52100 Stahl Eigenschaften und wichtige Anwendungsübersicht

52100 Stahl, auch bekannt als Wälzlagerstahl, 100Cr6 oder EN31, ist ein hochkohlenstoffhaltiger chromlegierter Stahl, der hauptsächlich zur Herstellung von Wälzkörpern in Lagern verwendet wird. Als mittelkohlenstofflegierter Stahl klassifiziert, enthält er typischerweise etwa 1,0 % Kohlenstoff und 1,5 % Chrom, was seine Härte und Abriebfestigkeit erheblich verbessert. Die legierenden Elemente im 52100 Stahl spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung seiner mechanischen Eigenschaften, Mikostruktur und Gesamtleistung in anspruchsvollen Anwendungen.

Umfassende Übersicht

52100 Stahl ist bekannt für seine außergewöhnliche Härte, Abriebfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit, was ihn zur idealen Wahl für Anwendungen macht, die hohe Leistung unter Last erfordern. Die primären legierenden Elemente, Kohlenstoff und Chrom, tragen zu seiner Fähigkeit bei, hohe Härtegrade durch Wärmebehandlungsprozesse zu erreichen. Das Vorhandensein von Chrom verbessert nicht nur die Härtbarkeit, sondern erhöht auch bis zu einem gewissen Grad die Korrosionsbeständigkeit.

Vorteile von 52100 Stahl:
- Hohe Härte und Abriebfestigkeit: Erreichbare Härtegrade können nach entsprechender Wärmebehandlung 60 HRC überschreiten, was ihn für Hochlastanwendungen geeignet macht.
- Gute Ermüdungsfestigkeit: Seine Fähigkeit, zyklischen Belastungen standzuhalten, macht ihn zur bevorzugten Wahl für Lageranwendungen.
- Vielseitige Anwendungen: Neben Lagern wird er in verschiedenen Werkzeugen und Komponenten eingesetzt, die hohe Abriebfestigkeit erfordern.

Beschränkungen von 52100 Stahl:
- Korrosionsanfälligkeit: Obwohl er eine gewisse Korrosionsbeständigkeit aufweist, ist er nicht rostfrei und kann rosten, wenn er nicht ordnungsgemäß gewartet wird.
- Schwierig zu schweißen: Der hohe Kohlenstoffgehalt kann während des Schweißprozesses zu Rissen führen, was sorgfältige Vor- und Nachbehandlungen erfordert.

Historisch gesehen war 52100 Stahl bedeutend für die Entwicklung von Hochleistungslagern und trug zu Fortschritten in der Automobil-, Luftfahrt- und Maschinenbauindustrie bei. Seine Marktposition bleibt aufgrund seiner nachgewiesenen Leistung und Zuverlässigkeit stark.

Alternative Namen, Standards und Entsprechungen

Standardorganisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region des Ursprungs	Anmerkungen/Bemerkungen
UNS	G52100	USA	Engste Entsprechung zu AISI 52100
AISI/SAE	52100	USA	Allgemein in Lageranwendungen verwendet
ASTM	A295	USA	Spezifikation für hochkohlenstoffhaltigen chromlegierten Lagerstahl
EN	100Cr6	Europa	Entspricht AISI 52100 mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden
DIN	1.3505	Deutschland	Ähnliche Eigenschaften, aber mit leichten Abweichungen in den legierenden Elementen
JIS	SUJ2	Japan	vergleichbare Klasse mit ähnlichen Anwendungen
GB	GCr15	China	Entsprechend mit geringen Unterschieden im Kohlenstoffgehalt
ISO	100Cr6	International	Standardbezeichnung für Lagerstahl

Die Unterschiede zwischen diesen vergleichbaren Klassen liegen oft im spezifischen Kohlenstoff- und Chromgehalt, die die Härtbarkeit und Abriebfestigkeit beeinflussen können. Beispielsweise können GCr15 und 100Cr6 sehr ähnlich sein, die spezifischen Wärmebehandlungsprozesse können jedoch unterschiedliche Leistungseigenschaften erzeugen.

Wesentliche Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
C (Kohlenstoff)	0,98 - 1,10
Cr (Chrom)	1,30 - 1,60
Mn (Mangan)	0,25 - 0,45
Si (Silizium)	0,15 - 0,40
P (Phosphor)	≤ 0,025
S (Schwefel)	≤ 0,025

