GCr15 vs SUJ2 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
GCr15 und SUJ2 sind zwei weit verbreitete hochkohlenstoffhaltige Chromlagerstähle, die jeweils in den nationalen Standards Chinas und Japans spezifiziert sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen oft vor einem Auswahldilemma zwischen ihnen, wenn sie Wälzkörper, Präzisionswellen und verschleißfeste Komponenten spezifizieren – sie müssen Kosten, Bequemlichkeit der Lieferkette, Reaktion auf Wärmebehandlung und nachgelagerte Prozesse wie Bearbeitung, Schleifen und Finish ausbalancieren.
Auf metallurgischer Ebene sind diese Werkstoffe funktional gleichwertig: Beide sind hochkohlenstoffhaltige (nahe 1,0% C), chromlegierte Lagerstähle, die für hohe Härte, Ermüdungsbeständigkeit und dimensionsstabilität nach Abschrecken und Anlassen entwickelt wurden. Die praktischen Unterschiede, die die Wahl beeinflussen, sind daher keine wesentlichen Zusammensetzungsunterschiede, sondern Standardtoleranzen, verfügbare Produktformen, Qualitätssysteme der Lieferanten und lokal übliche Wärmebehandlungspraktiken.
1. Standards und Bezeichnungen
- GCr15: Chinesische nationale Standardbezeichnung für einen Lagerstahl, der internationalen Lagerstählen entspricht (häufig mit AISI 52100 verglichen). Er wird als hochkohlenstoffhaltiger Chromlagerstahl klassifiziert.
- SUJ2: Japanische Industrie-Norm (JIS) Bezeichnung für einen 1% C Chromlagerstahl (entspricht der AISI 52100/5210 Familie). Ebenfalls als hochkohlenstoffhaltiger Chromlagerstahl klassifiziert.
- Verwandte/global Standards und Querverweise, die häufig konsultiert werden:
- AISI/ASTM: AISI 52100 (häufig verwendeter Querverweis)
- EN: 100Cr6 (europäischer Lagerstahl, der in Chemie und Verwendung ähnlich ist)
- GB: Chinesische GB/T Standards für Lagerstähle (GCr15)
- JIS: SUJ2 gemäß JIS G4805 (Lagerstahl)
- Materialklassifikation: Beide sind hochkohlenstoffhaltige Chromlagerstähle (nicht rostfrei, nicht mikrolegierte HSLA, nicht Werkzeugstähle im Sinne von Schneidwerkzeugen).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
- Die folgende Tabelle fasst typische Zusammensetzungsbereiche zusammen, die von nationalen Standards spezifiziert sind. Die angegebenen Werte sind typische Standardbereiche; die zertifizierten Werksprüfberichte der Lieferanten sollten auf die genaue Loszusammensetzung überprüft werden.
