GCr15 vs SUJ2 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
GCr15 und SUJ2 sind zwei weit verbreitete hochkohlenstoffhaltige Chromlagerstähle, die unter verschiedenen nationalen Standards spezifiziert sind. Ingenieure und Einkaufsleiter stehen oft vor der Wahl zwischen ihnen, wenn sie Wälzlager, Wellen oder Verschleißkomponenten spezifizieren, bei denen hohe Kontaktmüdigkeitsfestigkeit und dimensionsstabilität erforderlich sind. Typische Auswahlkompromisse umfassen Kosten und lokale Verfügbarkeit im Vergleich zur Spezifikationsverfolgbarkeit sowie geringfügige Unterschiede in chemischen Bereichen oder Verarbeitungsverläufen, die die Sauberkeit, Entkohlen-Toleranz und empfohlene Wärmebehandlung beeinflussen können.
Der zentrale praktische Unterschied besteht darin, dass GCr15 und SUJ2 nominal gleichwertige Lagerstähle in den chinesischen bzw. japanischen Standards sind, ihre Standardzusammensetzungen, zulässigen Toleranzen und typischen Produktions-/Qualitätskontrollpraktiken jedoch so unterschiedlich sind, dass sie ohne Überprüfung nicht strikt austauschbar sind. Deshalb vergleichen Designer sie: Sie bieten vergleichbare Leistungen für Lager, können jedoch in den Schwefel-/Phosphorgrenzen, Chrom- und Siliziumfenstern sowie in der Art und Weise, wie Lieferanten die Mikroreinheit und Wärmebehandlung kontrollieren, variieren.
1. Standards und Bezeichnungen
- GCr15: Chinesischer Standard GB/T (häufig GB/T 18254 für Lagerstahlbezeichnungen). In der Praxis äquivalent zu AISI/SAE 52100 in vielen Anwendungen, aber innerhalb des GB-Rahmens spezifiziert.
- SUJ2: Japanischer Standard JIS G4805 (SUJ2 ist die JIS-Bezeichnung für hochkohlenstoffhaltigen Chromlagerstahl). Wird auch als Pendant zu AISI/SAE 52100 betrachtet.
- AISI/SAE 52100: Oft in internationalen Lieferketten als die amerikanische Bezeichnung für dieselbe funktionale Materialklasse zitiert.
Materialklassifizierung: Sowohl GCr15 als auch SUJ2 sind hochkohlenstoffhaltige, chromlegierte Lagerstähle — technisch hochkohlenstoffhaltige legierte Stähle, die für Lageranwendungen optimiert sind (nicht rostfrei, nicht HSLA, nicht Werkzeugstahl im herkömmlichen Sinne).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische Standardzusammensetzungsbereiche (Gew.%). Hinweis: Die Bereiche sind die, die häufig in nationalen Standards spezifiziert werden; genaue Grenzen variieren je nach Revision und Beschaffungsspezifikation. Konsultieren Sie den aktuellen Standard oder das Lieferzertifikat für die Chemie am Fertigungsstandort.
| Element | GCr15 (typischer GB-Bereich) | SUJ2 (typischer JIS-Bereich) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.03 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.17 – 0.37 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| S | ≤ 0.035 (max) | ≤ 0.035 (max) |
| Cr | 1.40 – 1.65 | 1.30 – 1.60 |
| Ni | ≤ 0.30 (Spur) | ≤ 0.30 (Spur) |
| Mo | ≤ 0.10 (Spur) | ≤ 0.10 (Spur) |
| V, Nb, Ti, B, N | typischerweise ≤ Spur (nicht als Legierung spezifiziert) | typischerweise ≤ Spur (nicht als Legierung spezifiziert) |
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt - Kohlenstoff (C): Primäres Härte- und Karbidbildner-Element; hoher C ermöglicht hohe gehärtete Härte und Kontaktmüdigkeitsbeständigkeit, reduziert jedoch die Schweißbarkeit und Kaltumformbarkeit. - Chrom (Cr): Fördert die Härtbarkeit und bildet Chromkarbide für Verschleißbeständigkeit und Leistung bei rollenden Kontaktmüdigkeit. - Mangan und Silizium (Mn, Si): Entoxidation und Festigkeit; tragen bescheiden zur Härtbarkeit bei. - S und P: Verunreinigungen — höhere Werte können die Bearbeitbarkeit verbessern, reduzieren jedoch die Ermüdungs- und Bruchzähigkeit. Standards begrenzen S und P für Lagerstähle, um die Ermüdungslebensdauer zu schützen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Im geglühten Zustand: perlitische oder sphäroidisierte Karbide in einer ferritischen Matrix, um Bearbeitung/Umformung zu ermöglichen. - Nach Abschrecken und Anlassen (Lagerwärmebehandlung): angelassene Martensite mit dispergierten Chromkarbiden; die genaue Karbidgröße, Verteilung und der Gehalt an zurückgehaltenem Austenit hängen stark von den Erwärmungsraten, der Abschreckschwere und der Anlasstemperatur ab.
