20MnCr5: Technische Daten Stahl

01Stahl 20MnCr5: Einführung und allgemeine Eigenschaften

Der 20MnCr5 (Werkstoffnummer 1.7147) ist ein legierter Mangan-Chrom-Einsatzstahl nach EN ISO 683-3:2022 (früher EN 10084). Geliefert und zerspant wird er im weichgeglühten Zustand; beim Einsatzhärten nimmt die Randschicht Kohlenstoff auf, und nach Härten und Anlassen liegt eine harte Randschicht über einem Kern, der zäh bleibt. Genau diese Paarung braucht eine Zahnflanke: hart, wo sie gleitet, zäh, wo sie sich biegt.

Was die Norm für diesen Stahl zusichert, ist eine abgeschlossene Liste. Das gehört an den Anfang, weil es den Aufbau dieser Seite erklärt. Verbindlich prüfbar sind bei der Lieferung genau drei Größen: chemische Zusammensetzung, Härte im Lieferzustand und Härtbarkeit. Alles Übrige - angefangen bei der Härte der aufgekohlten Randschicht - ist Ergebnis des vereinbarten Wärmebehandlungszyklus, und wo die Norm schweigt, sagen wir das hier ausdrücklich, statt eine Zahl von woanders einzusetzen.

1.1Unterschiede des 20MnCr5 gegenüber konventionellen Einsatzstählen

Gegenüber einem unlegierten Einsatzstahl verschiebt der 20MnCr5 die Frage vom Rand auf den Kern darunter. Mangan 1,10-1,40 % und Chrom 1,00-1,30 % geben ihm eine Härtbarkeit, die die Norm im Stirnabschreckversuch nach Jominy misst und zusichert, während sie bei einem reinen Kohlenstoffstahl vom Querschnitt des Bauteils abhängt. Das Mangan gibt der Familie den Namen, und in der Bezeichnung trägt der 16MnCr5 dasselbe MnCr5: Im Namen ändert sich allein die Kohlenstoffziffer. In der Zusammensetzungstabelle trennen sich die beiden Sorten dagegen in drei Elementen, und der größte Sprung ist nicht der Kohlenstoff, sondern das Chrom: 1,00-1,30 % gegenüber 0,80-1,10 %, wobei das Mangan von 1,00-1,30 auf 1,10-1,40 % steigt.

Ein praktischer Unterschied steht nur in der Norm selbst und betrifft das Kaltscheren: Der 20MnCr5 ist im Zustand +S scherbar, nicht im unbehandelten Zustand, während dieselbe Norm den 16MnCr5 zu den Sorten zählt, die bereits unbehandelt geschert werden dürfen. Wer in der Fertigung schert, darf die beiden Sorten an diesem Punkt also nicht als austauschbar behandeln.

1.2Vorteile des 20MnCr5 in industriellen Anwendungen

Der erste Vorteil ist die Zerspanbarkeit vor der Wärmebehandlung. Im weichgeglühten Zustand +A setzt die Norm höchstens 217 HBW an, und das ist die Zahl, die den Stabstahl beschreibt, der in der Fertigung ankommt: Sie gilt für alle Ausführungen und hängt nicht vom Durchmesser ab. Auf dieser Härte wird gedreht, verzahnt und auf Maß gearbeitet; aufgekohlt wird erst danach.

Der zweite ist die Berechenbarkeit des Kerns: Das Härtbarkeitsstreuband +H ist eine vertragliche Anforderung und kein Richtwert - es lässt sich in einer Liefervorschrift aufrufen und im Streitfall beanstanden. Der dritte betrifft den Geltungsbereich. Eine einzige Sortennorm deckt Stabstahl und Schmiedestücke ab, deshalb bleibt der 20MnCr5 vom warmgewalzten Rundstahl kleinen Durchmessers bis zum großen Schmiedequerschnitt derselbe Stahl, mit denselben prüfbaren Anforderungen.

1.3Normen und Prüfbescheinigungen für 20MnCr5

Bezugsnorm des 20MnCr5 ist die EN ISO 683-3:2022 (früher EN 10084), Einsatzstähle - technische Lieferbedingungen. Die EN 10084 in der Klammer ist die Vorgängerausgabe und abgelöst: Sie begegnet noch auf Zeichnungen und Bestellungen, doch Sorte, Werkstoffnummer und prüfbare Werte sind die der geltenden Norm. Der Geltungsbereich umfasst Stabstahl und Schmiedestücke und kennt keine Obergrenze der Abmessung; Maße und Toleranzen verweist die Norm an die Maßnormen oder an die Bestellvereinbarung.