| Element | Typisches GCr15 (Gew.% ) | Typisches SUJ2 (Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.025 – 0.035 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| S | ≤ 0.025 – 0.035 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| Cr | 1.30 – 1.65 | 1.30 – 1.65 |
| Ni | Nicht absichtlich hinzugefügt / ≤ 0.25 (Spur) | Nicht absichtlich hinzugefügt / ≤ 0.25 (Spur) |
| Mo | Nicht absichtlich hinzugefügt / Spur | Nicht absichtlich hinzugefügt / Spur |
| V, Nb, Ti, B, N | Nicht spezifiziert / nur Spur | Nicht spezifiziert / nur Spur |
Erklärung der Legierungsstrategie: - Kohlenstoff (C ~1%): sorgt für hohe Härtbarkeit und Martensitbildung; primäre Quelle für die Härte und Verschleißfestigkeit des Lagers nach Abschrecken/Anlassen. - Chrom (Cr ~1.3–1.65%): erhöht die Härtbarkeit, trägt zur sekundären Härtung und Verschleißfestigkeit bei und verfeinert Karbide (bessere Ermüdungsleistung bei rollendem Kontakt). - Silizium und Mangan: Entgasungsmittel und geringfügige Beiträge zur Festigkeit/Härtbarkeit. - Niedriger Phosphor- und Schwefelgehalt: minimiert Einschlüsse, die die Ermüdungslebensdauer und Oberflächenintegrität verringern. - Die Werkstoffe sind absichtlich arm an Legierungsbestandteilen über Cr hinaus; sie sind so konzipiert, dass sie die gewünschten Lager Eigenschaften durch präzise Wärmebehandlung und nicht durch starke Legierung erreichen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen und Verarbeitungsreaktionen: - Im geglühten Zustand: perlitische oder sphäroidisierte Karbide in einer ferritischen Matrix (abhängig von der Glührezeptur). Sphäroidisierung verbessert die Bearbeitbarkeit für die Vorbearbeitung. - Nach der Härtung (Austenitisieren und Abschrecken): überwiegend martensitische Matrix mit dispergierten Chromkarbiden. Der hohe Kohlenstoff- und moderate Chromgehalt erzeugt eine martensitische Mikrostruktur mit feinen Karbiden, die für die Ermüdungsbeständigkeit bei rollendem Kontakt geeignet sind. - Anlassen: verringert die Sprödigkeit, verbessert die Zähigkeit und stabilisiert die verbleibende Austenit. Die endgültige Härte und Zähigkeit werden durch Anlasstemperatur und -zeit kontrolliert.
Auswirkungen gängiger Verarbeitungswege: - Normalisieren: verfeinert die Korngröße, nützlich als Vorbehandlung vor der endgültigen Wärmebehandlung für große Schmiedeteile. - Abschrecken & Anlassen: der primäre Weg für Lagerkomponenten. Austenitisieren typischerweise im Bereich, der für 1.0% C–1.6% Cr Stähle geeignet ist (Hersteller und Standard geben die genauen Temperaturen an), Öl- oder Salzwasserabschreckung wird häufig verwendet, um übermäßige Verformungen zu vermeiden. - Thermo-mechanische Verarbeitung: kontrolliertes Schmieden und Walzen kann die Morphologie und Richtung von Einschlüsse verbessern, was die Ermüdungslebensdauer erhöht; jedoch wird die chemische Zusammensetzung für diese Werkstoffe nicht stark verändert.
4. Mechanische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften hängen stark vom Zustand der Wärmebehandlung ab. Die folgende Tabelle gibt repräsentative Eigenschaftsbereiche für geglühten und gehärteten/anlassen Zustände an; verwenden Sie die zertifizierten Wärmebehandlungsdaten des Lieferanten für das Design.
| Zustand | Zugfestigkeit (ca.) | Streckgrenze (ca.) | Dehnung (ca.) | Schlagzähigkeit (qualitativ) | Härte |
|---|---|---|---|---|---|
| Geglüht / sphäroidisiert | 700 – 900 MPa | 500 – 700 MPa | 8 – 15% | Moderat | ~180 – 240 HB (ca. 15–25 HRC) |
| Abgeschreckt & angelassen (Lagerfinish, hohe Härte) | 1400 – 2100 MPa (variiert mit dem Anlassen) | Kerbsensibel; hoch | 1 – 8% | Geringer als geglüht; kontrolliert durch Anlassen | 58 – 66 HRC (typisch für Wälzkörper) |
Interpretation: - Festigkeit: Im abgeschreckten und angelassenen Zustand entwickeln beide Werkstoffe aufgrund der martensitischen Matrix eine sehr hohe Zugfestigkeit; die Festigkeit ist hauptsächlich eine Funktion von Kohlenstoff und Anlasparametern und nicht von kleinen Unterschieden zwischen den beiden Werkstoffen. - Zähigkeit und Duktilität: Kompromiss gegenüber der Härte – höhere Anlasstemperatur erhöht Zähigkeit und Duktilität, senkt jedoch Härte und Verschleißfestigkeit. Lageranwendungen zielen auf ein Gleichgewicht ab: hohe Härte für Verschleiß und Ermüdungsbeständigkeit bei rollendem Kontakt und ausreichende Restzähigkeit. - Zwischen GCr15 und SUJ2: kein intrinsischer systematischer Vorteil in Festigkeit oder Zähigkeit – Unterschiede werden durch genaue Wärmebehandlungsspezifikationen und Qualitätskontrolle bestimmt.
