SUJ2 vs SUJ3 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

SUJ2 und SUJ3 sind JIS-klassifizierte hochkohlenstoffhaltige Chromlagerstähle, die häufig für Wälzkontaktkomponenten, Wellen und andere verschleißkritische Teile in Betracht gezogen werden. Ingenieure und Beschaffungsfachleute wägen oft die Kompromisse zwischen maximaler Härte und Verschleißfestigkeit gegenüber Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit ab, wenn sie zwischen diesen beiden Güten auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl von Materialien für Hochgeschwindigkeitslager, Wellen, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, oder Komponenten, bei denen Nachbearbeitungs- und Verbindungsoperationen die Kosten und die Lieferzeit beeinflussen.

Der primäre praktische Unterschied zwischen den beiden ist ein moderater Unterschied in der chemischen Zusammensetzung, der die erreichbare Härte und Härtbarkeit nach der Wärmebehandlung beeinflusst. Diese kleine Zusammensetzungsverschiebung führt zu unterschiedlichen Reaktionen auf die Wärmebehandlung und damit zu unterschiedlichen Gleichgewichten von Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit – daher der häufige direkte Vergleich in Design und Fertigung.

1. Standards und Bezeichnungen

• JIS: SUJ2 und SUJ3 (JIS G4805-Serie für Lagerstähle)
• Gemeinsame internationale Äquivalente oder nahe Äquivalente:
• SUJ2: oft verglichen mit AISI/SAE 52100 / EN 100Cr6 / DIN 1.3505
• SUJ3: allgemein zusammen mit hochkohlenstoffhaltigen Chromlagerstählen kategorisiert, jedoch mit leicht unterschiedlicher nominaler Chemie als SUJ2
• Klassifikation: Beide sind hochkohlenstoffhaltige, chromhaltige Lagerstähle (Kohlenstoff-Chrom-Werkzeug-/Lagerstähle), nicht rostfrei, nicht HSLA.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle fasst die typische Präsenz und relative Gehalte gängiger Legierungselemente für SUJ2 und SUJ3 zusammen. Die Werte werden qualitativ beschrieben (Hoch / Mittel / Niedrig / Spur / Keine), um zu vermeiden, dass genaue numerische Bereiche impliziert werden, in denen spezifische Los-zu-Los- oder Standardgrenzen variieren können.

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Kohlenstoff und Chrom sind die dominierenden Treiber des Verhaltens von Lagerstählen: Kohlenstoff sorgt für die martensitische Härte und Verschleißfestigkeit; Chrom erhöht die Härtbarkeit und verbessert die Verschleiß- und Anlassempfindlichkeit. - Niedrige Gehalte an Mn/Si wirken hauptsächlich als Entoxidationsmittel und haben einen bescheidenen Einfluss auf die Härtbarkeit. - Verunreinigungsgehalte (P, S) werden kontrolliert, um die Ermüdungslebensdauer zu erhalten; S wird manchmal kontrolliert, um die Bearbeitbarkeit im Vergleich zur Ermüdung auszubalancieren.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Im geglühten Zustand werden beide Güten mit sphäroidisierten Karbiden in einer ferritischen Matrix geliefert, um die Bearbeitung zu erleichtern. - Nach dem Abschrecken und Anlassen ist die Zielmikrostruktur für beide temperiertes Martensit mit dispergierten Chromkarbiden. Der Anteil und die Verteilung der Karbide und des zurückgebliebenen Austenits hängen vom Kohlenstoffgehalt und der Abschreckschwere ab.