Die DIN 17210 ist die historische deutsche Norm dieser Familie. Sie wurde von der EN 10084 abgelöst, und maßgebend ist heute die EN ISO 683-3:2022. Über alle diese Schritte hinweg hat der 20MnCr5 Bezeichnung und Werkstoffnummer 1.7147 behalten - deshalb meinen eine Konstruktionszeichnung aus den achtziger Jahren und eine Bestellung von heute denselben Stahl.

Jede Lieferung wird von Prüfbescheinigungen nach EN 10204 begleitet: standardmäßig von der Werksbescheinigung 2.1, auf Anfrage vom Abnahmeprüfzeugnis 3.1 mit Schmelzenanalyse und Rückverfolgbarkeit.

02Chemische Zusammensetzung des Stahls 20MnCr5: Legierungselemente und normative Vorgaben

Die chemische Zusammensetzung des 20MnCr5 legt die EN ISO 683-3:2022 für die Schmelzenanalyse fest. Kohlenstoff 0,17-0,22 % ist bewusst niedrig gehalten: Dieser Gehalt hält den Kern zäh, und in der Randschicht hebt ihn das Aufkohlen an. Kennzeichnend und für die Härtbarkeit verantwortlich sind Mangan 1,10-1,40 % und Chrom 1,00-1,30 %. Silicium ist ein Desoxidationsmittel aus der Erzeugung, Phosphor und Schwefel sind Begleitelemente mit einer Obergrenze, und Kupfer hat erst seit der Ausgabe 2022 einen eigenen Grenzwert.

Zwei Zellen dieser Tabelle verlangen Aufmerksamkeit, weil sie sich mit der geltenden Ausgabe geändert haben. Silicium hat keinen Mindestgehalt mehr: Die untere Grenze wurde gestrichen, und wer 0,15-0,40 % gedruckt findet, liest eine frühere Ausgabe. Beim Kupfer ist es umgekehrt, die Zeile ist neu - Datenblätter ohne die Angabe 0,40 % max lassen keine Anforderung weg, sondern geben eine Tabelle wieder, die diese Spalte noch nicht hatte. Davon zu trennen ist eine Bestelloption, die in der Tabelle nicht steht: Der 20MnCr5 kann mit einem Mindestgehalt an Silicium von 0,15 % bestellt werden, was die Norm vorsieht und was zu vereinbaren ist; der Grund ist die Zerspanbarkeit, die ein niedriger Siliciumgehalt verschlechtert. Auf die Randoxidation beim Aufkohlen wirkt ein niedriger Siliciumgehalt dagegen umgekehrt: Er verringert sie.

Molybdän und Nickel schreibt die Norm für diesen Stahl nicht vor: Die Härtbarkeit des 20MnCr5 kommt aus Mangan und Chrom. Das ist eine Auslegungsentscheidung der ganzen Familie und keine Lücke der Tabelle. Sie erklärt auch, warum sich der Abstand zu den Nickel-Chrom-Molybdän-Sorten erst bei großen Querschnitten zeigt und nicht an der Zahnflanke.

Die dritte Spalte führt die zulässigen Abweichungen der Stückanalyse auf. Sie sind keine zweite Spezifikation, sondern die Toleranz, mit der das fertige Erzeugnis nachgeprüft wird, und die Norm stellt eine Regel daneben: Die Abweichung darf entweder den oberen Grenzwert überschreiten oder den unteren unterschreiten, nicht beides in derselben Schmelze. Durchgeführt wird die Stückanalyse nur, wenn sie bei der Bestellung verlangt wird, und dann einmal je Schmelze.

Nach Vereinbarung bei der Bestellung lässt die Norm Varianten mit verbesserter Zerspanbarkeit zu, mit höherem Schwefel oder mit Blei; dabei darf der obere Grenzwert des Mangans um 0,15 % steigen. Das sind zu vereinbarende Optionen und nicht der übliche Lieferzustand.

2.1Internationale Entsprechungen des 20MnCr5

Die internationalen Entsprechungen des 20MnCr5 sind wenige, und der Grund dafür gehört gekannt, bevor man sie in einer Händlertabelle sucht: Dieser Stahl hat eine europäische Bezeichnung und eine Werkstoffnummer, außerhalb Europas aber fast keine Gegenstücke. Die Werkstoffnummer ist 1.7147, in Deutschland wie in Italien heißt die Sorte 20MnCr5 - in Italien hat sie nie einen eigenen nationalen Namen getragen -, und die französische AFNOR-Bezeichnung lautet 20MC5.