Verarbeitungswege und -effekte: - Normalisieren: verfeinert die vorherige Austenitkornstruktur; nützlich vor dem endgültigen Abschrecken, um die Zähigkeit geringfügig zu verbessern. - Abschrecken & Anlassen: Standardweg, um hohe Härte und Lebensdauer bei rollender Kontaktmüdigkeit zu erreichen. Typische Behandlungen: Austenitisieren im Bereich, der zur Zusammensetzung passt (sorgfältige Kontrolle, um übermäßiges Kornwachstum zu vermeiden), gefolgt von Öl- oder Polymerabschreckungen, um eine martensitische Struktur zu erhalten, dann Anlassen, um das Ziel-Härte-/Zähigkeitsverhältnis zu erreichen. - Induktionshärten oder Einsatzhärten: für Komponenten, die eine harte Oberfläche und einen zähen Kern benötigen, aber beachten Sie, dass GCr15/SUJ2 durchhärtende Grade nach Chemie sind; Induktionshärten wird häufig für lokale Oberflächenhärte verwendet. - Thermomechanische Behandlungen: feines Korn und kontrollierte Karbidverteilung können mit modernem kontrolliertem Walzen und beschleunigtem Abkühlen erreicht werden; Unterschiede in der Mühlenpraxis zwischen den Lieferanten können die Mikroreinheit und die Morphologie der Einschlüsse beeinflussen.
Unterschiede zwischen GCr15 und SUJ2 in der Reaktion der Mikrostruktur sind subtil und ergeben sich hauptsächlich aus geringfügigen Unterschieden im Zusammensetzungsfenster und der Wärmebehandlungspraktiken der Lieferanten, nicht aus grundlegend unterschiedlichen Legierungssystemen.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische Eigenschaften (repräsentative Bereiche nach typischen Wärmebehandlungen). Werte sind indikativ; tatsächliche Eigenschaften hängen von der genauen Chemie, dem thermischen Zyklus, der Bauteilgeometrie und dem Abschrecken/Anlassen ab.
| Eigenschaft | GCr15 (typisch, abgeschreckt & angelassen / durchgehärtet) | SUJ2 (typisch, abgeschreckt & angelassen / durchgehärtet) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~1200 – 2100 | ~1200 – 2100 |
| Streckgrenze (MPa) | Nicht immer im gehärteten Zustand spezifiziert; typischerweise hoch und materialzustandsabhängig | Ähnlich wie GCr15 |
| Dehnung (A%) | ~4 – 18 (abhängig von Härte & Anlassen) | ~4 – 18 (abhängig von Härte & Anlassen) |
| Schlagzähigkeit (Charpy) | Niedrig bis moderat im gehärteten Zustand; verbessert sich mit dem Anlassen | Vergleichbar mit GCr15; die Verarbeitung des Lieferanten beeinflusst das Ergebnis |
| Härte (HRC) | Typischer Härtebereich für Lager 58 – 65 HRC (Oberfläche/durchgehend) | Typischer Härtebereich für Lager 58 – 65 HRC |
Interpretation - Festigkeit und Härte: Beide Grades sind so konstruiert, dass sie hohe Härte und Kontaktmüdigkeitsfestigkeit erreichen, wenn sie angemessen wärmebehandelt werden; nominale Zug-/Härtebereiche sind ähnlich. - Zähigkeit/Dehnbarkeit: Beide zeigen reduzierte Zähigkeit bei hoher Härte; das Anlassen auf eine niedrigere HRC verbessert die Zähigkeit auf Kosten einer gewissen Kontaktmüdigkeitsbeständigkeit. - Alle kleinen beobachteten Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zwischen GCr15 und SUJ2 stammen typischerweise von Unterschieden im genauen Kohlenstoff- oder Chromgehalt, der Reinheit der Einschlüsse und der Wärmebehandlungspraktiken der Lieferanten, nicht von radikalen Unterschieden in der Legierungschemie.
