GCr15SiMn vs 100Cr6 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
GCr15SiMn und 100Cr6 sind zwei eng verwandte hochkohlenstoffhaltige Chromlagerstähle, die häufig dort eingesetzt werden, wo Widerstand gegen Rollkontaktermüdung, Verschleißleistung und dimensionsstabilität entscheidend sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen routinemäßig Kompromisse ab, wie z. B. Härtefähigkeit versus Kosten, Versorgungskonsistenz und Fertigungserleichterung, wenn sie eine Sorte gegenüber der anderen spezifizieren.
Auf den ersten Blick sind die beiden Sorten effektiv Varianten derselben Lagerstahlfamilie: Beide zielen auf hohe Kohlenstoff- und moderate Chromgehalte ab, um nach der Wärmebehandlung eine harte martensitische Matrix mit dispergierten Karbiden zu bilden. Die praktische Entscheidung zwischen ihnen beruht typischerweise auf kleinen, aber gezielten Unterschieden in der Kontrolle von Silizium und Mangan sowie in der Walzpraxis, die die Härtefähigkeit, Zähigkeit, Bearbeitungsverhalten und Eignung für größere Querschnitte beeinflussen.
1. Normen und Bezeichnungen
- 100Cr6: EN-Bezeichnung (entspricht AISI/SAE 52100 in vielen Lieferketten). Klassifiziert als hochkohlenstoffhaltiger, hochchromhaltiger Lagerstahl.
- GCr15: Chinesische GB (GB/T) Bezeichnung, die weitgehend EN 100Cr6 / AISI 52100 entspricht. GCr15SiMn bezeichnet eine Variante von GCr15 mit angepasstem Si und Mn.
- ASTM/ASME: Es gibt kein direktes universelles ASTM-Einzelgradäquivalent; AISI/SAE 52100 wird oft zur Querverweisung verwendet.
- Klassifizierung: Beide sind hochkohlenstoffhaltige Chromlagerstähle (Werkzeug-/Ingenieurstahlfamilie, die für Lager und Wälzkörper verwendet wird), nicht rostfrei, nicht HSLA und keine konventionellen Werkzeugstähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle fasst die wichtigen Elemente zum Vergleich zusammen. Die Werte geben die typische Betonung und nicht die genauen Werkszertifikate an; immer mit der chemischen Analyse des Lieferanten überprüfen.
| Element | 100Cr6 (typische Spezifikation) | GCr15SiMn (typische Variante) | Rolle / Effekt |
|---|---|---|---|
| C | Hoch (≈ 0,95–1,05%) | Hoch (ähnlich wie 100Cr6) | Primäre Härtefähigkeit und Karbidbildner, der Härte und Verschleißfestigkeit bietet. |
| Cr | Moderat (≈ 1,30–1,65%) | Ähnlich | Bildet harte Chromkarbide, erhöht die Verschleiß- und Anlasstemperaturbeständigkeit. |
| Mn | Niedrig–moderat (≈ 0,25–0,45%) | Leicht erhöht in SiMn-Varianten | Beeinflusst die Härtefähigkeit und Zugfestigkeit; übermäßiges Mn kann die Zähigkeit verringern. |
| Si | Niedrig (≈ 0,15–0,35%) | Leicht erhöht für SiMn-Varianten | Stärkt Ferrit, erhöht die Härtefähigkeit geringfügig, verbessert die Entgasung; beeinflusst die Bearbeitbarkeit. |
| P | Spuren (niedrig gehalten) | Spuren | Verunreinigung; niedriger ist besser für die Ermüdungsbeständigkeit. |
| S | Spuren (niedrig gehalten) | Spuren | Verbessert die Bearbeitbarkeit, wenn kontrolliert (freischnitthaltige Sorten), verringert jedoch die Ermüdungsbeständigkeit. |
| Ni | In der Regel sehr niedrig/abwesend | Sehr niedrig/abwesend | Kein Designelement in Lagerstählen; erhöht die Zähigkeit, wenn vorhanden. |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | Typischerweise minimal oder abwesend | Typischerweise minimal; kann in mikrolegierten Varianten vorhanden sein | Mikrolegierung (wenn vorhanden) erhöht die Härtefähigkeit, Kornverfeinerung oder Anlasstemperaturbeständigkeit. |
Hinweis: GCr15SiMn bezeichnet eine GCr15-Basischemie, bei der Si und Mn absichtlich angepasst werden, um die Härtefähigkeit und das Verarbeitungsverhalten zu optimieren. Die Unterschiede sind bescheiden, aber so gestaltet, dass sie spezifischen Fertigungs- oder Serviceanforderungen entsprechen (zum Beispiel verbesserte Durchhärtung für größere Querschnitte).
