60Si2Mn vs 55CrSi – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner wählen häufig zwischen hochkohlenstoffhaltigen Federstählen, die hohe Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und vorhersehbare Wärmebehandlungsreaktionen bieten. Zwei häufig verglichene Sorten in dieser Klasse sind 60Si2Mn und 55CrSi. Das Auswahldilemma dreht sich typischerweise um Kompromisse zwischen Härtefähigkeit für dickere Querschnitte, erreichbarer Festigkeit und Ermüdungslebensdauer, Schweißbarkeit und Fertigungseffizienz sowie Materialkosten.

Der Hauptunterschied zwischen diesen Sorten liegt in der Legierungsstrategie: die eine betont die Silizium-Mangan-Chemie, um Festigkeit und Elastizität bei hohen Kohlenstoffgehalten zu steigern, während die andere Chrom mit Silizium kombiniert, um die Härtefähigkeit und die Anlasstemperatur zu erhöhen. Aufgrund dessen werden sie häufig für Federn, Befestigungselemente und hochbelastete Komponenten verglichen, bei denen sowohl die mechanische Leistung als auch die Herstellbarkeit von Bedeutung sind.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Bezeichnungen, die in der Industrie vorkommen:
• GB (China): 60Si2Mn, 55CrSi (Nomenklatur, die häufig in chinesischen Normen und der Lieferkette verwendet wird).
• EN/ISO: Vergleichbare EN-Stahlgüten für Federstähle umfassen 60Si2Mn-Äquivalente und SAE/ASTM-Analoga (z. B. SAE 9254/55 für SiCr-Federstähle), aber genaue Querverweise hängen von den Spezifikationsdetails ab.
• JIS: JIS-Federstähle (z. B. SUP9/SUP10-Familien) können in einigen Anwendungen als funktionale Äquivalente verwendet werden.
• ASTM/ASME: Keine einheitliche ASTM-Universalbezeichnung für diese kommerziellen Federstähle; die Lieferung wird typischerweise durch kundenspezifische oder nationale Normen geregelt.
• Klassifizierung:
• Sowohl 60Si2Mn als auch 55CrSi sind hochkohlenstoffhaltige Legierungs-Federstähle (nicht rostfrei). Sie sind keine Werkzeugstähle, rostfreien Stähle oder HSLA im herkömmlichen Sinne.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Hinweis: Die Zusammensetzungen variieren je nach Norm und Anbieter. Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsbereiche (ungefähr) an, um die Legierungsstrategie zu veranschaulichen, anstatt genaue Spezifikationsgrenzen.

Element (%)	60Si2Mn (typischer Bereich)	55CrSi (typischer Bereich)
C	0.56–0.64	0.50–0.60
Mn	0.50–1.00	0.30–0.80
Si	1.60–2.00	0.90–1.50
P	≤ 0.03 (max)	≤ 0.03 (max)
S	≤ 0.03 (max)	≤ 0.03 (max)
Cr	≤ 0.25 (Spur)	0.80–1.30
Ni	≤ 0.30 (Spur)	≤ 0.30 (Spur)
Mo	—	≤ 0.10 (gering)
V, Nb, Ti	— (in der Regel abwesend)	— (in der Regel abwesend)
B, N	—	—

Legierungseffekte: - Kohlenstoff ist das Hauptverhärtungselement: Höherer C erhöht die erreichbare Härte und Festigkeit nach Abschrecken und Anlassen, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität. - Silizium erhöht die Festigkeit, Elastizität und Federleistung; es stabilisiert auch Ferrit und kann die Zähigkeit in einigen Anlasstemperaturen verbessern. - Mangan verbessert die Härtefähigkeit und Zugfestigkeit und wirkt als Entgasungsmittel. - Chrom erhöht die Härtefähigkeit und die Anlasstemperatur – wichtig für dickere Querschnitte und höhere Betriebstemperaturen. - Spurenelemente und strenge Kontrolle von P/S verbessern die Ermüdungslebensdauer und reduzieren Einschlüsse.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen und das Verhalten bei der Wärmebehandlung unterscheiden sich aufgrund des Legierungsgehalts: - 60Si2Mn (Si–Mn-dominiert): - Im normalisierten Zustand: überwiegend perlitsche/ferritische Struktur für moderate Festigkeit. - Nach Abschrecken und Anlassen: martensitische Matrix, die auf die gewünschte Härte angelassen wird; Siliziumgehalte helfen, die elastischen Eigenschaften für Federanwendungen zu erhalten. - Dickensensitivität: moderat; Mangan bietet eine gewisse Härtefähigkeit, ist jedoch weniger effektiv als Chrom, sodass dickere Komponenten unvollständige Härtung zeigen können, es sei denn, sie werden angepasst. - 55CrSi (Cr–Si-dominiert): - Im normalisierten Zustand: Perlit + Ferrit, abhängig von der Abkühlung. - Nach Abschrecken und Anlassen: martensitisch angelassen; Chrom erhöht die Härtefähigkeit und fördert eine gleichmäßigere martensitische Umwandlung in dickeren Querschnitten. - Anlasstemperaturbeständigkeit: verbessert durch Cr; ermöglicht eine bessere Festigkeitsbeibehaltung bei erhöhten Anlasstemperaturen und verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Weichwerden über die Zeit.

