51CrV4, DIN 1.8159, AISI 6150 Federstahl

51CrV4 ist ein Chrom-Vanadium legierter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, der für Bauteile entwickelt wurde, die eine hohe Zugfestigkeit, eine hohe Ermüdungsbeständigkeit und eine zuverlässige Leistung nach dem Vergüten erfordern. Bei ordnungsgemäßer Wärmebehandlung bietet er ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Federleistung für Automobil- und Industriefedern, hochfeste Befestigungselemente, Torsionsstäbe und ähnliche tragende Teile. 51CrV4 ist geeignet, wenn Sie eine vorhersehbare Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit bei zyklischer Belastung und eine gute Dimensionsstabilität während der Wärmebehandlung benötigen, vorausgesetzt, Sie berücksichtigen eine begrenzte Schweißbarkeit und befolgen die empfohlenen Bearbeitungs- und Vergütungsmethoden.

1. Was ist 51CrV4-Stahl?

51CrV4 (DIN-Werkstoffnummer 1.8159, manchmal verglichen mit Typen der SAE/AISI 6150-Familie) ist ein vergüteter legierter Stahl, der für Federn und hochfeste Teile optimiert ist. Mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,47-0,55%, einem Chromgehalt von fast 1,0% und geringen Vanadiumzusätzen lässt sich die Sorte gut in Öl- oder Polymerabschreckungen härten und erzeugt angelassenen Martensit, der Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und angemessene Zähigkeit vereint. Verwenden Sie diese Sorte, wenn Sie wiederholbare mechanische Eigenschaften in einem Massenfertigungsverfahren benötigen und wenn Sie die Wärmebehandlung kontrollieren können, anstatt sich auf das Schmelzschweißen für die Montage zu verlassen.

2. Normen und internationale Entsprechungen

Wenn Sie 51CrV4 auf Zeichnungen oder bei der Beschaffung angeben, verwenden Sie die folgenden Querverweise, damit Lieferanten und Labors die chemischen und Prüfnormen aufeinander abstimmen:

Legen Sie bei der Bestellung immer das genaue EN- oder DIN-Dokument und den erforderlichen Prüfplan bei, um Unklarheiten zu vermeiden.

3. Chemische Zusammensetzung (Tabelle und Kommentar)

Nachfolgend finden Sie die typische Zusammensetzungsspanne, die Sie bei der Bestellung von Material mit EN/DIN-Toleranzen sehen werden. Werkszertifikate sollten zur Bestätigung der tatsächlichen Zusammensetzung für jede Lieferhitze vorgelegt werden.

Warum diese Elemente wichtig sind

• Der Kohlenstoff bestimmt die Härtbarkeit und den Endhärtebereich. Das 0,5%-Band bietet ein hohes Festigkeitspotenzial nach dem Vergüten.

• Chrom verbessert die Härtbarkeit und die Verschleißfestigkeit und trägt zur Anlaßbeständigkeit bei.

• Vanadium ist ein Mikrolegierungselement, das die Korngröße verfeinert, die Festigkeit erhöht und die Zähigkeit bei bestimmten Härtegraden verbessert.

• Niedrige P- und S-Werte minimieren das Versprödungsrisiko und verbessern die Oberflächengüte.
  Bestätigen Sie die tatsächlichen chemischen Werte auf dem Werkszeugnis, denn kleine Abweichungen beeinflussen das Wärmebehandlungsverhalten und die endgültigen mechanischen Werte.

4. Metallurgisches Verhalten und Mikrogefüge

Mikrogefüge nach korrekter Bearbeitung

• Ungewalztes oder normalisiertes 51CrV4 vor dem Abschrecken zeigt in typischen Schliffbildern Ferrit und Perlit.

• Nach dem Härten und dem entsprechenden Anlassen ist das vorherrschende Gefüge angelassener Martensit mit Karbiden, die Chrom und Vanadium enthalten. Vanadiumkarbide sind fein und tragen zur Begrenzung des Kornwachstums während der Austenitisierung bei.

