SUJ2 vs 100Cr6 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
SUJ2 und 100Cr6 sind zwei branchenanerkannten Bezeichnungen für hochkohlenstoffhaltige, hochchromhaltige Wälzlagerstähle, die weltweit für Wälzkörper, Ringe und andere verschleißfeste Komponenten verwendet werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen diesen Werkstoffen, wenn sie Wälzlagerkomponenten, Wellen oder Verschleißteile spezifizieren, bei denen Härte, Oberflächenfinish und dimensionsstabilität unter Rollkontakt entscheidend sind.
Das praktische Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise auf regionale Standardisierung und Lieferketten (japanische vs. europäische Design-/Spezifikationspraktiken) im Vergleich zur metallurgischen Äquivalenz – beide Werkstoffe sind für denselben Anwendungsbereich vorgesehen, unterliegen jedoch unterschiedlichen Standards und Fertigungstoleranzen. Dieser Artikel vergleicht Standards, Chemie, Mikrostruktur, Wärmebehandlungsreaktion, mechanische Eigenschaften, Fertigungsprobleme und Anwendungshinweise, damit technische Fachleute eine informierte Wahl treffen können.
1. Standards und Bezeichnungen
- SUJ2: Japanische Industrienorm (JIS) Bezeichnung, die häufig als JIS G4805 SUJ2 zitiert wird. Entspricht in vielerlei Hinsicht AISI 52100.
- 100Cr6: Europäische Norm EN Bezeichnung (EN 100Cr6). Auch als 1.3505 im EN-Nummernsystem referenziert.
- AISI/ASTM-Äquivalente: AISI 52100 wird häufig als äquivalent zu sowohl SUJ2 als auch 100Cr6 für viele Wälzlageranwendungen betrachtet.
- GB (China): Typischerweise unter chinesischen GB-Äquivalenten für Wälzlagerstähle geliefert, die eng mit diesen Chemien übereinstimmen.
Klassifizierung: Sowohl SUJ2 als auch 100Cr6 sind hochkohlenstoffhaltige, chromlegierte Wälzlagerstähle (nicht rostfrei, Werkzeug-/Rollkontaktstähle). Sie sind keine rostfreien Stähle und auch keine HSLA-Grades.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle fasst typische Zusammensetzungsbereiche für SUJ2 und 100Cr6 zusammen. Die Werte werden als Massenprozent angegeben und repräsentieren gängige Spezifikationsbereiche; spezifische Lieferantenzertifikate sollten für genaue Grenzen konsultiert werden.
| Element | SUJ2 (typischer Bereich, wt%) | 100Cr6 (typischer Bereich, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.10 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.03 – 0.04 | ≤ 0.03 – 0.04 |
| S | ≤ 0.03 – 0.04 | ≤ 0.03 – 0.04 |
| Cr | 1.30 – 1.60 | 1.30 – 1.65 |
| Ni | ≤ 0.30 (Spur) | ≤ 0.30 (Spur) |
| Mo | ≤ 0.08 (generell keine) | ≤ 0.08 (generell keine) |
| V, Nb, Ti, B, N | typischerweise nicht spezifiziert oder in Spuren vorhanden | typischerweise nicht spezifiziert oder in Spuren vorhanden |
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Kohlenstoff: Hauptbeitrag zur Härte und Martensithärte; ~1.0% C ermöglicht hohe Härte und hohe abrasive Verschleißfestigkeit nach Abschrecken und Anlassen. - Chrom (~1.3–1.6%): Erhöht die Härtbarkeit und trägt zur Verschleißfestigkeit und Anlasstabilität bei; nicht hoch genug, um rostfreie Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. - Mn/Si: Deoxidations- und Festigkeitsbeiträge; Mn unterstützt auch die Härtbarkeit. - Niedrige P/S-Gehalte werden für die Ermüdungsleistung und die Einschlüsse kontrolliert.
Gesamte Legierungsstrategie: Maximierung der erreichbaren Härte und Verschleißfestigkeit durch einen hohen Kohlenstoffgehalt plus moderaten Chromgehalt, während die Chemie einfach gehalten wird, um Einschlüsse und Ermüdungslebensdauer zu kontrollieren.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Typische Mikrostrukturen: - Geglüht/weichgeglühte Bedingung: überwiegend sphäroidisierte Karbide in einer ferritischen Matrix für gute Bearbeitbarkeit. Dies ist die bevorzugte Ausgangsmikrostruktur für Umformung und Bearbeitung. - Abschrecken und Anlassen: martensitische Matrix mit feinen, dispergierten Chromkarbiden; bietet hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Durchhärtung ist typisch für Wälzlager-Ringe und -Kugeln bis zu bestimmten Querschnittsgrößen. - Einsatzgehärtete Varianten: weniger häufig für diese Werkstoffe; Karbonitrieren wird im Allgemeinen nicht verwendet, da der Stahl bereits hohen Kohlenstoff enthält.