Eine AISI/SAE-, eine britische oder eine japanische Entsprechung hat der 20MnCr5 nicht. Die BS 970-3 führt keinen Einsatzstahl auf Mangan-Chrom-Basis; und die japanischen Sorten dieses Kohlenstoffbereichs tragen, auch die der Mangan-Chrom-Klasse, etwa halbierte Chromgehalte, sodass die Härtbarkeit nicht dieselbe ist und die Gleichsetzung nicht trägt. Dasselbe gilt für den AISI 5120 der Händlertabellen: Mangan und Chrom liegen dort um rund ein Drittel niedriger, und mit ihnen die Härtbarkeit.

Im chinesischen System GB/T 5216 ist der 20CrMnH die entsprechende Sorte, die die EN ISO 683-3 als identisch mit dem 20MnCr5 ausweist. Das Wort identisch stammt von der Norm, und die Norm fügt ihm keine Einschränkung hinzu.

Neben der Grundsorte steht die Schwefelvariante. Der 20MnCrS5 (1.7149) ist derselbe Stahl mit einem in einer Spanne vorgeschriebenen Schwefelgehalt von 0,020-0,040 %, also mit einem garantierten Mindestwert und nicht nur einem Höchstwert, für bessere Zerspanbarkeit; die übrigen Elemente, die Härtbarkeitsstreubänder, die Lieferhärten und die Behandlungstemperaturen stimmen mit denen des 20MnCr5 überein. Der Schwefel bildet Sulfide, die den Span brechen: Man gewinnt an Zerspanbarkeit und gibt an Querzähigkeit ab. Beides beziffert die Norm nicht.

03Mechanische Eigenschaften des Stahls 20MnCr5: Kennwerte und Tragverhalten

Bei den mechanischen Eigenschaften des 20MnCr5 gehört die Frage an den Anfang, was die Norm überhaupt vorschreibt - bei einem Einsatzstahl überrascht die Antwort: nichts. Prüfbar sind Zusammensetzung, Härte im Lieferzustand und Härtbarkeit. Mechanische Kennwerte stehen an einer einzigen Stelle des Dokuments, im Annex C, und der ist als informativ gekennzeichnet.

Bruchdehnung, Brucheinschnürung und Kerbschlagarbeit schreibt die Bezugsnorm nicht vor; der einzige mechanische Wert, den sie enthält, ist die Mindestzugfestigkeit des Annex C, und der ist informativ. Was dazu kursiert, verteilt sich auf vier untereinander unvereinbare Wertesätze, stammt aus einer zurückgezogenen italienischen Norm oder aus Herstellerdatenblättern - wir veröffentlichen es nicht. Für die Streckgrenze gilt dasselbe: Die Norm schreibt für diesen Stahl keine vor.

3.1Härte des 20MnCr5 in den Lieferzuständen

Die Härte des 20MnCr5 im Lieferzustand ist die Anforderung, die den gekauften Stabstahl beschreibt, und sie ist der einzige Härtewert, den die Norm am Erzeugnis im Lieferzustand zusichert. Gemessen wird sie in Brinell HBW, und - das ist hervorzuheben - sie hängt nicht vom Durchmesser ab: Die Tabelle der Norm kennt keine Abmessungsbereiche, ein Rundstahl von 25 mm und ein Schmiedestück von 400 mm unterliegen also derselben Grenze. Den anderen Härtewert sichert die Norm über das Jominy-Streuband zu, dieser gilt aber an der Stirnabschreckprobe und nicht am Erzeugnis; beide überschneiden sich nicht.

Zwei praktische Hinweise zu dieser Tabelle. Erstens sind für Schmiedestücke weder der normalgeglühte Zustand noch der scherbare Zustand +S vorgesehen, den die Norm Halbzeug und Stabstahl vorbehält; es sind die beiden Zustände, die der große geschmiedete Durchmesser verliert. Zweitens entstehen Beanstandungen fast immer an der Messstelle: Bei Rundstahl wird die Härte in einem Abstand von der Stirnfläche gemessen, der dem Durchmesser entspricht.

Für geschälten Stabstahl gelten die Anforderungen der Sortennorm: Die Härte im weichgeglühten Zustand ist dieselbe, 217 HBW max. Höhere Härten, wie sie für kaltgezogenen Stabstahl kursieren, stammen aus einer Erzeugnisnorm, die wir hier nicht zitieren.