Wirkungen und Unterschiede der Wärmebehandlung: - Normalisieren/Verfeinern: Erhöht die Zähigkeit und verfeinert die vorherige Austenitkornstruktur; beide Güten reagieren, indem sie ein feines austenitisches Korn vor dem Abschrecken bilden. - Abschrecken & Anlassen: Die leicht höhere kombinierte Kohlenstoff-Plus-Chrom-Tendenz von SUJ2 ermöglicht eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit im abgeschreckten Zustand für dasselbe Abschrecken, erhöht jedoch auch das Risiko von durch Abschrecken induzierten Rissen und zurückgebliebenem Austenit, wenn nicht ordnungsgemäß angelassen. SUJ3 erreicht mit geringfügig niedrigerer effektiver Härtbarkeit in vielen Spezifikationen typischerweise eine niedrigere maximale Härte, jedoch eine etwas verbesserte Zähigkeit und reduzierte Rissempfindlichkeit beim Abschrecken unter ähnlichen Zyklen. - Anlassen: Beide reagieren vorhersehbar – höhere Anlasstemperatur senkt die Härte und erhöht die Zähigkeit. Die Anlasparameter sollten basierend auf dem erforderlichen Gleichgewicht zwischen Härte und Schlagfestigkeit gewählt werden. - Thermomechanische Behandlungen: Werden nicht häufig auf diese Lagerstähle angewendet, wie sie bei HSLA-Stählen angewendet werden, aber eine sorgfältige kontrollierte Abkühlung nach dem Warmbearbeiten kann die Härtbarkeit und die Restspannung einstellen.

4. Mechanische Eigenschaften

Im Folgenden finden Sie eine qualitative Vergleichstabelle des typischen mechanischen Verhaltens nach repräsentativen Wärmebehandlungen für Lager. Absolute Werte hängen von spezifischen Wärmebehandlungszielen ab (z. B. 60 HRC vs. 58 HRC vs. angelassene Bedingungen).

Erklärung: - Wenn Designer auf die höchste Härte und Verschleißfestigkeit drängen, unterstützt die Chemie von SUJ2 dieses Ziel leichter. Wenn der Dienst höhere Bruchzähigkeit oder verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktermüdung unter wiederholten Stößen erfordert, kann die etwas mildere Reaktion von SUJ3 vorteilhaft sein.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von hochkohlenstoffhaltigen, chromhaltigen Lagerstählen ist im Vergleich zu niedrigkohlenstoffhaltigen Stählen im Allgemeinen schlecht; das Risiko von wasserstoffunterstützten Rissen und harten, spröden wärmebeeinflussten Zonen steigt mit Kohlenstoff und Härtbarkeit.

