52100 vs 51100 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

52100 und 51100 sind zwei hochkohlenstoffhaltige Wälzlagerstähle, die häufig in Betracht gezogen werden, wenn Designer und Beschaffungsteams Abriebfestigkeit, Zähigkeit, Verarbeitbarkeit und Kosten abwägen müssen. Ingenieure stehen oft vor den Kompromissen zwischen höherer Härtbarkeit und Lebensdauer gegen einfachere Chemie, einfachere Bearbeitung und niedrigere Materialkosten. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl eines Materials für Wälzlager, Verschleißkomponenten, Wellen oder gehärtete Stifte, bei denen Durchhärtung, Oberflächenerschöpfungsbeständigkeit und Zähigkeit entscheidend sind.

Die primäre Unterscheidungsstrategie zwischen den beiden Güten ist der Einsatz von Legierungselementen zur Erhöhung der Härtbarkeit und Abriebfestigkeit: Eine Güte enthält gezielte Chromzusätze zur Verbesserung der Härtbarkeit und der Ermüdungsbeständigkeit bei Rollenkontakt, während die andere im Wesentlichen ein hochkohlenstoffhaltiger, niedriglegierter Stahl ist, der auf Kohlenstoff und konventionelles Abschrecken und Anlassen angewiesen ist, um die erforderliche Härte zu erzeugen. Da beide für Lager- und Verschleißanwendungen verwendet werden, werden sie häufig hinsichtlich der Lagerlebensdauer, der Wärmebehandlungsreaktion und der nachgelagerten Fertigungsimplikationen verglichen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen, die auf diese Güten verweisen:
• ASTM/ASME/SAE: SAE/AISI 52100; SAE/AISI 51100.
• EN: 52100 wird oft als 1.3505 (oder 100Cr6 in europäischer Bezeichnung) bezeichnet; 51100 hat kein direktes einzelnes EN-Äquivalent, entspricht jedoch hochkohlenstoffhaltigen Stählen, die in spezifischen nationalen Normen für Lager verwendet werden.
• JIS/GB: 52100 entspricht JIS SUJ2 und GB 52100 (Nomenklatur variiert je nach Land); 51100-Äquivalente erscheinen in nationalen Normen als nicht-chromhaltige hochkohlenstoffhaltige Wälzlagerstähle oder einfache hochkohlenstoffhaltige Stähle.
• Klassifizierung:
• 52100: hochkohlenstoffhaltiger Chrom-Wälzlagerstahl (Legierungsstahl / Wälzlagerstahl).
• 51100: hochkohlenstoffhaltiger nicht-chromhaltiger Wälzlager-/Ingenieurstahl (Kohlenstoff- oder niedriglegierter Stahl, oft als Wälzlagerstahl in der Lagerindustrie behandelt).

Hinweis: Die genaue Zuordnung der Bezeichnungen variiert zwischen den Normungsausschüssen; bestätigen Sie immer die spezifische Normnummer und den Spezifikationstext für die Beschaffung.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle — Typische chemische Zusammensetzung (Gew.-%) für gängige kommerzielle Spezifikationen. Die angegebenen Werte sind typische Bereiche; konsultieren Sie die geltende Einkaufsspezifikation für die Vertragsannahme.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff steuert hauptsächlich die erreichbare Härte und Festigkeit nach Abschrecken und Anlassen; beide Güten sind hochkohlenstoffhaltig, um martensitische Härtung zu ermöglichen. - Chrom in 52100 bietet erhöhte Härtbarkeit, verbesserte Abriebleistung, Karbidstabilität und verbesserte Ermüdungsbeständigkeit bei Rollenkontakt im Vergleich zu niedriglegierten Chromstählen. Chrom verfeinert auch die Ansprechreaktion beim Anlassen und trägt zur Härte der zurückgehaltenen Karbide bei. - 51100 verlässt sich auf Kohlenstoff und konventionelle Legierungsrückstände; sein niedrigerer Chromgehalt verringert die Härtbarkeit und Abriebfestigkeit unter identischer Wärmebehandlung, vereinfacht jedoch die Zusammensetzung für bestimmte Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungen.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen: - Im geglühten Zustand zeigen beide Güten perlitische oder sphäroidisierte Zementite in einer ferritischen Matrix, abhängig von Normalisierungs- und Sphäroidisierungszyklen. Für den Lagerbetrieb werden beide typischerweise zu Martensit mit dispergierten Karbiden gehärtet. - 52100 bildet nach geeigneter Härtung und Anlassen Martensit mit feinen Chromkarbiden; Karbide sind im Allgemeinen feiner und dispergierter als in niedriglegierten Chromstählen, was die abrasive Abriebfestigkeit und die Lebensdauer bei Subsurface-Ermüdung verbessert. - 51100 bildet Martensit plus Zementitkarbide; bei niedrigerem Legierungsgehalt kann die Karbidverteilung gröber sein, wenn Sphäroidisierung/Glühen nicht sorgfältig kontrolliert wird.