5. Schweißbarkeit
Hoher Kohlenstoff- und Legierungsgehalt machen beide Grades schwierig zu schweißen im abgeschreckten Zustand. Wichtige Überlegungen zur Schweißbarkeit: - Kohlenstoffgehalt: hoher C erhöht das Risiko von hartem, sprödem Martensit im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) nach dem Schweißen, was die Kalt-Rissanfälligkeit erhöht. - Härtbarkeit: Cr und Mn erhöhen die Härtbarkeit; je höher der kombinierte Effekt, desto größer ist der Bedarf an Vorwärmung und Nachschweißwärmebehandlung.
Nützliche Branchenformeln zur qualitativen Bewertung: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Neigung zu Schweißrissen): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Sowohl GCr15 als auch SUJ2 zeigen relativ hohe $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ aufgrund ihres Kohlenstoff- und Chromgehalts, was auf eine begrenzte Schweißbarkeit ohne Kontrollen hinweist. - Beste Praxis: Schweißen im geglühten Zustand, wo möglich, Vorwärmung verwenden, um ein schnelles Abkühlen zu Martensit zu vermeiden, Wärmeinput begrenzen, um die HAZ-Breite zu kontrollieren, und PWHT (Nachschweißwärmebehandlung) anwenden, wenn möglich. Für kritische Lagerflächen mechanische Verbindung bevorzugen oder geschweißte Konstruktionen durch alternative Verbindungen oder Bearbeitung ersetzen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder GCr15 noch SUJ2 sind rostfrei. Der Chromgehalt (~1.3–1.6%) ist unzureichend, um rostfreies Verhalten zu gewährleisten.
- Standard-Schutzmethoden: Lackieren, Ölen, Rostschutzbeschichtungen und Verzinken für Teile, bei denen Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist. Beachten Sie, dass Verzinken und einige Beschichtungen die dimensionalen Toleranzen und Oberflächenbehandlungen beeinflussen können; Nachbeschichtungs-Schleifen oder -Lappen kann für präzise Lagerflächen erforderlich sein.
- PREN ist nicht anwendbar: Die PREN-Formel $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ist nur für rostfreie Stähle relevant und nicht aussagekräftig für hochkohlenstoffhaltige Lagerstähle wie GCr15 oder SUJ2.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Am besten in geglühten/sphäroidisierten Zuständen; beide können leicht bearbeitet werden, wenn sie geglüht sind. Gehäutete Zustände erfordern Schleifen, Honen oder abrasive Bearbeitung; konventionelles Drehen von gehärteten Oberflächen ist begrenzt.
- Umformbarkeit: Geringe Dehnbarkeit im gehärteten Zustand; Umformoperationen sollten vor der endgültigen Härtung durchgeführt werden. Kaltumformung von geglühtem Material ist möglich, aber Rückfederung und erforderliche Endmaße sollten berücksichtigt werden.
- Oberflächenveredelung: Lageranwendungen erfordern häufig Schleifen, Superfinish oder Honen, um die erforderliche Oberflächenrauhigkeit und Geometrie zu erreichen — beide Grades reagieren ähnlich, wenn Mikrostruktur und Einschlüsse vergleichbar sind.
- Lieferant Unterschiede in Sauberkeit und Einschlüsse Morphologie können die Effizienz des Polierens/Honens und die Einlaufleistung beeinflussen.
