Härtbarkeit

4145 weist aufgrund seines etwas höheren Kohlenstoff- und Mo-Gehalts eine bessere Härtbarkeit auf als 4140. Dadurch eignet es sich besser für Geometrien, die tief gehärtet werden müssen. Bei sehr großen Durchmessern wird manchmal die MOD-Chemie 4145 mit höherem Mo- oder Mn-Gehalt verwendet, um eine angemessene Kernhärte zu gewährleisten.

Typischer Ablauf einer Wärmebehandlung (Industriebeispiel)

1. Normalisieren bei 850-900 °C, Abkühlen im Ofen zum Abbau von Walzspannungen (optional).

2. Austenitisieren bei 820-870 °C (genaue Temperatur anbieterspezifisch), Eintauchen je nach Profilgröße.

3. Abschrecken in Öl oder Polymer; bei großen Abschnitten ist eine kontrollierte Abkühlung zu erwägen, um Eigenspannungen zu verringern.

4. Anlassen bei der Temperatur, die erforderlich ist, um die angegebenen HRC-Werte oder mechanischen Werte zu erreichen; die Anlaßzyklen betragen oft 1-2 Stunden pro Zoll Dicke.

Praktische Vorsicht: 4145 kann anfällig für Abschreckrisse sein, wenn es unsachgemäß vorgewärmt oder zu stark abgeschreckt wird oder wenn es während der Verarbeitung zu einer Wasserstoffversprödung kommt. Nach dem Schweißen ist häufig eine Wärmebehandlung erforderlich.

Hinweise zu Bearbeitbarkeit, Schweißen und Umformen

Bearbeitbarkeit

Im normalgeglühten Zustand lässt sich 4145 ähnlich wie andere Cr-Mo-Stähle bearbeiten, aber wegen des höheren Kohlenstoffgehalts oft etwas schlechter als 4140. Im vergüteten Zustand verringern Karbidausscheidungen und höhere Härte die Bearbeitbarkeit; wählen Sie die Schnittgeschwindigkeiten und die Hartmetallwerkzeuge entsprechend.

Schweißen

Die Schweißbarkeit ist im Vergleich zu unlegierten Stählen eingeschränkt. Vorwärmen, wasserstoffarme Schweißzusätze und kontrollierte Zwischenlagentemperaturen werden dringend empfohlen. Wenn möglich, schweißen Sie in einem Zustand niedrigerer Festigkeit und geringerer Härtbarkeit und führen Sie eine geeignete Wärmebehandlung nach dem Schweißen durch, um die Zähigkeit wiederherzustellen und Eigenspannungen abzubauen. 4145 wird von einigen Lieferanten als "schlecht schweißbar" beschrieben, ist aber mit den richtigen Verfahren schweißbar.

Bildung von

Warmumformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur ist Routine. Die Kaltumformung sollte eingeschränkt werden, es sei denn, das Material befindet sich in einem relativ weichen, geglühten Zustand; durch die Kaltumformung erhöht sich das Risiko der Rissbildung bei Varianten mit hohem Kohlenstoffgehalt.

Gestaltungshinweise und Auswahlkriterien

Wenn Sie sich für 4145 gegenüber Alternativen entscheiden, sollten Sie diese Punkte abwägen:

• Wählen Sie 4145, wenn Tiefenhärtung und hohe Ausbeute in größeren Abschnitten erforderlich sind. Aus diesem Grund wird die Legierung häufig für schwere Wellen, Dorne und Komponenten für Bohrlöcher in Ölfeldern gewählt.

• Wenn die maximale Zähigkeit bei einer bestimmten Härte im Vordergrund steht, kann 4140 wegen des etwas geringeren Kohlenstoffgehalts vorzuziehen sein. Vergleichsdaten zeigen häufig, dass 4145 eine etwas bessere Härte, aber eine geringfügig geringere Kerbschlagzähigkeit bei gleichem HRC-Wert aufweist.

• Geben Sie bei kritischen Bauteilen sowohl den Härtebereich als auch die Mindestkerbschlagarbeit (Charpy V-Kerbe) bei der Anwendungstemperatur an. Verlangen Sie vollständige Werksprüfberichte und Wärmebehandlungsprotokolle.

Zu beachtende Fehlermöglichkeiten

• Rissbildung beim Abschrecken und Versprödung beim Anlassen, wenn das Anlassen nicht korrekt durchgeführt wird.