3.2Zugfestigkeit im Kern: die informative Einstufung der Norm

Der einzige mechanische Wert des Normdokuments ist eine Einstufung nach Mindestzugfestigkeit über dem Durchmesser, und sie gilt für den Zustand nach Härten und Anlassen bei 200 °C - nicht für den Lieferzustand und nicht für den aufgekohlten Zustand. Sie ordnet den Kern ein und ist keine Anforderung, die sich bei der Lieferung einfordern lässt. Die Norm schreibt die Werte in MPa; das Werkstoffdatenblatt als PDF druckt dieselbe Größe als N/mm², was dieselbe Einheit ist.

Oberhalb von 100 mm stuft die Norm nicht mehr ein: kein Wert, auch kein informativer. Das trifft unmittelbar den geschmiedeten Rundstahl großen Durchmessers, der außerhalb dieser Tabelle liegt. Richtig damit umgegangen wird nicht, indem man die unterste Zeile hochrechnet, sondern indem man auf den Kern auslegt, den der Wärmebehandlungszyklus an diesem Querschnitt tatsächlich erzeugt. Und die beiden Dinge bleiben getrennt: Der Geltungsbereich der Norm hat keine Obergrenze der Abmessung, bei 100 mm endet allein diese informative Tabelle.

3.3Randhärte nach dem Einsatzhärten

Weder die Härte der aufgekohlten Randschicht noch die Einsatzhärtungstiefe legt die Stahlnorm fest, und das ist kein Versehen: Keine von beiden gehört zu den drei prüfbaren Anforderungen, die am Anfang dieser Seite stehen. Die Randschicht ist das Ergebnis des für das Bauteil vereinbarten Aufkohlungszyklus. Randhärte und Einsatzhärtungstiefe (CHD) werden in der Wärmebehandlungsvorschrift festgelegt, nicht in der Stahlnorm.

Welche Randhärte sich einstellt, hängt vom Kohlenstoffgehalt ab, den die Randschicht erreicht, und vom Zyklus aus Härten und Anlassen; vereinbart wird sie in der Bauteilspezifikation. Die Stahlnorm schreibt sie nicht vor, und wir veröffentlichen keine Zahl, die keine Norm zusichert. Ohne erfundene Werte lässt sich der Mechanismus beschreiben: Die aufgekohlte Randschicht wandelt in Martensit um und bleibt unter Druck, und es sind genau diese Druckeigenspannungen, die eine einsatzgehärtete Zahnflanke schwingfest machen.

3.4Härtbarkeit nach Jominy: die Streubänder +H, +HH und +HL

Die Härtbarkeit des 20MnCr5 ist die prüfbare Anforderung, die den Kern beschreibt, und sie steht als Härtestreuband des Stirnabschreckversuchs nach Jominy. Dabei wird eine Probe von einer Stirnfläche her abgeschreckt und die Härte in wachsendem Abstand von dieser Fläche gemessen. Das Streuband +H gilt, solange nichts anderes vereinbart ist; die eingeengten Streubänder +HH und +HL werden bei der Bestellung vereinbart.

Die Probe wird bei 900 ±5 °C mindestens 30 Minuten austenitisiert. Diese Temperatur ist als einzige der ganzen Behandlungstabelle nicht orientierend, denn sie ist ein Prüfparameter und keine Zyklusempfehlung. Datenblätter mit 870 °C sind nicht falsch, sie geben die Vorgängerausgabe der Norm wieder. Der Stirnabschreckversuch selbst läuft nach ISO 642, die die Vorrichtung festlegt; die Stahlnorm gibt nur die Austenitisierungstemperatur vor.

Häufig wird gefragt, ob die Prüfbescheinigung die Kurve enthält. Oft nicht, und die Norm erlaubt das ausdrücklich: Bei legierten Stählen darf der Hersteller die Härtbarkeit rechnerisch nachweisen; der Stirnabschreckversuch nach ISO 642 wird durchgeführt, wenn die Rechnung nicht vorliegt oder wenn beanstandet wird.

04Physikalische Eigenschaften des Stahls 20MnCr5: Dichte und elastische Kennwerte

Die physikalischen Eigenschaften dieses Stahls sind die der Eisenmatrix und hängen nicht von der Wärmebehandlung ab; veröffentlicht werden sie aber als das, was sie sind: Fünf davon sind gefestigte Auslegungswerte, und die Tabelle veröffentlicht sie mit der zugehörigen Norm; die anderen drei sind Datenbankwerte, über die die veröffentlichten Herstellerangaben uneins sind, und sie bleiben außerhalb der Tabelle. Für die Gewichtsrechnung gilt der übliche Rechenwert der Stähle, 7,85 kg/dm³. Denselben Wert verwendet unser Rechner zum Stahlgewicht berechnen, sodass das auf der Website geschätzte Gewicht und das Gewicht im Angebot aus derselben Zahl stammen.