Die Hauptfunktion von Kohlenstoff im 52100 Stahl besteht darin, die Härte und Festigkeit durch die Bildung von Karbiden während der Wärmebehandlung zu erhöhen. Chrom verbessert die Härtbarkeit und Abriebfestigkeit, während Mangan zur Zähigkeit und Festigkeit beiträgt. Silizium wirkt als Entstoffer und kann die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen verbessern.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Testtemperatur	Typischer Wert/Bereich (Metrisch)	Typischer Wert/Bereich (Imperial)	Referenzstandard für Testmethode
Zugfestigkeit	Abgeschreckt und angelassen	Raumtemperatur	850 - 1000 MPa	123 - 145 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2 % Offset)	Abgeschreckt und angelassen	Raumtemperatur	600 - 800 MPa	87 - 116 ksi	ASTM E8
Elongation	Abgeschreckt und angelassen	Raumtemperatur	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Härte (HRC)	Abgeschreckt und angelassen	Raumtemperatur	58 - 65 HRC	58 - 65 HRC	ASTM E18
Kerbschlagzähigkeit (Charpy)	Abgeschreckt und angelassen	-20 °C	20 - 30 J	15 - 22 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination aus hoher Zug- und Streckfestigkeit sowie hervorragender Härte macht 52100 Stahl für Anwendungen geeignet, die signifikanter mechanischer Belastung ausgesetzt sind. Seine Kerbschlagzähigkeit, obwohl niedriger als bei einigen anderen Stählen, ist für viele Lageranwendungen, bei denen Stoßbelastungen nicht extrem sind, ausreichend.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (Metrisch)	Wert (Imperial)
Dichte	Raumtemperatur	7,85 g/cm³	0,284 lb/in³
Schmelzpunkt	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	45 W/m·K	31 BTU·in/h·ft²·°F
Spezifische Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Elektrische Widerstand	Raumtemperatur	0,0006 Ω·m	0,0004 Ω·in
Wärmeausdehnungskoeffizient	Raumtemperatur	11,5 x 10⁻⁶/K	6,4 x 10⁻⁶/°F

Die Dichte des 52100 Stahls trägt zu seiner Gesamtfestigkeit und Haltbarkeit bei. Sein Schmelzpunkt zeigt eine gute thermische Stabilität an, während die Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmeleitfähigkeit wichtig für Anwendungen sind, die Wärmeabfuhr beinhalten. Der elektrische Widerstand ist relativ niedrig, was in bestimmten elektrischen Anwendungen von Vorteil ist.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosives Mittel	Konzentration (%)	Temperatur (°C/°F)	Beständigkeitsbewertung	Anmerkungen
Wasser	-	Umgebung	Ausreichend	Rostgefahr
Säuren (HCl)	10-20	Umgebung	Schlecht	Empfindlich gegenüber Lochfraß
Alkalische Lösungen	-	Umgebung	Ausreichend	Begrenzte Beständigkeit
Chloride	-	Umgebung	Schlecht	Risikofaktor für Spannungsrisskorrosion

52100 Stahl zeigt eine moderate Korrosionsbeständigkeit, hauptsächlich aufgrund seines Chromgehalts. Er ist jedoch nicht für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder Exposition gegenüber korrosiven Medien wie Chloriden und starken Säuren geeignet. Im Vergleich zu rostfreien Stählen wie AISI 304 oder AISI 316 ist 52100 deutlich weniger korrosionsbeständig, was ihn weniger ideal für Anwendungen in rauen Umgebungen macht.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenzwert	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale Dauerbetriebstemperatur	150 °C	302 °F	Darüber hinaus verschlechtern sich die Eigenschaften
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	200 °C	392 °F	Nur kurzfristige Exposition
Skalierungstemperatur	300 °C	572 °F	Oxidationsrisiko bei höheren Temperaturen
Berücksichtigung der Kriechfestigkeit	400 °C	752 °F	Beginnt, an Festigkeit zu verlieren

Bei erhöhten Temperaturen kann 52100 Stahl eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Härte und Festigkeit erfahren. Es wird nicht empfohlen, ihn kontinuierlich über 150 °C zu betreiben, da dies zu erheblichen Leistungseinbußen führen kann. Die Oxidationsbeständigkeit ist begrenzt, was den Einsatz von Schutzbeschichtungen oder -behandlungen in Hochtemperaturanwendungen erforderlich macht.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empf. Füllmetall (AWS-Klassifizierung)	Typisches Schutzgas/Flussmittel	Anmerkungen
MIG	ER70S-6	Argon + CO2 Mischung	Vorwärmen empfohlen
TIG	ER80S-Ni	Argon	Benötigt Nachwärmebehandlung
Elektrode	E7018	-	Nicht empfohlen für dicke Abschnitte

52100 Stahl ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts schwierig zu schweißen, was zu Rissen führen kann. Vorwärmen vor dem Schweißen und Nachwärmebehandlung sind entscheidend, um diese Risiken zu mindern. Die Verwendung geeigneter Füllmetalle ist entscheidend, um die Kompatibilität sicherzustellen und die mechanischen Eigenschaften zu erhalten.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	52100 Stahl	AISI 1212	Anmerkungen/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	60	100	Höherer Index zeigt einfachere Bearbeitung an
Typische Schnittgeschwindigkeit	30-50 m/min	60-80 m/min	Anpassen basierend auf Werkzeug

Die Bearbeitung von 52100 Stahl erfordert eine sorgfältige Auswahl von Werkzeugen und Parametern aufgrund seiner Härte. Hochgeschwindigkeitsstahl (HSS) oder Hartmetallwerkzeuge werden empfohlen, und Kühlschmierstoffe sollten verwendet werden, um die Wärme während der Bearbeitung zu managen.