5. Schweißbarkeit
Hoher Kohlenstoff (~1.0%) plus Chromgehalt gibt diesen Stählen eine geringe Schweißbarkeit im Vergleich zu niedrigkohlenstoffhaltigen Stählen. Relevante Überlegungen: - Hoher C- und moderater Cr-Gehalt erhöhen die Härtbarkeit und die Neigung zur Martensitbildung in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ), was das Risiko von Kaltverzügen erhöht. - Der Einsatz von Vorwärmung, kontrollierter Interpass-Temperatur und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) ist typischerweise erforderlich für geschweißte Baugruppen, um spröde HAZ-Mikrostrukturen zu vermeiden. - Formeln, die häufig zur qualitativen Bewertung der Schweißbarkeit verwendet werden: - Das IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Das konservativere Pcm zur Bewertung der Kaltverzugsempfindlichkeit: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretation: Beide Werkstoffe erzeugen relativ hohe Kohlenstoffäquivalente (bedingt durch den nahezu 1% C- und Cr-Gehalt), sodass sie als "schwierig zu schweißen" ohne spezielle Verfahren bezeichnet werden. Für die meisten Lageranwendungen wird Schweißen vermieden; Bearbeitung und mechanische Montage werden bevorzugt.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Diese sind keine rostfreien Stähle. Chrom bei ~1.3–1.65% bietet nur eine geringe Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber einfachen Kohlenstoffstählen, verleiht jedoch keine Passivität.
- Standard-Schutzstrategien für Einsatzumgebungen:
- Beschichtungen: Feuerverzinkung (wo die Geometrie es erlaubt), Galvanisierung oder Umwandlungsbeschichtungen.
- Farben und Polymerbeschichtungen für atmosphärische Exposition.
- Schmierung und Ölen für Lagerflächen, um Kontaktkorrosion zu begrenzen.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist ein Index für rostfreie Stähle und ist nicht anwendbar auf GCr15 oder SUJ2, da deren Cr-Gehalt weit unter rostfreien Niveaus liegt. Zum Vergleich, PREN ist: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ aber es ist nicht aussagekräftig für diese nicht rostfreien Lagerstähle.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Im geglühten/sphäroidisierten Zustand lassen sich beide Werkstoffe vernünftig bearbeiten. Im gehärteten Zustand sind sie schwer zu bearbeiten und werden typischerweise geschliffen oder superfertiggestellt, anstatt gedreht oder gefräst zu werden.
- Schleifen und Finish: Präzisionsschleifen und -polieren sind Standard für die Endmaße und Oberflächenfinish in Lagerkomponenten. Hartmetallschleifscheiben und geeignete Kühlmittel sind für gehärtete Zustände erforderlich.
- Formbarkeit: Geringe Duktilität im gehärteten Zustand; das Formen sollte im geglühten Zustand erfolgen.
- Verzerrung durch Wärmebehandlung: hoher Kohlenstoffgehalt und Abschreckhärtung führen zu einem signifikanten Verzerrungsrisiko; sorgfältige Vorrichtungen, Auswahl der Abschreckmittel (Öl, Polymer) und Anlaszyklen werden verwendet, um dimensionale Veränderungen zu minimieren.
- Oberflächenbehandlungen: Induktionshärtung wird manchmal für die lokale Härtung von Wellen verwendet, während die Lagerzapfen in gewünschtem Zustand bleiben.