Der Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur beträgt 210 GPa, der Schubmodul 81 GPa; beide passen zu einer Querkontraktionszahl von 0,30. Diese beiden Werte verwenden wir über die ganze Reihe der Datenblätter hinweg, und sie gehören in jede Rechnung zur elastischen Verformung oder zur Torsionssteifigkeit.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient stammt aus demselben Abschnitt der EN 1993-1-1 wie die Elastizitätsmoduln, und die Tabelle veröffentlicht ihn: 12 × 10⁻⁶/K, gültig für Temperaturen bis 100 °C. Bei Wärmeleitfähigkeit, spezifischer Wärmekapazität und spezifischem elektrischem Widerstand gehen die vorliegenden Datenblätter erheblich auseinander, in einem Fall um den Faktor zwei; es sind Datenbankwerte und keine Normanforderungen, und wir veröffentlichen sie nicht. Wer sie für eine thermische Rechnung braucht, erfragt sie beim Erzeuger der Schmelze und liest sie nicht aus einer Katalogtabelle ab.

05Wärmebehandlungen des Stahls 20MnCr5: Aufkohlen, Härten und Prozessparameter

Die Wärmebehandlungen des 20MnCr5 sind der Grund, aus dem es diesen Stahl gibt: Aufkohlen, Härten und Anlassen bauen den Übergang zwischen harter Randschicht und zähem Kern auf. Vor den Zahlen gehört jedoch die Einordnung hierher, die die Norm selbst vornimmt, denn sie ändert den Umgang mit ihnen. Die Temperaturen für Aufkohlen, Härten und Anlassen sind laut Norm orientierende Angaben; maßgebend sind die Temperaturen, die die geforderten Eigenschaften ergeben.

5.1Einsatzhärten des 20MnCr5: Aufkohlungstemperaturen und Verfahrensvarianten

Das Aufkohlen des 20MnCr5 liegt im Bereich 880-980 °C. Der Bereich ist weit, und die Weite ist selbst eine Auskunft: Die tatsächliche Temperatur wird am Bauteil gewählt, zwischen der Begrenzung des Verzugs und der Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs. Engere Bereiche, die anderswo zu lesen sind, sind Praxis einzelner Hersteller und keine Vorgabe der Norm.

Zwei Varianten haben eine eigene Zeile. Wird direkt aus der Aufkohlungstemperatur gehärtet, liegt diese in der Regel nicht über 950 °C. Bei Sonderverfahren, etwa beim Vakuumaufkohlen, sind 1.020-1.050 °C nicht ungewöhnlich, und die Norm nennt den Fall ausdrücklich.

5.2Härten des 20MnCr5: Kern, Randschicht und Abschreckmittel

Nach dem Aufkohlen führen zwei Wege zum Härten. Beim Direkt- oder Einfachhärten wird bei 820-860 °C austenitisiert. Bei der Doppelhärtung folgt zuerst ein Kernhärten bei 860-900 °C und danach ein Randhärten bei 780-820 °C, das den Martensit der kohlenstoffreichen Zone verfeinert. Die Norm selbst weist darauf hin, dass bei Verzugsgefahr beim Direkthärten aus einer Temperatur zwischen der des Kernhärtens und der des Randhärtens abgeschreckt werden sollte.

Das Abschreckmittel schreibt die Norm nicht vor: Es hängt von der Form des Bauteils, von den Abkühlbedingungen und von der Ofencharge ab. Deshalb führen wir „Ölhärtung“ nicht als Eigenschaft des Stahls auf; es ist eine Entscheidung des Zyklus, die mit der Härterei vereinbart wird.

5.3Anlassen und Spannungsarmglühen nach dem Einsatzhärten

Angelassen wird bei 150-200 °C und mindestens eine Stunde lang. Es ist ein Spannungsarmglühen und kein Vergüten: Es baut Eigenspannungen ab und stabilisiert den Martensit der Randschicht, statt die Festigkeit zu senken, wie es das Hochanlassen eines Vergütungsstahls täte. Eine Anlasskurve veröffentlicht die Norm für diesen Stahl nicht.