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Basis-Mikrostruktur: Beide Sorten sind so konzipiert, dass sie Martensit (mit zurückgehaltenem Austenit und Chromkarbiden) nach geeigneter Austenitisierung und Abschrecken bilden. Die Karbidpopulation und die Größenverteilung werden durch Kohlenstoff- und Chromgehalte sowie durch Kühlwege kontrolliert.
- Normalisieren: Produziert eine sphäroidisierte/vergütete Mikrostruktur, die für die anschließende Bearbeitung geeignet ist. Normalisierungs-/Verfeinerungszyklen reduzieren die Segregation und stabilisieren die Dimensionen.
- Abschrecken und Anlassen: Standardverfahren für Lagerkomponenten. Austenitisieren bei grad-spezifischen Temperaturen, um ausreichend Karbide aufzulösen, und dann abschrecken, um Martensit zu bilden; anlassen, um das Ziel-Härte/Zähigkeits-Gleichgewicht zu erreichen. GCr15SiMn-Varianten mit leicht erhöhtem Mn/Si zeigen eine bessere Härtefähigkeit – geringeres Risiko von weichen Kernen in größeren Querschnitten.
- Thermo-mechanische Behandlung: Kontrolliertes Walzen oder Schmieden, gefolgt von geeigneter Wärmebehandlung, verfeinert die Korngröße des vorherigen Austenits und kann die Ermüdungs- und Zähigkeitswerte in beiden Sorten verbessern.
- Wichtiger Punkt: Da die Zusammensetzungen ähnlich sind, sind die resultierenden Mikrostrukturen weitgehend vergleichbar; bescheidene Legierungsanpassungen beeinflussen die Abschreckempfindlichkeit, die Karbidverteilung und das Anlasverhalten.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung (Härteziel, Anlassen) ab. Die folgende Tabelle präsentiert vergleichende, qualitative Attribute und keine einzelnen numerischen Garantien.
| Eigenschaft | 100Cr6 | GCr15SiMn (Variante) | Kommentar |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Hoch (von der Wärmebehandlung abhängig) | Hoch; vergleichbar oder leicht höher in Varianten mit erhöhter Härtefähigkeit | Beide erreichen hohe Zugfestigkeit nach Abschrecken und Anlassen. |
| Streckgrenze | Hoch | Vergleichbar | Das Streckverhalten folgt der Zugfestigkeit und Härte. |
| Elongation | Niedrig bis moderat (typisch für gehärtete Lagerstähle) | Ähnlich; kann geringfügig besser sein, wenn es für Zähigkeit angelassen wird | Der hohe Kohlenstoffgehalt begrenzt die Duktilität bei der Härtung. |
| Schlagzähigkeit | Moderat bis gut, wenn richtig angelassen | Potentiell verbesserte Durchhärtung in SiMn-Varianten | Kleine Legierungssteigerungen können helfen, die Zähigkeit in größeren Teilen zu erhalten. |
| Härte (HRC) | Kann HRC 58–66 erreichen (abhängig vom Anlassen) | Ähnliche erreichbare Härte; Durchhärtung kann in SiMn-Variante besser sein | Die Härte wird je nach Anwendung gewählt; beide Sorten unterstützen hohe Härte für Rollenkontakt. |
Interpretation: Keine der Sorten ist intrinsisch „zäher“ oder „stärker“ isoliert; die richtige Auswahl der Wärmebehandlung und der Bauteilgeometrie bestimmt die endgültige Leistung. Kleine Zusammensetzungsanpassungen in GCr15SiMn begünstigen eine leicht bessere Härtefähigkeit und gleichmäßige Eigenschaften in größeren Querschnitten.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit für hochkohlenstoffhaltige, hochchromhaltige Lagerstähle ist aufgrund des hohen Kohlenstoffäquivalents und der Neigung zur Bildung von hartem, sprödem Martensit im wärmebeeinflussten Bereich begrenzt. Typische prädiktive Formeln sind nützlich für qualitative Interpretationen:
-
Kohlenstoffäquivalent (IIW) zur qualitativen Bewertung der Schweißbarkeit: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Umfassenderer Pcm-Index: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Sowohl 100Cr6 als auch GCr15SiMn haben typischerweise erhöhte $CE$ / $P_{cm}$-Indikatoren im Vergleich zu unlegierten Stählen aufgrund ihres hohen Kohlenstoff- und Chromgehalts. Dies sagt ein hohes Risiko für harte HAZ-Strukturen und Rissbildung voraus, wenn konventionelles Schweißen versucht wird. - Praktische Anleitung: Vermeiden Sie Schweißen, wenn möglich; verwenden Sie Vorwärmung, Temperaturkontrolle zwischen den Schweißvorgängen, niedrig-hydrogenhaltige Verbrauchsmaterialien und Nachbehandlung, wenn Schweißnähte unvermeidlich sind. Das leicht höhere Mn/Si von GCr15SiMn kann die Härtefähigkeit erhöhen, was während des Schweißens eine noch sorgfältigere Wärmebehandlung erfordert.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Beide Sorten sind nicht rostfrei; sie haben nicht genügend Chrom (typisch ~1,3–1,6%), um eine schützende passive Schicht zu bilden. Erwarten Sie typisches eisenhaltiges Korrosionsverhalten.
- Oberflächenschutzstrategien: Galvanisieren, Passivierungsbeschichtungen, Phosphatfilme, Lackieren, Ölen oder Feuerverzinken (unter Berücksichtigung von Dimensionen und Ermüdung). Für tribologische Komponenten können dünne harte Beschichtungen (PVD, Nitrieren, Karbonitrieren gefolgt von harter Beschichtung) verwendet werden, um die Lebensdauer zu verlängern.
- PREN (Pitting-Widerstand-Äquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar, aber zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Klärung: Da keine der Sorten erhöhte Mo- oder N- oder Cr-Gehalte aufweist, die für rostfreie Stähle typisch sind, bietet PREN keine nützliche Unterscheidung.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Hoher Kohlenstoff- und hoher Härtepotential reduzieren die Bearbeitbarkeit im gehärteten Zustand. Die Bearbeitung erfolgt typischerweise im weichen, geglühten oder sphäroidisierten Zustand. Freischnitthaltige Varianten (mit kontrolliertem S) existieren, sind jedoch für Lagerstähle nicht typisch.
- Schleifen und Finish: Beide Stahlgüten sind bis zu einer feinen Oberflächenbeschaffenheit schleifbar; 100Cr6 hat reichlich empirische Werkzeugdaten aufgrund seiner langen Verwendung in der Lagerherstellung.
- Formbarkeit/Biegen: Schlecht im gehärteten Zustand; kaltes Formen nur im geglühten/sphäroidisierten Zustand durchführen. Warmes Schmieden oder kontrolliertes Warmformen, gefolgt von Wärmebehandlung, ist Standard für Komponenten wie Ringe und Rollen.
- Oberflächenbehandlungen: Beide reagieren gut auf Induktionshärten, Durchhärten und Einsatzbehandlungen (Nitrieren, Karbonitrieren), abhängig von den Konstruktionsanforderungen.