• Wasserstoffunterstützte Rissbildung, wenn beim Beizen, Galvanisieren oder Schweißen Wasserstoff zugeführt wird.

• Ermüdungsrisse bei zyklischer Belastung, wenn Zug-Eigenspannungen oder schlechte Oberflächenbeschaffenheit vorliegen.

Korrosion und Schutzmaßnahmen
4145 ist nicht korrosionsbeständig und erfordert Beschichtungen, Plattierungen oder korrosionsbeständige Verkleidungen für aggressive Umgebungen. Für den Einsatz im Bohrloch müssen Oberflächenbehandlungen und Korrosionsschutzmaßnahmen in die Konstruktion einbezogen werden.

Allgemeine Anwendungen und Beispiele aus der Industrie

• Öl und Gas: Bohrgestänge, Unterbaugruppen, schwere Bohrlochkomponenten, Rohre mit großem Durchmesser (4145 MOD wird häufig verwendet).

• Schwere mechanische Wellen und Spindeln, bei denen eine höhere Härtbarkeit für große Querschnitte erforderlich ist.

• Industrielle Werkzeuge und Bauteile, die durch Härten eine hohe Festigkeit erreichen müssen.

Schnappschuss eines Falles: Viele Zulieferer von Ölfeldkomponenten spezifizieren 4145 MOD für Bohrkronen, da es die erforderliche Streckgrenze und Kernhärte bei großen Durchmessern bietet; zum Nachweis der Mindeststreckgrenze und -härte über die gesamte Querschnittsgröße werden Walzzertifikate geliefert.

Internationale Äquivalente und Normen

Die genauen Entsprechungen sind von Land zu Land und von Normungsgremium zu Normungsgremium unterschiedlich. Die folgende Tabelle enthält häufig verwendete Querverweise und Kommentare für die Beschaffung.

Tipp für die Beschaffung: Da kleine Unterschiede in Kohlenstoff und Molybdän die Härtbarkeit wesentlich beeinflussen, sollten sie nicht nur dem Namen nach ersetzt werden; wenn eine alternative Standardsorte vorgeschlagen wird, müssen die chemischen und mechanischen Eigenschaften übereinstimmen.

Seite-an-Seite-Vergleich: 4145 versus 4140 (praktische Zusammenfassung)

Qualitätskontrolle, Prüfung und Formulierung von Spezifikationen

Anfrage beim Lieferanten:

• Chemisches Werkszertifikat (C of C) mit vollständiger Aufschlüsselung der Elemente.

• Wärmebehandlungsbericht mit Austenitisierungstemperatur, Abschreckmedium, Anlasstemperatur und -zeit sowie an bestimmten Punkten gemessenen Härteprofilen.

• Mechanischer Prüfbericht: Zug-, Streck-, Dehnungs-, Flächenreduzierungs- und Kerbschlagwerte nach Charpy bei der angegebenen Temperatur, soweit zutreffend.

• Härteprüfungsergebnisse für große Abschnitte zur Bestätigung der Kernhärte und der Oberflächenhärte.

• Zerstörungsfreie Prüfung, falls erforderlich (UT für Schmiedestücke, PMI, falls Legierungsprüfung erforderlich).

Muster einer Spezifikationsklausel (kurz gefasst)
"Der Werkstoff ist SAE/AISI 4145 (oder 4145 MOD, falls angegeben) mit der chemischen Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften gemäß C des Lieferanten. Die Teile müssen auf eine Mindeststreckgrenze von X MPa und eine Härte zwischen Y und Z HRC wärmebehandelt werden; der Lieferant muss Aufzeichnungen über die Wärmebehandlung und Härteverläufe vorlegen, die die Einhaltung der Anforderungen belegen."

Tabellen Ingenieure verwenden

Tabelle A: Typische Härte in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur (zur Veranschaulichung; Rücksprache mit dem Lieferanten)

Hinweis: Diese Angaben sind Richtwerte und variieren je nach Austenitisierungstemperatur und exakter chemischer Zusammensetzung; fordern Sie für konstruktionskritische Teile eine Anlasstabelle vom Werk an.