5.4Glühen, Normalglühen und Zyklen, die die Norm nicht vorschreibt

Den weichgeglühten Zustand sieht die Norm vor und setzt seine Höchsthärte auf 217 HBW fest, den Zyklus dorthin schreibt sie aber nicht vor. Die Glühtemperaturen, die für diesen Stahl kursieren, haben keine normative Grundlage, und wir veröffentlichen sie nicht. Für das Normalglühen gilt dasselbe: Den Zustand +N gibt es, mit 140-201 HBW, seine Temperatur legt die Norm nicht fest. Auch einen Bereich für die Warmumformung schreibt sie nicht vor.

Für die Zyklen ohne Vorgabe der Norm - isothermisches Glühen, Behandlung auf ferritisch-perlitisches Gefüge, Glühen auf kugelige Carbide, Carbonitrieren, Vorwärmen zum Schweißen - werden die Parameter am Bauteil mit der Härterei vereinbart und nicht aus einer Stahltabelle abgelesen.

Die Umwandlungspunkte AC1 und AC3 und die Martensitstarttemperatur Ms veröffentlicht die Norm nicht. Die Werte, die kursieren, stammen aus Datenbanken und aus Herstellerdatenblättern, die untereinander nicht übereinstimmen; wir geben deshalb keinen davon wieder.

5.5Einsatzhärtungstiefe: was die Norm festlegt und was nicht

Die Einsatzhärtungstiefe ist das Erste, wonach ein Konstrukteur bei einem Einsatzstahl sucht, und das Erste, was er in der Stahlnorm nicht findet: Weder die CHD noch die Randhärte sind Anforderungen dieses Dokuments. Festgelegt werden sie in der Wärmebehandlungsvorschrift des Bauteils, zusammen mit dem Messverfahren, und nachgewiesen werden sie am behandelten Teil. Was die Wahl des 20MnCr5 bestimmt, ist nicht die Tiefe der Randschicht - die hängt am Zyklus -, sondern die Härtbarkeit des Kerns darunter, und die legt die Norm mit dem Jominy-Streuband fest.

Zwei verwandte Anforderungen sind auseinanderzuhalten, denn die Norm behandelt sie unterschiedlich. Das Feinkorn ist keine Option: Es ist eine Grundanforderung, die gilt, sofern nichts anderes vereinbart ist; bei der Bestellung vereinbart wird allenfalls sein Nachweis. Und bei Schmiedestücken großen Durchmessers ergibt sich die Kerngesundheit nicht von selbst: Die Norm steuert sie über einen Mindestumformgrad, der ebenfalls bei der Bestellung vereinbart wird.

06Industrielle Anwendungen des Stahls 20MnCr5: Branchen und strategische Einsatzfelder

Die Anwendungen des 20MnCr5 lassen sich fast alle auf eine einzige mechanische Aufgabe zurückführen: eine Oberfläche, die gleitet oder kämmt, über einem Kern, der Biegung und Stoß aufnehmen muss. Für Zahnräder und für Antriebselemente kleiner und mittlerer Querschnitte ist er der gängige Einsatzstahl. Er bleibt die erste Wahl, solange der Querschnitt nicht zum Wechsel auf eine Nickel-Chrom-Molybdän-Sorte zwingt.

6.1Zahnräder und Antriebselemente

Zahnräder und Ritzel sind der Hauptanwendungsfall: Verzahnt wird im weichgeglühten Zustand, danach wird aufgekohlt und gehärtet, und die fertige Zahnflanke trägt eine harte Oberfläche über einem zähen Kern. Dieselbe Logik gilt für Keil- und Nockenwellen, Bolzen, Buchsen, Planetenräder sowie Bauteile von Getrieben und Schaltgetrieben, bei denen die Wälzkontaktermüdung der auslegungsbestimmende Versagensfall ist.

6.2Landmaschinen, Baumaschinen und Werkzeugmaschinen

Außerhalb des reinen Antriebsstrangs findet sich der 20MnCr5 in Bauteilen von Land- und Baumaschinen, im Werkzeugmaschinenbau und im Automobilbau: Wellen, Bolzen, Buchsen und verschleißfeste Verbindungselemente. In diesen Fällen zählen die Wiederholbarkeit der Wärmebehandlung und die Zerspanbarkeit vor dem Aufkohlen mehr als die Kernfestigkeit großer Querschnitte.

6.3Leistungsvergleich mit anderen Einsatzstählen

Der Vergleich zwischen Einsatzstählen entscheidet sich an der Härtbarkeit des Kerns - also an dem Querschnitt, oberhalb dessen der Kern nicht mehr durchhärtet - und an den Legierungselementen, die sie erzeugen. Die folgende Tabelle ist bewusst qualitativ gehalten: Die Werte jeder Sorte stehen in ihrem eigenen Datenblatt, und sie außerhalb ihres Bezugszustands nebeneinanderzustellen ist der schnellste Weg, Ungleiches zu vergleichen.