Auswirkungen der Prozesse: - Normalisieren (über A3 und Luftkühlung) verfeinert die Korngröße und kann eine gleichmäßigere Härtbarkeit vor der endgültigen Härtung erzeugen. - Abschrecken (Öl oder Luft, abhängig von der Querschnittsgröße und der erforderlichen Härte) verwandelt Austenit in Martensit. Für dickere Querschnitte oder wenn eine reduzierte Verformung erforderlich ist, können unterbrochene Abschreck- oder Austemperierungsvarianten verwendet werden. - Anlassen reduziert die Sprödigkeit, während die hohe Härte erhalten bleibt; die Anlasstemperatur steuert den endgültigen HRC und den Härte-Zähigkeit-Kompromiss. Niedrigere Anlasstemperaturen führen zu höherer Härte und geringerer Zähigkeit; höhere Anlasstemperaturen erhöhen die Zähigkeit auf Kosten der Härte.
Die Unterschiede zwischen SUJ2 und 100Cr6 in der Mikrostrukturabstimmung sind hauptsächlich prozedural (Wärmebehandlungszyklen, Abschreckmedien und Fertigungstoleranzen) und nicht chemiegetrieben.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung und der Querschnittsgröße ab. Die folgende Tabelle bietet indikative Bereiche für geglühte und durchgehärtete Bedingungen; verwenden Sie sie als Referenz und überprüfen Sie sie mit den Datenblättern des Lieferanten oder durch Zugversuche.
| Eigenschaft | Geglühte (typisch) | Durchgehärtete (abgeschreckt & angelassen) typisch |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~600 – 900 (geglüht) | oft >1500 (gehärteter Martensit; kann 2000 MPa überschreiten, abhängig von der Härte) |
| Streckgrenze (MPa) | ~300 – 600 (geglüht) | >1200 (gehärtet) |
| Dehnung (%) | ~10 – 20 (geglüht) | ~1 – 6 (gehärtet) |
| Schlagzähigkeit (Charpy, J) | moderat (geglüht, anwendungabhängig) | gering bis moderat (hohe Härte reduziert die Zähigkeit) |
| Härte | ~HB 180–260 (geglüht) | ~58 – 66 HRC (typisch für Wälzlageranwendungen) |
Welcher ist stärker/zäher/duktiler: - Sowohl SUJ2 als auch 100Cr6 zeigen eine sehr ähnliche mechanische Reaktion, da ihre Chemien im Wesentlichen äquivalent sind. Durchgehärteter Martensit bietet hohe Festigkeit und Härte, jedoch auf Kosten von Duktilität und Schlagzähigkeit; das Glühen erzeugt eine weichere, duktilere Struktur für die Bearbeitung und Umformung.
5. Schweißbarkeit
Hoher Kohlenstoff (~1.0%) macht diese Werkstoffe zu schlechten Kandidaten für konventionelles Schweißen ohne Vor- und Nachbehandlung. Wichtige Überlegungen: - Hoher Kohlenstoffgehalt erhöht das Risiko der Bildung von hartem, sprödem Martensit in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) und erhöht die Anfälligkeit für Kaltverzug. - Die Härtbarkeit, die durch Cr und Mn bedingt ist, erhöht weiter die HAZ-Härte.
Nützliche Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Ein umfassenderes 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: - Beide Formeln zeigen an, dass mit C ≈ 1.0 und messbarem Cr die $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte im Vergleich zu niedriglegierten Stählen erhöht sein werden, was auf die Notwendigkeit von Vorwärmung, Niedrigwasserstoffverfahren und Nachbehandlung hinweist. Für kritische Komponenten wird das Schweißen normalerweise vermieden; mechanische Verbindung, Bearbeitung oder das Entwerfen für trennbare Teile wird bevorzugt.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Diese Werkstoffe sind nicht rostfrei; Chrom bei ~1.3–1.6% verbessert die Korrosionsbeständigkeit leicht im Vergleich zu einfachen Kohlenstoffstählen, ist jedoch unzureichend, um sie als korrosionsbeständig zu bezeichnen.
- Übliche Schutzmaßnahmen: Lackieren, Ölen, Phosphatieren oder Galvanisieren; Verzinken ist für einige Unterkomponenten möglich, jedoch nicht üblich für präzise Wälzkörper.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist nicht sinnvoll anwendbar, da PREN für rostfreie Werkstoffe mit erheblich höherem Cr, Mo und N verwendet wird: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Für Wälzlagerkomponenten, die Korrosion ausgesetzt sind, sind Oberflächenbehandlungen wie Hartverchromung oder DLC-Beschichtungen häufig, oder es wird auf rostfreie Wälzlagerstähle (z.B. AISI 440C oder martensitische rostfreie Wälzlager) umgeschaltet.
7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Am besten im geglühten (sphäroidisierten) Zustand – Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von abgeschreckten harten Komponenten erfordert Hartmetallwerkzeuge und langsame Vorschübe. SUJ2/100Cr6 im geglühten Zustand bearbeitet sich vergleichbar zu AISI 52100.