Formbarkeit

52100 Stahl ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts und der resultierenden Härte nicht besonders geeignet für umfangreiche Umformprozesse. Kaltumformung ist begrenzt, während Warmumformung bei erhöhten Temperaturen möglich sein kann. Das Material zeigt eine Kaltverfestigung, was Umformoperationen komplizieren kann.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Primärer Zweck / Erwartetes Ergebnis
Glühen	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	1 - 2 Stunden	Luft	Härte reduzieren, Bearbeitbarkeit verbessern
Abschrecken	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 Minuten	Öl	Hohe Härte erreichen
Anlassen	150 - 200 °C / 302 - 392 °F	1 Stunde	Luft	Brittleness reduzieren, Zähigkeit verbessern

Die Wärmebehandlungsprozesse für 52100 Stahl ändern seine Mikostruktur erheblich, indem Austenit während des Abschreckens in Martensit umgewandelt wird, was für seine hohe Härte verantwortlich ist. Anlassen ist entscheidend, um Spannungen abzubauen und die Zähigkeit zu erhöhen, was den Stahl für dynamische Anwendungen geeignet macht.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Branche/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wesentliche Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl
Automobil	Radlager	Hohe Härte, Ermüdungsfestigkeit	Wesentlich für Langlebigkeit unter Last
Luftfahrt	Triebwerkskomponenten	Abriebfestigkeit, hohe Festigkeit	Kritisch für Leistung und Sicherheit
Industriemaschinen	Zahnradwellen	Zähigkeit, Abriebfestigkeit	Erforderlich für Hochlastanwendungen
Werkzeugherstellung	Schneidwerkzeuge	Härte, Abriebfestigkeit	Notwendig für Langlebigkeit und Leistung

Weitere Anwendungen umfassen:
- Lager in verschiedenen Maschinen
- Hochgeschwindigkeitwellen in Motoren
- Präzisionswerkzeuge für Bearbeitungsprozesse

Die Auswahl von 52100 Stahl für diese Anwendungen erfolgt hauptsächlich aufgrund seiner hervorragenden Härte und Abriebfestigkeit, die für Komponenten, die hohen Belastungen und Reibung ausgesetzt sind, entscheidend sind.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	52100 Stahl	AISI 440C	AISI 4140	Kurznotiz Pro/Contra oder Kompromiss
Wichtigste mechanische Eigenschaft	Hohe Härte	Höhere Korrosionsbeständigkeit	Gute Zähigkeit	52100 übertrifft in der Abriebfestigkeit, während 440C besser für Korrosionsbeständigkeit ist
Wichtigster Korrosionsaspekt	Ausreichend	Exzellent	Ausreichend	52100 ist nicht für korrosive Umgebungen geeignet
Schweißbarkeit	Schlecht	Ausreichend	Gut	52100 erfordert besondere Sorgfalt beim Schweißen
Bearbeitbarkeit	Mittelmäßig	Gut	Gut	52100 ist schwieriger zu bearbeiten als 4140
Formbarkeit	Schlecht	Ausreichend	Gut	52100 ist weniger formbar aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts
Ungefähre relative Kosten	Mittelmaß	Höher	Günstiger	Kosten variieren je nach Marktbedingungen
Typische Verfügbarkeit	Gewöhnlich	Weniger gewöhnlich	Gewöhnlich	52100 ist in verschiedenen Formen weit verfügbar

Bei der Auswahl von 52100 Stahl sind Überlegungen zu seinen mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitungschallenges wichtig. Seine Kostenwirksamkeit und Verfügbarkeit machen ihn zu einer beliebten Wahl für Hochleistungsanwendungen, trotz seiner Einschränkungen in korrosiven Umgebungen und der Schweißbarkeit. Die Wahl zwischen 52100 und alternativen Graden hängt oft von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich Lastbedingungen, Umwelteinflüssen und Fertigungsprozessen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 52100 Stahl ein vielseitiges und hochleistungsfähiges Material ist, das in Anwendungen, die außergewöhnliche Härte und Abriebfestigkeit erfordern, herausragt. Seine historische Bedeutung und fortdauernde Relevanz in der modernen Technik unterstreichen seinen Wert in verschiedenen Branchen.