Verarbeitungswege: - Normalisieren/Verfeinern der Korngröße: beide reagieren gut, aber die Wahl der Normalisierungstemperatur hängt vom Kohlenstoffgehalt und der Querschnittsgröße ab. - Abschrecken & Anlassen: üblich für Federstähle. Abschreckmedium, Austenitisierungstemperatur und Anlasstemperaturprofil steuern die endgültige Härte und Zähigkeit. - Thermo-mechanische Verarbeitung (für Draht oder Federwickeln): kontrollierte Abkühlung und Kaltverformung sowie Spannungsabbau-Anlassen sind Standard.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften variieren stark mit der Wärmebehandlung und der Querschnittsgröße. Die folgende Tabelle zeigt typische Bereiche, die nach branchenüblichen Abschreck- und Anlaszyklen für Feder- und hochfeste Anwendungen erreichbar sind.

Eigenschaft	60Si2Mn (typisch)	55CrSi (typisch)
Zugfestigkeit (MPa)	900–1600 (abhängig vom Anlassen)	900–1700 (besser in dickeren Querschnitten)
Streckgrenze (MPa)	700–1400	700–1450
Dehnung (%)	6–18 (niedriger bei höherer Festigkeit)	6–18 (ähnlicher Bereich)
Schlagzähigkeit (J, Charpy)	Niedrig bis moderat im Zustand mit hoher Härte; verbessert sich mit dem Anlassen	Ähnlicher Trend; Cr kann die erhaltene Zähigkeit bei gleicher Härte verbessern
Härte (HRC)	~30–65 (abhängig vom Anlassen)	~30–65 (kann in dickeren Teilen aufgrund von Cr aufrechterhalten werden)

Interpretation: - Beide Sorten können sehr hohe Zugfestigkeiten erreichen, wenn sie gehärtet und angelassen werden; die Unterschiede hängen oft von der Anwendung und der Geometrie ab. - 55CrSi bietet im Allgemeinen eine höhere Härtefähigkeit und konsistentere Eigenschaften in dickeren Querschnitten, was es bevorzugt macht, wenn Durchhärtung größerer Komponenten erforderlich ist. - 60Si2Mn ist effektiv für Draht, kleine Durchmesserfedern und Komponenten, bei denen sehr hohe Elastizität und Ermüdungsleistung bei kleinen Querschnitten erforderlich sind.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffäquivalent und die Härtefähigkeit bestimmt. Zwei häufig verwendete Indizes sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und der Pcm (Luftfahrt-/Fertigungsindex):

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Höhere C- und höhere CE/Pcm-Werte implizieren eine erhöhte Anfälligkeit für Kaltverzug und die Notwendigkeit von Vorwärmen/Nachbehandlung.

60Si2Mn hat typischerweise etwas mehr Silizium und vergleichbaren oder höheren Kohlenstoff, aber weniger Chrom; die Härtefähigkeit ist moderat. Für kleine Teile ist das Schweißen mit strengen Kontrollen (Vorwärmen, wasserstoffarme Elektroden) machbar. Für hochfeste Federstähle wird das Schweißen im Allgemeinen vermieden, es sei denn, es werden lokale Glüh- und Anlasstemperaturen angewendet.

55CrSi hat aufgrund des Chroms oft ein höheres CE für einen bestimmten Kohlenstoffgehalt und zeigt eine größere Härtefähigkeit. Dies macht die Schweißbarkeit in dickeren Querschnitten herausfordernder, da eine harte martensitische HAZ entstehen kann. Vorwärmen und PWHT sind häufig erforderlich; viele Anwendungen bevorzugen mechanische Verbindungen oder Kaltumformung gegenüber dem Schweißen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder 60Si2Mn noch 55CrSi sind rostfrei. Die Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt und hängt vom Oberflächenschutz ab:
• Übliche Schutzmaßnahmen umfassen Verzinkung, Galvanisierung, Phosphatbeschichtungen, Lackierung oder Polymerbeschichtungen.
• Für Federanwendungen, bei denen Beschichtungen die Leistung beeinträchtigen können, müssen rostfreie Alternativen oder schützende Konstruktionsmerkmale in Betracht gezogen werden.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) gilt für rostfreie Legierungen:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• PREN ist nicht anwendbar auf diese nicht rostfreien Federstähle, da ihre Cr-Gehalte und die Legierungsstruktur unzureichend sind, um passiven Korrosionsschutz zu erzeugen.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit:
• Hoher Kohlenstoff und hohe Härte beider Sorten im gehärteten Zustand verringern die Zerspanbarkeit. Das Drehen bei Vorhärte ist begrenzt; die Verwendung geeigneter Werkzeuge und Geschwindigkeiten sowie das Anlassen zur Senkung der Härte vor der schweren Bearbeitung sind Standard.
• 60Si2Mn kann im geglühten oder normalisierten Zustand aufgrund des niedrigeren Cr-Gehalts etwas besser zerspanbar sein.
• Formbarkeit:
• Kaltumformung und Wickeln: beide sind für die Federumformung ausgelegt; 60Si2Mn wird aufgrund seiner hohen Elastizität häufig für kleine Durchmesserfedern verwendet.
• Biegen und Kaltkopf: erfolgt im geglühten Zustand; das Formen bei hoher Härte vermeiden.
• Oberflächenveredelung:
• Schleifen und Strahlbehandlung sind üblich für Ermüdungsteile; beide Stähle reagieren gut auf Strahlbehandlung zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer.