• Die Kontrolle der Korngröße durch die richtige Austenitisierungstemperatur und kurze Haltezeiten führt zu einer besseren Ermüdungsfestigkeit und geringerem Verzug.

Praktischer Hinweis

• Vanadiumspuren verlangsamen das vorherige Austenitkornwachstum, wodurch der Stahl im Vergleich zu reinen Chromstählen weniger empfindlich auf leichte Überhitzung im Ofen reagiert. Dies unterstützt eine stabile Festigkeit über Chargen hinweg, wenn Industrieöfen verwendet werden.

5. Mechanische Eigenschaften - typische Bereiche und Tabelle

Die tatsächlichen mechanischen Werte hängen vom Querschnitt, der Wärmebehandlung und der Prüfnorm ab. Die unten angegebenen Bereiche sind typisch für vergütetes 51CrV4, das für technische Feder- oder Wellenbedingungen verarbeitet wurde.

Anmerkungen

• Bei Bauteilen, bei denen eine lange Lebensdauer erforderlich ist, sollten Sie eine Härtung wählen, die ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit herstellt, anstatt nur die Festigkeit zu maximieren.

• Die Kerbschlagarbeit bei niedrigen Temperaturen ist variabel und hängt vom Härtegrad ab; wenn ein Einsatz bei niedrigen Temperaturen erwartet wird, ist bei der Abnahme ein Charpy-Test durchzuführen.

6. Wärmebehandlung: empfohlene Zyklen und Auswirkungen

Typische Austenitisierungs- und Vergütungsfenster für 51CrV4. Anpassen an Profilgröße und Ofentyp.

Praktische Anleitung

• Bei Federanwendungen sollte das Anlassen am unteren Ende erfolgen, um die Elastizität zu erhalten. Bei Hochleistungswellen oder Komponenten, bei denen die Zähigkeit im Vordergrund steht, sollten Sie bei höheren Temperaturen anlassen, um die Sprödigkeit zu verringern.

• Testen Sie immer repräsentative Proben, um die endgültigen Zyklusparameter für die Produktion festzulegen. Mühlenmuster und Coupons sind für die Prozessvalidierung wertvoll.

7. Auswahl der Härtbarkeit und Abschreckung; Kontrolle der Verformung

Härtbarkeit

• 51CrV4 bietet eine gute Härtbarkeit für kleine bis mittlere Abschnitte. Größere Abschnitte lassen sich möglicherweise nicht vollständig in Martensit umwandeln, wenn die Teilegeometrie kritisch ist, und sollten daher mit Jominy-Endabschreckungstests geprüft werden.

Auswahl des Quenchs

• Ölabschreckung oder Polymerabschreckung ermöglichen eine kontrollierte Abkühlungsgeschwindigkeit, die Rissbildung und Verformung reduziert und dennoch die erforderliche martensitische Struktur erreicht. Bei dünnen Abschnitten kann ein schnelleres Abschrecken akzeptabel sein, aber die inneren Spannungen und das Risiko der Rissbildung nehmen zu.

Techniken der Verzerrungskontrolle

• Unterbrochenes Abschrecken und Niedertemperatur-Härtung für kritische Geometrien verwenden.

• Verwenden Sie Vorrichtungen, die das Teil während des Abschreckens einschränken, wo dies möglich ist.

• Eine Bearbeitung unter Null ist nur dann in Betracht zu ziehen, wenn der Restaustenit reduziert werden muss.

• Führen Sie kontrollierte Rampengeschwindigkeiten und eine gleichmäßige Beladung des Ofens ein, um Gefälle zu minimieren.

8. Überlegungen zur Schweißbarkeit und zum Fügen

Das Schweißen von 51CrV4 wird nicht als erste Wahl für schweißkritische Konstruktionen empfohlen, da:

• Aufgrund des Kohlenstoff- und Legierungsgehalts, der harte, spröde Wärmeeinflusszonen begünstigt, ist es mäßig bis schlecht schweißbar.

• Vorwärmung und Wärmebehandlung nach dem Schweißen sind in vielen Fällen notwendig, um Risse zu vermeiden. Für die meisten Produktionsszenarien sind mechanische Verbindungen, Presspassungen oder die Konstruktion von Bauteilen, die als eine Einheit geformt und wärmebehandelt werden, vorzuziehen.