8. Typische Anwendungen
| GCr15 Anwendungen | SUJ2 Anwendungen |
|---|---|
| Wälzlager (verschiedene Typen), die in China und regionalen Märkten hergestellt werden | Wälzlager, die in Japan und Exportmärkten nach JIS-Spezifikation hergestellt werden |
| Lager-Ringe, Kugeln, Rollen, Wellen für Werkzeugmaschinen, Automobil- und Industrieanlagen | Lager-Ringe, Kugeln, Rollen, Präzisionswellen und -komponenten, bei denen JIS-Verfolgbarkeit erforderlich ist |
| Präzisionskomponenten, die eine hohe Kontaktmüdigkeitslebensdauer erfordern, wo die lokale Versorgung mit GCr15 wirtschaftlich ist | Präzisionskomponenten, die JIS-Zertifizierung, dokumentierte Wärmebehandlungszyklen erfordern oder wenn Kunden SUJ2 ausdrücklich angeben |
Auswahlbegründung - Wählen Sie basierend auf der vom Kunden oder internationalen Projekt geforderten Spezifikation: Wenn Zeichnungen oder Beschaffungsdokumente SUJ2 oder GCr15 ausdrücklich angeben, halten Sie sich an den festgelegten Standard. - Für Verschleiß- und Lebensdauer bei rollendem Kontakt leisten beide ähnliche Dienste, wenn Chemie und Wärmebehandlung gleichwertig sind. Für kritische oder hochpreisige Komponenten fordern Sie Mühlenzertifikate, Einschlüsseanalysen und Wärmebehandlungsunterlagen an.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Verfügbarkeit: GCr15 wird weit verbreitet in China produziert und ist in inländischen und regionalen Märkten leicht verfügbar. SUJ2 wird unter JIS-Kontrolle produziert und ist in japanischen und einigen internationalen Lieferketten üblich. AISI/SAE 52100 ist in Nordamerika und weltweit allgemein verfügbar.
- Kosten: Die relativen Kosten hängen von der regionalen Produktion und den Skaleneffekten ab. GCr15 kann in Märkten mit starker chinesischer Produktion wettbewerbsfähiger sein; SUJ2 kann einen Aufpreis verlangen, wo JIS-Verfolgbarkeit, spezifische Wärmebehandlung oder Dokumentation erforderlich sind.
- Produktformen: Beide sind als Stangen, Ringe, geschmiedete Rohlinge und Fertigteile erhältlich. Lieferzeiten und Mindestbestellmengen können je nach Lieferant und Form variieren.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Schneller Vergleich (qualitativ)
| Kriterium | GCr15 | SUJ2 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Schlecht (hoher C) | Schlecht (hoher C) |
| Festigkeit–Zähigkeit (gehärtet) | Hohe Festigkeit, geringere Zähigkeit bei hoher HRC | Vergleichbar mit GCr15 |
| Kosten (typisch regional) | Oft niedriger in China/regionalen Märkten | Oft höher, wo JIS-Zertifizierung erforderlich ist |
| Verfügbarkeit (regional) | Ausgezeichnet in China | Ausgezeichnet in Japan / JIS-Lieferketten |
Fazit und praktische Empfehlung - Wählen Sie GCr15, wenn Sie Komponenten in China oder nahegelegenen Regionen beschaffen und Kosteneffektivität eine Priorität ist, vorausgesetzt, der Käufer akzeptiert die GB-Standarddokumentation. GCr15 ist geeignet, wenn das Design einen hochkohlenstoffhaltigen Chromlagerstahl erfordert und lokale Versorgung, Preis und Lieferzeit wichtige Faktoren sind. - Wählen Sie SUJ2, wenn die Spezifikation die JIS-Materialbezeichnung, engere Lieferantenverfolgbarkeit erfordert oder wenn der Endbenutzer ausdrücklich SUJ2 vorschreibt. SUJ2 kann bevorzugt werden, wenn das Beschaffungs- oder Qualitätssystem JIS-Zertifikate erfordert oder wenn die frühere Lieferhistorie SUJ2 verwendet und Austauschbarkeit vermieden werden muss.
Letzte Anmerkung: Für kritische Lagerkomponenten immer den erforderlichen Härtebereich, das Wärmebehandlungsverfahren, die Oberflächenveredelung, die Entkohlen-Grenzen und die erforderlichen Mühlen-/Wärmebehandlungszertifikate angeben. Während GCr15 und SUJ2 in vielen Lageranwendungen funktional äquivalent sind, sollte der Austausch durch Analysezertifikate und repräsentative mechanische Tests oder Lieferantenqualifikationen validiert werden.