Tabelle B: Typische CCT / Härtbarkeitsbetrachtung

FAQs

1. Was ist der Hauptunterschied zwischen 4145 und 4140?
   4145 hat einen etwas höheren Kohlenstoff- und manchmal auch einen höheren Mo-Gehalt, was zu einer besseren Härtbarkeit und einer höheren erreichbaren Festigkeit führt, so dass es für große Abschnitte und Komponenten im Bohrloch vorzuziehen ist; 4140 bietet in der Regel eine geringfügig bessere Zähigkeit bei gleicher Härte.

2. Kann 4145 geschweißt werden?
   Ja, aber das Schweißen erfordert eine Vorwärmung, wasserstoffarme Zusatzwerkstoffe und oft eine PWHT; vermeiden Sie das Schweißen in hochfestem Zustand ohne metallurgische Kontrolle.

3. Was ist 4145 MOD?
   Eine modifizierte Chemie, die die Härtbarkeit von Teilen mit großem Querschnitt verbessern soll; wird häufig für Ölfeldkomponenten verwendet.

4. Welche Wärmebehandlung ist typisch für 4145?
   Austenitisieren im Bereich von 820-870 °C, Abschrecken (Öl/Polymer), dann Anlassen auf den gewählten HRC-Wert oder das Festigkeitsziel. Die spezifischen Zyklen hängen von der Abschnittsgröße und den endgültigen Eigenschaften ab.

5. Ist 4145 für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet?
   4145 ist keine Hochtemperatur-Kriechlegierung; sie behält ihre Festigkeit bei mäßig erhöhten Temperaturen ähnlich wie andere CrMo-Stähle, ist aber nicht für den Dauereinsatz bei sehr hohen Temperaturen vorgesehen. Beurteilen Sie spezifische Legierungsfamilien für den dauerhaften Einsatz bei hohen Temperaturen.

6. Welche Prüfbescheinigungen sollte ich verlangen?
   Chemisches Werkszertifikat, Wärmebehandlungsbericht, mechanischer Prüfbericht (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Kerbschlagzähigkeit, falls erforderlich) und Härteverläufe für große Abschnitte.

7. Wie wirkt sich der Kohlenstoffgehalt auf die Leistung aus?
   Der etwas höhere Kohlenstoffgehalt in 4145 erhöht die erreichbare Härte und Festigkeit nach dem Vergüten, kann jedoch die Schweißbarkeit und die Kerbschlagzähigkeit im Vergleich zu kohlenstoffärmeren Verwandten leicht verringern.

8. Wird 4145 für Lager oder Zahnräder verwendet?
   Nicht typisch für Wälzlager. Es kann für hochbelastete Getriebe- und Wellenanwendungen verwendet werden, bei denen Durchhärtung und hohe Kernfestigkeit im Vordergrund stehen.

9. Was sind häufige Fehlerarten bei 4145-Teilen?
   Spannungskorrosion oder Korrosionsermüdung in aggressiven Umgebungen, wenn sie nicht geschützt sind, Abschreckrisse durch unsachgemäße Wärmebehandlung und wasserstoffbedingte Risse, wenn Oberflächenprozesse Wasserstoff einbringen.

10. Wo finde ich die Standardsprache für Spezifikationen?
    Datenblätter der Lieferanten, SAE/AISI-Referenzen und Spezifikationen für Ölfeldmaterialien enthalten oft die erforderlichen Formulierungen. Bitten Sie die Lieferanten um spezifische AISI/SAE- oder API-basierte Materialblätter zur Aufnahme in die Bestellungen.

Checkliste für die Endauswahl für Ingenieure und Einkäufer

• Bestätigen Sie die genaue chemische Zusammensetzung anhand des Werkszeugnisses.

• Definieren Sie die erforderliche Mindeststreckgrenze und Höchsthärte sowie die erforderliche Kerbschlagarbeit.

• Geben Sie für große Abschnitte ein Wärmebehandlungsprotokoll und einen Härteverlauf an.

• Für geschweißte Baugruppen sind Vorwärm- und PWHT-Verfahren sowie Schweißerqualifikationen erforderlich.

• Bei korrosiver Beanspruchung sind Beschichtungen oder Verkleidungen zu definieren und auf ihre Verträglichkeit zu prüfen.

Maßgebliche Referenzen

• AZoM - AISI 4145 Legierter Stahl (technischer Überblick)
• D.A. Cooper - Produktdatenblatt AISI/SAE 4145 (technische und mechanische Daten)
• Liberty Steel - AISI 4145 modifiziert (Spezifikation für Öl- und Gasprodukte)