Wenn Schweißen unvermeidlich ist

• Verwenden Sie Elektroden mit niedrigem Wasserstoffgehalt, wärmen Sie auf die empfohlene Temperatur vor (in der Regel 150-250 °C) und führen Sie nach dem Schweißen ein Anlassen oder einen Spannungsabbau gemäß einer qualifizierten Schweißverfahrensspezifikation durch.

• Sie verfügen über eine Schweißverfahrensprüfung und führen zerstörungsfreie Prüfungen durch, wenn die Sicherheit entscheidend ist.

9. Herstellung: Bearbeitung, Kaltumformung, Schleifspitzen

Bearbeitung

• 51CrV4 lässt sich wie viele andere legierte Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt bearbeiten. Die Härte beeinflusst den Werkzeugverschleiß. Verwenden Sie scharfe Hartmetall-Wendeschneidplatten, starre Aufspannungen und ausreichend Kühlmittel, um die Lebensdauer der Werkzeuge zu verlängern.

• Die Schruppbearbeitung sollte nach Möglichkeit vor der abschließenden Wärmebehandlung erfolgen. Wenn eine Bearbeitung nach dem Härten erforderlich ist, sind Schleif- oder Hartmetallwerkzeuge zu verwenden, die für die vorgesehene Härte ausgelegt sind.

Kaltumformung und Umformgrenzen

• Kaltbiegen und Umformen sind im normalisierten Zustand möglich. Nach dem Vergüten ist der Stahl nicht für die Kaltumformung geeignet. Bei der Herstellung von Federn erfolgt die erste Umformung häufig vor dem endgültigen Anlassen.

Schleifen und Endbearbeitung

• Für die endgültige Maßkontrolle und Oberflächengüte ist spitzenloses Schleifen oder Flachschleifen nach dem Anlassen üblich. Wählen Sie die Schleifscheibe entsprechend dem Härtebereich aus, um Verglasen und Verbrennen zu vermeiden.

10. Oberflächenbehandlungen, Beschichtungen und Korrosionsüberlegungen

Grundlegende Korrosionshinweise

• 51CrV4 ist nicht rostfrei. Für jede Umgebung mit Feuchtigkeit oder korrosiven Stoffen sind Schutzbeschichtungen zu verwenden. Typische Optionen sind Phosphat + Öl für Federn, galvanisches Zink, wo dies angebracht ist, oder Lacksysteme für größere Teile.

Gemeinsame Oberflächenprozesse

• Kugelstrahlen verbessert die Ermüdungslebensdauer von Federn und Torsionsstäben, indem es Druckeigenspannungen induziert.

• Das Induktionshärten von Lageroberflächen kann in Betracht gezogen werden, erfordert jedoch Prozessversuche, da die lokale Erwärmung das Gefüge verändert und ein anschließendes Anlassen zum Spannungsabbau erforderlich machen kann.

• Nitrieren ist bei bestimmten Chemikalien möglich, erfordert jedoch eine Prozessbewertung, da die Basislegierung für das Vergüten und nicht für das Diffusionshärten optimiert ist.

Konstrukteure sollten in den Kaufunterlagen Angaben zur Oberflächenbehandlung machen, um sicherzustellen, dass der Lieferant die Erwartungen hinsichtlich Lebensdauer und Garantie erfüllt.

11. Allgemeine Anwendungen und Fallbeispiele

51CrV4 wird in der Automobilindustrie, im Werkzeugbau und in der Industrie eingesetzt, wo zyklische Belastungen und elastische Festigkeit erforderlich sind.

Aktennotiz

• Für Aufhängungskomponenten in der Automobilindustrie werden häufig wärmebehandelte Federstähle ähnlich wie 51CrV4 verwendet, da sie eine langfristige Ermüdungsleistung bei unterschiedlichen Belastungen erfordern. Die Zulieferer liefern in der Regel kalibrierte Spulen oder Rohlinge, die anschließend oberflächenbeschichtet und kugelgestrahlt werden.