8. Typische Anwendungen

60Si2Mn (häufige Anwendungen)	55CrSi (häufige Anwendungen)
Hochelastische Drahtfedern (kleiner Durchmesser), Federbeine für kleine Komponenten, Federdraht, leichte Torsionsfedern	Schwere Drahtfedern, Blattfedern, Stoßdämpferfedern, Feder- und Vibrationsfedern mit größerem Durchmesser
Präzisionsfedern und kleine mechanische Komponenten, die hohe Elastizität erfordern	Schwerere, dickere Komponenten, bei denen Durchhärtung und angelassene Festigkeit erforderlich sind
Hochkohlenstoffdraht und kleine Befestigungselemente in hochbelasteten Umgebungen	Komponenten, die überlegene Härtefähigkeit, bessere HAZ-Leistung und verbesserte Anlasstemperaturbeständigkeit erfordern

Auswahlbegründung: - Wählen Sie basierend auf der Lastgröße, der Geometrie des Bauteils (Querschnittsdicke), der erforderlichen Ermüdungslebensdauer und ob Durchhärtung erforderlich ist. 60Si2Mn ist kosteneffizient für kleine hochelastische Teile; 55CrSi wird bevorzugt für größere, hochbelastete Komponenten, bei denen gleichmäßige Härtung und Anlasstemperaturbeständigkeit von Bedeutung sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis:
• 60Si2Mn kostet typischerweise weniger pro Kilogramm, da es keine signifikanten Chromzusätze enthält und weit verbreitet als Federstahl produziert wird.
• 55CrSi ist aufgrund des Chromgehalts und möglicherweise strengerer Kontrollen für Federanwendungen moderat teurer.
• Verfügbarkeit:
• Beide Sorten sind häufig in Stab-, Draht- und Stangenformen über Federstahl-Lieferanten erhältlich; die lokale Verfügbarkeit hängt von der regionalen Produktion und dem Standardgebrauch ab (z. B. kann 55CrSi in Automobil-Lieferketten, in denen dickere Teile erforderlich sind, häufiger vorkommen).

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Attribut	60Si2Mn	55CrSi
Schweißbarkeit	Besser für kleine Teile (mit Kontrollen)	Herausfordernder aufgrund höherer Härtefähigkeit
Festigkeit–Zähigkeit	Hohe Festigkeit für kleine Querschnitte; ausgezeichnete Elastizität	Vergleichbare oder höhere Festigkeit in dickeren Teilen; verbesserte Anlasstemperaturbeständigkeit
Kosten	Niedriger	Höher

Abschließende Empfehlungen: - Wählen Sie 60Si2Mn, wenn: - Sie hohe elastische Grenzen und Ermüdungsleistung in kleinen Querschnittsfedern oder Draht benötigen. - Kostenempfindlichkeit und hohe Produktionsvolumina für kleine Komponenten entscheidend sind. - Durchhärtung dicker Querschnitte nicht erforderlich ist und das Schweißen minimal oder kontrolliert ist. - Wählen Sie 55CrSi, wenn: - Das Bauteil größere Querschnitte hat oder gleichmäßige Härtung durch den Querschnitt erfordert. - Verbesserte Anlasstemperaturbeständigkeit und bessere erhaltene Eigenschaften nach dem Anlassen oder der Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen erforderlich sind. - Die Anwendung leicht höhere Materialkosten toleriert und Sie die Schweiß-/Wärmebehandlungsverfahren zur Sicherheit kontrollieren können.

Beide Materialien sind bewährte Arbeitstiere im Design von Federn und hochfesten Komponenten. Die endgültige Wahl sollte von der Querschnittsdicke, dem erforderlichen Anlasstemperaturprofil, den Anforderungen an Ermüdung und Ermüdungsrissinitiierung sowie den nachgelagerten Fertigungsbeschränkungen wie Schweißen und Oberflächenveredelung abhängen.