Die Arbeitsregel ist schnell gesagt und im Einzelfall zu prüfen: Solange der Kern im geforderten Querschnitt durchhärtet, erledigt der 20MnCr5 die Aufgabe ohne Nickel und ohne Molybdän; härtet er nicht mehr durch, wechselt man auf eine Nickel- oder eine Nickel-Molybdän-Sorte. Geprüft wird am Jominy-Streuband für den betreffenden Querschnitt und nicht an einer allgemeinen Rangliste; und auf diesem Streuband reichen die Mindestwerte bis 25 mm von der abgeschreckten Stirnfläche, nicht weiter.

07Häufige Fragen zum Stahl 20MnCr5: technische Antworten für Fachleute

Die folgenden Fragen erreichen uns zu dieser Sorte am häufigsten, aus der Konstruktion und aus dem Einkauf. Die Antworten bleiben bei dem, was die Norm sagt. Sagt sie nichts, steht auch das da: Es ist ebenfalls eine Auskunft, und meist ist es die, die eine Beanstandung verhindert.

7.1Was unterscheidet 20MnCr5 und 16MnCr5?

Beide Sorten gehören derselben Mangan-Chrom-Familie und derselben Norm an. Der Unterschied liegt im nominellen Kohlenstoffgehalt, den die Bezeichnung selbst nennt, und in den Legierungsgehalten, die beim 20MnCr5 höher liegen. In der Praxis bietet der 20MnCr5 die höhere Kernhärtbarkeit. Dazu kommt der Unterschied beim Kaltscheren: Der 20MnCr5 ist im Zustand +S scherbar, der 16MnCr5 zählt zu den bereits unbehandelt scherbaren Sorten. Für den Zahlenvergleich an einem bestimmten Querschnitt sieht man sich die Jominy-Streubänder beider Sorten an und nicht eine allgemeine Regel.

7.2Welche internationalen Entsprechungen hat der 20MnCr5?

Wenige. Die Werkstoffnummer lautet 1.7147, die französische AFNOR-Bezeichnung 20MC5, und in Deutschland wie in Italien heißt die Sorte 20MnCr5, ohne eigenen nationalen Namen. Außerhalb Europas ist der chinesische 20CrMnH der GB/T 5216 die einzige Entsprechung, die die EN ISO 683-3 als identisch mit dem 20MnCr5 ausweist. AISI/SAE-, britische oder japanische Gegenstücke gibt es nicht, und die in Händlertabellen kursierende Gleichsetzung mit AISI 5120 hält nicht stand: Jene Sorte hat rund ein Drittel weniger Mangan und ein Drittel weniger Chrom.

7.3Welche Randhärte erreicht der 20MnCr5 nach dem Einsatzhärten?

Keine Norm sichert sie zu, deshalb nennen wir keine Zahl: Die Härte der Randschicht legt die Wärmebehandlungsspezifikation des Bauteils fest, abhängig vom erreichten Kohlenstoffgehalt der Randschicht und vom Zyklus aus Härten und Anlassen. Einfordern lässt sich bei der Lieferung eine andere Härte, nämlich die des Lieferzustands: 217 HBW max im weichgeglühten Zustand.

7.4Welche Einsatzhärtungstiefe ist erreichbar, und bis zu welchem Querschnitt?

Die Einsatzhärtungstiefe legt die Stahlnorm nicht fest, weder nach unten noch nach oben: Die CHD ist ein Parameter der Wärmebehandlungsvorschrift, sie hängt von Zeit und Temperatur des Zyklus ab und wird am Bauteil nachgewiesen. Die Sorte entscheidet darüber nicht: Was der 20MnCr5 festlegt, ist über das Jominy-Streuband die Härtbarkeit des Kerns unter der Randschicht. Es gibt also keine Randschichtdicke, die dieser Stahl zulässt oder ausschließt, sondern einen Zyklus, der sie erzeugt und der am Bauteil vereinbart wird. Die Querschnittsgrenze liest man dagegen an diesem Streuband ab, auf dem die Norm einen Mindestwert bis 25 mm von der abgeschreckten Stirnfläche vorschreibt und darüber hinaus nicht.

7.5Ist der 20MnCr5 schweißbar?