12. Spezifikations- und Einkaufscheckliste für Werkspreise

Wenn Sie Angebote einholen und die Transparenz der Fabrikpreise für 100% von Fabriken oder Händlern anstreben, sollten Sie dies berücksichtigen:

• Genauer EN/DIN-Grad: 51CrV4, 1.8159 und Klauselverweise.

• Erforderlicher Zustand: warmgewalzt, kaltgewalzt, normalgeglüht oder vergütet.

• Mechanische Anforderungen: Zugfestigkeit, Streckung, Dehnung, Härteziele.

• Wärmebehandlungsplan oder Abnahmebedingungen.

• Anforderungen an Oberflächenbeschaffenheit und Beschichtung.

• Anforderungen an die Probenprüfung: PMI, chemische Analyse, Zugprüfungsbericht, Härtetabelle, Charpy bei bestimmter Temperatur, falls erforderlich.

• Rückverfolgbarkeit: Schmelznummer in Verbindung mit dem Werkszeugnis.

• Lieferform: Stange, Band, Platte, Coil oder Zuschnitte.

• Toleranzen und Sonderprüfungen (Ultraschall, Magnetpartikel), falls sicherheitskritisch.

Wenn Sie einen Fabrikpreis verlangen, bedeutet das oft, dass Sie direkt von einem Werk oder einem autorisierten Händler kaufen. Vergleichen Sie immer die angebotenen Werkszertifikate und Vorlaufzeiten. Die Werke geben ihre Preise nach Gewicht an und können bei größeren Walzlängen oder Palettenmengen niedrigere Stückkosten anbieten.

13. Qualitätskontrolle und Prüfung

Erforderliche Mindestprüfungen für kritische Teile

• Chemische Zusammensetzung mittels Mühlenzertifikat und Stichproben-Spektroskopie.

• Zugversuch und Prüflast, sofern angegeben.

• Härteprofil über den Querschnitt für abgeschreckte Teile.

• Charpy-Schlagprüfung, wenn das Teil bei niedrigen Temperaturen arbeitet oder dynamischen Stoßbelastungen ausgesetzt ist.

• Zerstörungsfreie Prüfung: Magnetpulver oder Flüssigkeitseindringverfahren auf kritischen Oberflächen nach der Wärmebehandlung; Ultraschall bei großen Schmiedeteilen.

Probenahmepläne

• Befolgen Sie ISO-, EN- oder kundenspezifische Abnahmepläne. Für die Massenproduktion sind statistische Prozesskontrollmetriken für Wärmebehandlungsschwankungen, Härteabweichungen und Verformungen zu erstellen.

14. Lagerung, Handhabung und Rückverfolgbarkeit

• Lagern Sie Spulen und Stäbe in geschlossenen Räumen und nicht auf Beton, um den Kontakt mit Feuchtigkeit zu vermeiden.

• Bei längerer Lagerung leicht einölen und den Bestand umdrehen, um eine Langzeitbelastung zu vermeiden.

• Behalten Sie die Rückverfolgbarkeit der Schmelznummer vom Werkszertifikat über die Fertigungsschritte bis zum fertigen Teil bei. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn Ausfälle im Feld untersucht werden müssen.

15. Hinweise zu Umwelt, Gesundheit und Sicherheit

• Verwenden Sie beim Bearbeiten und Schleifen eine Staubabsaugung. Metallstaub kann eine Gefahr für das Einatmen darstellen.

• Abschrecköle sind brennbar; handhaben und lagern Sie sie unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften am Arbeitsplatz. Während des Abschreckvorgangs ist das Altöl gemäß den örtlichen Umweltvorschriften zu sammeln und zu behandeln.

• Beim Kugelstrahlen und bei der Oberflächenbearbeitung sollten PSA und eine örtliche Absaugung verwendet werden, um die in der Luft befindlichen Partikel zu kontrollieren.

16. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

1. Wie ist die genaue chemische Zusammensetzung von 51CrV4?
   Der typische Bereich liegt bei 0,47-0,55% C, 0,70-1,10% Mn, bis zu 0,40% Si, etwa 0,90-1,20% Cr und 0,10-0,25% V. Fordern Sie das Werkszertifikat für jede Hitze an.

2. Ist 51CrV4 dasselbe wie AISI 6150?
   Sie werden im Handel oft verglichen und austauschbar verwendet, aber überprüfen Sie immer die chemischen und mechanischen Toleranzen im Datenblatt des Lieferanten, da es kleine Unterschiede geben kann.

3. Kann ich Teile aus 51CrV4 schweißen?
   Schweißen ist eine Herausforderung. Vorwärmung und Wärmebehandlung nach dem Schweißen sind erforderlich, um Risse zu vermeiden. Bei kritischen Teilen sollte das Schweißen nach Möglichkeit vermieden werden.

4. Welches Abschreckmittel sollte ich verwenden?
   Öl- oder Polymerabschreckmittel sind typisch, um ein Gleichgewicht zwischen Härtbarkeit und verringertem Risiko von Abschreckrissen und Verformungen zu erreichen. Die Wahl hängt von der Querschnittsgröße ab.

5. Welche Härte kann erreicht werden?
   Nach dem Vergüten erreicht die Sorte in der Regel zwischen 35 und 52 HRC, je nach Anlasstemperatur und Zieleigenschaften.

6. Wird das Kugelstrahlen für Federn empfohlen?
   Ja, Kugelstrahlen ist ein Standardverfahren für die Endbearbeitung von Federn, um die Ermüdungslebensdauer zu verbessern, indem Druckeigenspannungen an der Oberfläche induziert werden.

7. Welche Alternativen sollte ich in Betracht ziehen?
   Für höhere Zähigkeit bei ähnlicher Festigkeit sind andere Chrom-Vanadium-Sorten oder Legierungsfamilien zu erwägen. Für bessere Schweißbarkeit wählen Sie kohlenstoffärmere, nickelangereicherte Stähle. Passen Sie die Sorte immer den Anforderungen der Anwendung an.

8. Welche Tests sollte ich bei der Lieferung verlangen?
   Fräszeugnis für chemische, Härte- und Zugprüfungen sowie NDT, wenn Geometrie oder Sicherheit dies erfordern. Geben Sie die Häufigkeit der Probenahme in der Bestellung an.

9. Wie wirkt sich Vanadium auf die Eigenschaften aus?
   Vanadium verfeinert die Korngröße und bildet feine Karbide, die die Streckgrenze und Zähigkeit erhöhen, ohne einen höheren Kohlenstoffgehalt zu erfordern. Dies hilft bei der Ermüdungsbeständigkeit.

10. Gibt es besondere Regeln für die Lagerung?
    Halten Sie das Material in geschlossenen Räumen, trocken und mit Wärmenummern dokumentiert. Vermeiden Sie bei beschichteten oder kugelgestrahlten Teilen eine Stapelung, die die Oberfläche beschädigt.

17. Vorlage für Einkäufe und Spezifikationen

Verwenden Sie diese kurze Vorlage, wenn Sie Anfragen vorbereiten, um genaue Fabrikpreise zu erhalten:

• Werkstoff: 51CrV4 (EN 1.8159).

• Chemie-Toleranz: EN-Grenzwerte erforderlich, Zielbänder anbringen.

• Lieferzustand: Warmgewalzt / normalisiert / vergütet (T und HRC angeben).

• Mechanische Anforderungen: Zugfestigkeit, Streckung, Dehnung, Härte.

• Wärmebehandlung: Geben Sie die Zyklen an oder bitten Sie den Lieferanten, sie zu spezifizieren und am Muster zu genehmigen.

• Oberflächenbehandlung: Kugelgestrahlt / phosphatiert und geölt / lackiert / verzinkt.

• Inspektion: Werkszertifikat 3.1 oder 3.2, Härtetabelle, Zugfestigkeit, NDT nach Bedarf.

• Rückverfolgbarkeit: Schmelznummer auf allen Teilen erforderlich.

• Menge, Abmessungen, Verpackung und Vorlaufzeit.