8. Typische Anwendungen
| GCr15SiMn (Variante) | 100Cr6 |
|---|---|
| Wälzkörper und Ringe mit großem Durchmesser, bei denen verbesserte Durchhärtung gewünscht ist | Standardlager (tiefes Kugellager, zylindrische Rollen, Kugellager), die nach EN/AISI-Spezifikationen hergestellt werden |
| Komponenten, die leicht höhere Verschleißfestigkeit oder bessere Kernhärte für dickere Querschnitte erfordern | Präzisionslagerkomponenten mit strenger Austauschbarkeit und standardisierten Materialzertifikaten |
| Wellen, Achsen und Verschleißstifte in schweren Anwendungen nach geeigneter Wärmebehandlung | Allgemeine Rollenkontaktelemente, Lagerbahnen und präzise geschliffene Teile |
Auswahlbegründung: Wählen Sie GCr15SiMn, wenn Geometrie oder Service verbesserte Durchhärtung oder leicht verändertes Verarbeitungsverhalten erfordern. Wählen Sie 100Cr6, wenn strikte Übereinstimmung mit EN/AISI-Lagerstandards, Austauschbarkeit und etablierte Lieferketten Priorität haben.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Beide Sorten basieren auf denselben Legierungselementen; die Unterschiede in den Rohmaterialkosten sind normalerweise gering. Leichte Zusammensetzungsvarianten (z. B. SiMn-Anpassungen) ändern die Materialkosten nicht wesentlich, können jedoch den Prozessausstoß und die Ausschussraten beeinflussen.
- Verfügbarkeit: 100Cr6 / AISI 52100 sind weltweit in den Lieferketten der Lagerindustrie verbreitet und in Stangen, Ringen und fertigen Komponenten weit verbreitet. GCr15 und seine Varianten sind in Regionen, die von chinesischen Werken bedient werden, und in Anwendungen, in denen spezifische Werksanpassungen angefordert werden, weit verbreitet.
- Produktformen: Verfügbar als Stangen, Ringe, Schmiedestücke, vorgehärtete Rohlinge und durchgehärtete Komponenten. Der Einkauf sollte die genaue Werksnorm, die Wärme-Nummer und die mechanischen/Wärmebehandlungsanforderungen angeben.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Kriterium | 100Cr6 | GCr15SiMn (Variante) |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Schlecht — hohes CE; Schweißen wo möglich vermeiden | Schlecht — leicht schlechter, wenn die Härtefähigkeit höher ist; sorgfältige Kontrolle erforderlich |
| Stärke-Zähigkeit-Gleichgewicht | Hohe Härte und Ermüdungsleistung bei richtiger Wärmebehandlung | Vergleichbare Stärke; leicht verbesserte Durchhärtung/Zähigkeit für dicke Querschnitte |
| Kosten / Verfügbarkeit | Weit verbreitet; Standard in der Lagerindustrie | Weit verbreitet in einigen Märkten; Variante kann etwas weniger standardisiert sein |
Fazit und Empfehlungen: - Wählen Sie GCr15SiMn, wenn Sie eine marginal verbesserte Durchhärtung oder leicht bessere Zähigkeit in größeren Querschnitten benötigen oder wenn die Angebote der Werke diese Variante spezifizieren, um eine gleichmäßige Härte in schweren Komponenten zu erreichen. Es ist eine praktische Wahl, wenn Produktionstoleranzen oder Bauteilgeometrie eine kleine Erhöhung von Mangan/Silizium wünschenswert machen. - Wählen Sie 100Cr6, wenn Sie eine strikte Übereinstimmung mit EN- oder AISI-Lagerstahlstandards, maximale Austauschbarkeit mit etablierten Lagerherstellungsverfahren und den größten Pool an bewährter Lieferdokumentation und Wärmebehandlungsdaten benötigen.
Letzter Hinweis: Da die beiden Sorten eng verwandt sind, hängt die endgültige Leistung mehr von präziser chemischer Kontrolle, Wärmebehandlungsspezifikation und Qualität der Verarbeitung ab als nur vom nominalen Gradnamen. Geben Sie immer die Zielhärte, die Akzeptanz der Mikrostruktur (Karbidegröße/-verteilung), die Ebenen nichtmetallischer Einschlüsse und die Prüfanforderungen in den Einkaufsunterlagen an und validieren Sie diese mit den Werkszertifikaten und der Eingangskontrolle.