Ein Stahl für geschweißte Konstruktionen ist der 20MnCr5 nicht. Mit 0,17-0,22 % Kohlenstoff, 1,10-1,40 % Mangan und 1,00-1,30 % Chrom - und nach dem Kohlenstoff wiegt das Chrom am schwersten, nicht das Mangan - ist Schweißen zwar möglich, aber im weichgeglühten Zustand und vor dem Aufkohlen, mit Vorwärmen und Spannungsarmglühen nach der Schweißanweisung. Weder ein Vorwärmen noch ein Kohlenstoffäquivalent schreibt die Stahlnorm vor, und Zahlen, die sie nicht hat, veröffentlichen wir nicht.

7.6Nach welcher Norm wird der 20MnCr5 geliefert?

Die EN ISO 683-3:2022, Einsatzstähle - technische Lieferbedingungen. Sie hat die EN 10084 abgelöst, die zuvor an die Stelle der deutschen DIN 17210 getreten war; die Bezeichnung hat sich nie geändert, Name und Werkstoffnummer 1.7147 sind dieselben geblieben.

7.7In welchen Lieferzuständen ist der 20MnCr5 erhältlich?

Die Norm sieht die Behandlungszustände unbehandelt +U, scherbar +S, weichgeglüht +A, auf eine Härtespanne behandelt +TH, ferritisch-perlitisch +FP und normalgeglüht +N vor, weitere nach Vereinbarung; für die Oberfläche nennt sie den Walzzustand +HW, gebeizt +PI, gestrahlt +BC und geschruppt +RM. Ohne abweichende Vereinbarung bei der Bestellung wird unbehandelt geliefert, also im warmumgeformten Zustand; das Weichglühen +A ist eine Option, die bestellt werden muss. Unsere vier Ausführungen des 20MnCr5 sind durchweg weichgeglüht.

Die Bestellangabe folgt der Norm selbst, die genau diese Sorte als Beispiel führt: ISO 683-3 - 20MnCr5+A+BC nach EN ISO 683-3:2022 nennt in dieser Reihenfolge die Sorte, den Behandlungszustand und den Oberflächenzustand.

7.8Wann fällt die Wahl auf 20MnCr5 statt auf 18NiCrMo5 oder 18CrNiMo7-6?

Entscheidend ist der Querschnitt, also die geforderte Kernhärtbarkeit. Der 20MnCr5 deckt Zahnräder und Antriebselemente kleiner und mittlerer Querschnitte mit einer Legierung ohne Nickel und Molybdän ab; wächst der Querschnitt und härtet der Kern nicht mehr durch, oder verlangt die dynamische Last mehr Kernzähigkeit, wechselt man auf den 18NiCrMo5 oder den 18CrNiMo7-6. Die informative Einstufung der Norm endet bei 100 mm Durchmesser, darüber gibt es keine Angabe, auch keine orientierende: Bei bedeutenden Querschnitten gehört der Vergleich deshalb auf den Behandlungszyklus und auf das Härtbarkeitsstreuband und nicht auf eine Tabelle - wobei auch dieses Streuband bei den vorgeschriebenen Mindestwerten bei 25 mm von der abgeschreckten Stirnfläche endet.

7.9Welche Dichte hat der 20MnCr5?

7,85 kg/dm³, und das ist keine gemessene Eigenschaft dieser Sorte, sondern der übliche Rechenwert der Stähle: die Konvention, mit der Gewicht und Preis ermittelt werden. Dieselbe Zahl steckt in unserem Rechner zum Stahlgewicht berechnen, in dem Profil und Abmessungen genügen, um Metergewicht und Gesamtgewicht zu erhalten.

08Das Lieferprogramm von Siderticino für Stahl 20MnCr5: Lösungen für einsatzgehärtete Bauteile

Siderticino liefert Stahl 20MnCr5 (1.7147) nach EN ISO 683-3:2022 (früher EN 10084) als Rundstahl in den Ausführungen warmgewalzt, kaltgezogen, geschält und geschmiedet, sämtlich weichgeglüht - im Zustand also, in dem vor dem Aufkohlen zerspant wird. Der Zuschnitt erfolgt nach Maß auf die gewünschten Längen, und die Prüfbescheinigungen nach EN 10204 begleiten die Lieferung, auf Anfrage mit Abnahmeprüfzeugnis 3.1.

Durchmesser, Ausführungen und die Angebotsanfrage finden Sie auf der Produktseite: Produkte aus Stahl 20MnCr5. Zu den verwandten Sorten führen das Werkstoffdatenblatt des 18NiCrMo5 und die Kategorieseite der Einsatzstähle; für die Gewichtsschätzung von Halbzeug steht der Rechner Stahlgewicht berechnen bereit.

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