8. Typische Anwendungen
| GCr15 (häufige Anwendungen) | SUJ2 (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Wälzlager: Kugeln, Rollen | Wälzlager: Kugeln, Rollen |
| Präzisionswellen und Spindeln | Präzisionswellen und Spindeln |
| Lager-Ringe und Käfige | Lager-Ringe und Käfige |
| Verschleißkomponenten wie Nocken, Stifte und Werkzeugformen (wo hohe Härte erforderlich ist) | Verschleißkomponenten wie Nocken, Stifte und Werkzeugteile |
| Automobilteile: Getriebekomponenten, Lenkung | Automobil- und Industrie-Lagerteile gemäß JIS-Spezifikation |
Auswahlbegründung: - Beide Werkstoffe werden gewählt, wo hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer bei rollendem Kontakt kritisch sind. Die Wahl zwischen ihnen wird typischerweise durch den erforderlichen Spezifikationsstandard (GB vs JIS), die Qualifikation des Lieferanten und die lokale Verfügbarkeit bestimmt, anstatt durch metallurgische Überlegenheit.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Beide Werkstoffe sind Handelslagerstähle und sind im Allgemeinen moderat im Preis. Preisunterschiede werden typischerweise durch lokale Versorgung, Logistik und Zertifizierungskosten und nicht durch die Zusammensetzung der Rohstoffe bestimmt.
- Verfügbarkeit:
- GCr15 ist in China und vielen asiatischen Märkten häufig vorrätig; SUJ2 ist in Japan und Märkten, die JIS-spezifiziertes Material beziehen, verbreitet. Internationale Händler liefern häufig Äquivalente (AISI 52100, EN 100Cr6), die den Kundenanforderungen entsprechen.
- Produktformen: Stangen, Ringe, geschmiedete Rohlinge, Draht und fertige Wälzkörper. Lieferzeiten und verfügbare Toleranzen variieren je nach Hersteller.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ)
| Attribut | GCr15 | SUJ2 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Schlecht – erfordert Vorwärmung/PWHT | Schlecht – erfordert Vorwärmung/PWHT |
| Festigkeit–Zähigkeit (nach HT) | Hohe Festigkeit, maßgeschneiderte Zähigkeit durch Anlassen | Hohe Festigkeit, maßgeschneiderte Zähigkeit durch Anlassen |
| Kosten & Verfügbarkeit | Allgemein niedrigere Kosten/kürzere Lieferzeiten in China; weit verbreitet | Weit verbreitet in JIS-Lieferketten; kann bevorzugt werden, wo JIS-Spezifikation erforderlich ist |
Empfehlungen: - Wählen Sie GCr15, wenn: Ihre Lieferkette und Qualitätssicherung auf chinesischen Standards organisiert sind, Sie kosteneffiziente Beschaffung in Regionen benötigen, in denen GCr15 häufig vorrätig ist, oder Ihre Zeichnungen/Zertifikate GB/T-Material spezifizieren. - Wählen Sie SUJ2, wenn: Ihre Beschaffung oder Kunden JIS-Materialbezeichnungen erfordern, Sie innerhalb einer Lieferkette arbeiten, die auf japanische Standards ausgerichtet ist, oder vorhandene Qualifikations-/Zertifizierungsdokumente SUJ2 spezifizieren.
Letzte praktische Anmerkung: GCr15 und SUJ2 sind metallurgisch gleichwertig für die meisten Lageranwendungen. Die entscheidenden Faktoren für die Leistung sind der detaillierte Wärmebehandlungsplan, die Kontrolle von Einschlüsse und Karbidmorphologie, Präzisionsschleifen/-finish sowie geeigneter Oberflächenschutz und Schmierung. Überprüfen Sie immer die Werkszertifikate, Härtepläne und Prozesskontrolldokumentationen für das Los, das Sie kaufen, anstatt sich ausschließlich auf den nominalen Gradnamen zu verlassen.