Reaktion auf die Wärmebehandlung: - Normalisieren verbessert die Kornverfeinerung für beide, aber 52100 profitiert mehr von der Härtung bei höheren Austenitisierungstemperaturen, da Cr die Härtbarkeit erhöht – was eine tiefere Durchhärtung in größeren Querschnitten ermöglicht. - Abschrecken & Anlassen: - 52100 erreicht eine höhere Härtbarkeit und kann eine gleichmäßige Härte durch erhebliche Querschnittsdicken erreichen; Anlassen wird verwendet, um die Zähigkeit im Vergleich zur Härte für die Ermüdung bei Rollenkontakt zu optimieren. - 51100 härtet effektiv in kleineren Querschnitten; in größeren Querschnitten kann es einen weicheren Kern zeigen und anfälliger für Durchmesservariationen sein. - Thermo-mechanische Verarbeitung (kontrolliertes Walzen und beschleunigte Kühlung) kann in beiden eine überlegene Korngröße und mechanische Eigenschaften erzeugen, aber die Legierung in 52100 macht es nachsichtiger für die Durchhärtung.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle — Typische mechanische Eigenschaften (Bereich hängt stark von der Wärmebehandlung ab; Werte zeigen gängige Betriebsbereiche).

Welcher ist stärker, zäher oder duktiler und warum: - Festigkeit und Härte: 52100 erreicht typischerweise eine höhere effektive Festigkeit und Durchhärtung bei gleichen Querschnittsgrößen aufgrund seines Chromgehalts und der daraus resultierenden Härtbarkeit. - Zähigkeit: Zähigkeit ist eine Funktion der Wärmebehandlung und Mikrostruktur. Bei vergleichbarer Oberflächenhärte kann 51100 manchmal eine ähnliche oder leicht höhere scheinbare Zähigkeit in kleinen Querschnitten aufweisen, aufgrund einfacherer Karbidverteilungen; jedoch bietet 52100 oft eine bessere Lebensdauer bei Rollenkontakt und Widerstand gegen Subsurface-Rissbildung aufgrund feiner Chromkarbide und verbesserter Härtbarkeit. - Duktilität: Beide Güten opfern Duktilität bei hoher Härte; 51100 kann bei vergleichbarer Härte in kleinen Querschnitten marginal höhere Dehnung aufweisen, aber dies ist stark prozessabhängig.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffäquivalent und die Härtbarkeit bestimmt; höherer Kohlenstoff- und Legierungsgehalt erhöht das Risiko von Kaltverzügen und erfordert Vorwärmung und/oder Nachschweißwärmebehandlung.

Nützliche Indizes: - Das IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Das deutsche Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: - 52100 hat typischerweise ein höheres berechnetes CE/Pcm als 51100 aufgrund seines absichtlichen Chromgehalts; dies erhöht die Anfälligkeit für wasserstoffinduzierte Kaltverzüge und Martensitbildung in der wärmebeeinflussten Zone. - 51100, das keinen signifikanten Cr enthält, hat im Allgemeinen ein etwas niedrigeres Kohlenstoffäquivalent und ist etwas einfacher zu schweißen, aber sein hoher Kohlenstoff allein macht das Schweißen ohne strenge Kontrollen immer noch herausfordernd. - Praktische Anleitung: Für beide Güten sollte das Schweißen an primären Lagerflächen vermieden werden. Wenn Schweißen erforderlich ist, verwenden Sie Vorwärmung, kontrollierte Zwischentemperaturen, wasserstoffarme Elektroden/Füllstoffe und geeignete PWHT, um Martensit zu tempern und Restspannungen zu reduzieren. Wo immer möglich, produzieren Sie die endgültige Geometrie vor der Härtung oder verwenden Sie mechanische Verbindungsmethoden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder 52100 noch 51100 sind rostfrei; beide sind korrosionsanfällig. Chrom in 52100