- Schleifen und Finishen: Präzisionsschleifen ist nach der Wärmebehandlung für Wälzkörper und Ringe üblich; gute Hartmetall- oder CBN-Werkzeuge werden für gehärtete Teile verwendet.
- Umformen/Biegen: Eingeschränkt im gehärteten Zustand; Teile, die umgeformt werden sollen, sollten im geglühten Zustand umgeformt und dann fertig bearbeitet und wärmebehandelt werden.
- Oberflächenfinish: Erzielung einer niedrigen Oberflächenrauhigkeit und hohen dimensionalen Genauigkeit ist entscheidend für die Lebensdauer von Wälzlagern; Feinschleifen und Superfinish sind Standard.
8. Typische Anwendungen
| SUJ2 (JIS) typische Anwendungen | 100Cr6 (EN) typische Anwendungen |
|---|---|
| Präzisionskugeln, Rollen, kleine Wälzlager, Wellen und Spindeln für Maschinen des japanischen Marktes | Wälzlager (Kugeln, Rollen, Ringe), Wellen, präzise Verschleißkomponenten im europäischen Markt |
| Kleine bis mittelgroße Wälzlagerkomponenten für die Automobil- und Industrieausrüstung | Hochpräzise Wälzlager für Werkzeugmaschinen, Automobilgetriebe und Schwerindustrie |
| Komponenten, bei denen JIS-Standarddokumentation und Lieferkette erforderlich sind | Komponenten, die EN/europäische Standardverfolgbarkeit und Lieferkettenabgleich erfordern |
Auswahlbegründung: Wählen Sie diese Werkstoffe für Teile mit Rollkontakt, bei denen hohe Härte, gute Ermüdungsfestigkeit und vorhersehbares Verschleißverhalten erforderlich sind. Die Auswahl zwischen SUJ2 und 100Cr6 wird häufig durch regionale Standards, Lieferantenqualifikation und Rückverfolgbarkeitsanforderungen und nicht durch metallurgische Leistung bestimmt.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Beide Werkstoffe sind Handels-Wälzlagerstähle mit breiter globaler Verfügbarkeit in Stäben, Ringen, Bändern und Präzisionskugelformen.
- Regionale Unterschiede: SUJ2 wird häufig in Asien und von asiatischen Lieferanten vorrätig gehalten; 100Cr6 ist in Europa Standard. In vielen Märkten ist AISI 52100 der gängige Handelsname.
- Kosten: Im Allgemeinen vergleichbar; Preisunterschiede sind eher auf die Form (Stab, Ring, Kugel), Oberflächenfinish und erforderliche Wärmebehandlung/Bearbeitung als auf intrinsische chemische Unterschiede zurückzuführen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Attribut | SUJ2 | 100Cr6 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Schlecht (hoher C, erfordert Vorwärmung/Nachwärmung) | Schlecht (ähnlich wie SUJ2) |
| Festigkeits-Zähigkeit-Kompromiss | Hohe Härte/Festigkeit erreichbar; moderate bis niedrige Zähigkeit bei Härtung | Äquivalentes Verhalten; hängt von der Wärmebehandlung ab |
| Kosten & Verfügbarkeit | Weit verbreitet in Asien; wettbewerbsfähige Preise | Weit verbreitet in Europa; wettbewerbsfähige Preise |
Empfehlungen: - Wählen Sie SUJ2, wenn Ihre Lieferkette, Spezifikationen oder Komponentenakzeptanz auf JIS basieren oder wenn Sie hauptsächlich von japanischen oder asiatischen Lieferanten beziehen, die SUJ2-Produktformen und -zertifikate führen. - Wählen Sie 100Cr6, wenn Sie EN/europäische Standarddokumentation, Rückverfolgbarkeit benötigen oder innerhalb europäischer Beschaffungspraktiken und Lieferantennetzwerke arbeiten.
Praktische Hinweise: - Für kritische Wälzlagerteile geben Sie die Legierung sowie die erforderliche Wärmebehandlung, Härtebereich, Oberflächenfinish-Toleranz und Ermüdungsprüfanforderungen an – diese Verarbeitungsdetails sind für die Leistung wichtiger als die geringfügigen Unterschiede zwischen der Chemie von SUJ2 und 100Cr6. - Vermeiden Sie das Schweißen an Komponenten aus diesen Stählen, es sei denn, die Schweißverfahrensqualifikation, angemessene Vorwärmung, Niedrigwasserstoff-Verbrauchsmaterialien und Nachbehandlung sind Teil der Prozessspezifikation.
Kurz gesagt: metallurgisch sind SUJ2 und 100Cr6 für die meisten Wälz- und Verschleißanwendungen äquivalent; wählen Sie basierend auf Standards, Verfügbarkeit von Lieferanten und Verarbeitungsspezifikationen, anstatt große intrinsische Leistungsunterschiede zu erwarten.