Nützliche prädiktive Formeln: - Kohlenstoffäquivalent (IIW), das häufig zur Bewertung der Vorwärm- und Verfahrensbedarfe verwendet wird: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Ein detaillierterer Parameter für moderne Stähle: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: - Höhere $CE_{IIW}$ oder $P_{cm}$ Werte deuten auf reduzierte Schweißbarkeit und einen größeren Bedarf an Vorwärmung, kontrollierten Zwischentemperaturen und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) hin. - Da SUJ2 tendenziell einen höheren effektiven Kohlenstoff- und Chrombeitrag hat, ergibt es im Allgemeinen ein höheres Kohlenstoffäquivalent als SUJ3 und daher eine schlechtere Schweißbarkeit. In der Praxis wird das Schweißen beider Güten vermieden, es sei denn, es ist notwendig; wenn Schweißen erforderlich ist, verwenden Sie wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien, kontrollierte Vorwärmung und Nachschweißanlassen, um das Rissrisiko zu verringern.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder SUJ2 noch SUJ3 sind rostfrei; die Chromgehalte sind nicht hoch genug, um einen korrosionsbeständigen Passivfilm zu erzeugen.
• Übliche Schutzmaßnahmen: Ölen, Phosphatbeschichtung, Galvanisieren, Lackieren oder Feuerverzinken (unter Berücksichtigung von dimensionalen und metallurgischen Aspekten). Für Wälzkörper werden dünne Schutzfilme (z. B. schwarze Oxide oder spezielle Schmierstoffe) häufig verwendet, um das Material vor der Montage zu schützen.
• PREN (Pitting-Widerstand-Äquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Güten nicht anwendbar; zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Verwenden Sie Korrosionsschutz, der für die Umgebung geeignet ist: Geschlossene Lager mit Schmierstoffen benötigen einen anderen Schutz als exponierte Wellen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Im geglühten (sphäroidisierten) Zustand sind beide Güten relativ einfach zu bearbeiten. Wenn Teile im gehärteten Zustand bearbeitet werden, reduziert die höhere Härte von SUJ2 die Werkzeuglebensdauer und erhöht die Zykluszeiten im Vergleich zu SUJ3.
• Schleifen und Finishen: Die höhere Härte von SUJ2 erfordert oft aggressivere Schleifoperationen oder feinere Schleifmittel; die Oberflächenintegrität und die Wärmeentwicklung müssen kontrolliert werden, um Anlassen oder induzierte Restspannungen zu vermeiden.
• Formen/Biegen: Kaltformen ist für beide Güten aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts begrenzt; das Formen erfolgt typischerweise im weicheren, geglühten Zustand. Tiefziehen oder starkes Formen wird im Allgemeinen vermieden.
• Kontrolle der Wärmebehandlungsverzerrung: Beide Güten können während des Abschreckens und Anlassens verzerren; SUJ2 kann aufgrund der höheren Härtbarkeit empfindlicher auf die Abschreckschwere reagieren.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie SUJ2, wenn maximale Verschleißfestigkeit und hohe Kontaktspannungsfähigkeit priorisiert werden und wenn der Herstellungs-/Montageprozess strenge Wärmebehandlungs- und Handhabungskontrollen ermöglichen kann. - Wählen Sie SUJ3, wenn eine marginale Reduzierung der Härte die Zähigkeit verbessert, das Risiko von Abschreckrissen verringert oder wenn Bearbeitungs-/Schweißbeschränkungen eine leicht mildere Härtbarkeit begünstigen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• SUJ2 ist weit verbreitet und in Lagerstahl-Formen (Stangen, Ringe, Platten, fertige Kugeln/Rollen) von vielen Lieferanten erhältlich; Skaleneffekte halten die Stückkosten tendenziell wettbewerbsfähig.
• SUJ3 ist ebenfalls erhältlich, könnte jedoch je nach Region und Lieferantenfokus weniger häufig vorrätig sein; die Lieferzeiten können je nach Produktform variieren.
• Relativer Preis: vergleichbar für Bulk-Waren-Stangen; Preisunterschiede werden oft mehr durch die Produktform, die erforderliche Wärmebehandlung und das Finish als durch den Mill-Grad-Aufpreis bestimmt.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Empfehlungen: - Wählen Sie SUJ2, wenn Sie maximale Verschleißfestigkeit im Wälzkontakt und hohe erreichbare Härte für Lager, Rollen oder Ringe benötigen und Sie die Wärmebehandlung, Handhabung und Verfahrensweisen zur Verbindung steuern können, um Riss- und Restspannungsrisiken zu mindern. - Wählen Sie SUJ3, wenn Ihre Anwendung von einem moderat verbesserten Zähigkeits-Bearbeitungs-Kompromiss, einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Abschreckrissen oder wenn nachgelagerte Bearbeitungs-/Schweißüberlegungen gegen die höchstmögliche Härte sprechen, profitiert.

Abschließende Anmerkung: Die endgültige Auswahl sollte durch die spezifischen Leistungsziele (Härte, Ermüdungslebensdauer, Zähigkeit), den Herstellungsfluss (Bearbeitungs-, Verbindungs-, Wärmebehandlungsfähigkeiten) und die Betriebsumgebung (Schmierung, Korrosionsbelastung) bestimmt werden. Validieren Sie die Materialwahl mit Muster-Wärmebehandlungsversuchen und, wo möglich, Ermüdungs- oder Kontaktverschleißtests, die repräsentativ für den beabsichtigten Einsatz sind.