Wälzlagerstahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

Wälzlagerstahl ist eine spezialisierte Stahlkategorie, die hauptsächlich für die Herstellung von Wälzlagerelementen entwickelt wurde. Diese Stähle zeichnen sich durch ihre hohe Härte, Verschleißfestigkeit und die Fähigkeit aus, die dimensionsstabilität unter Last zu erhalten. Typischerweise werden Wälzlagerstähle als hochkohlenstofflegierte Stähle klassifiziert und enthalten oft Legierungselemente wie Chrom, Mangan und Molybdän, die ihre mechanischen Eigenschaften und Leistung in anspruchsvollen Anwendungen verbessern.

Umfassender Überblick

Wälzlagerstähle sind so konstruiert, dass sie hohen Stress- und Reibungsniveaus standhalten können, was sie in verschiedenen mechanischen Anwendungen, einschließlich Automobil-, Luftfahrt- und Industriemaschinen, unverzichtbar macht. Die wichtigsten Legierungselemente in Wälzlagerstählen sind:

• Kohlenstoff (C): Erhöht die Härte und Festigkeit durch Wärmebehandlung.
• Chrom (Cr): Verbessert die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit und trägt zur allgemeinen Haltbarkeit des Stahls bei.
• Mangan (Mn): Verbessert die Zähigkeit und Verschleißfestigkeit.
• Molybdän (Mo): Erhöht die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und verbessert die Härtbarkeit.

Die bedeutendsten Eigenschaften von Wälzlagerstählen sind:

• Hohe Härte: Erreicht durch Wärmebehandlung, was eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit ermöglicht.
• Dimensionsstabilität: Beibehaltung von Form und Größe unter Last, entscheidend für Präzisionsanwendungen.
• Ermüdungsbeständigkeit: Fähigkeit, zyklische Belastungen ohne Versagen standzuhalten.

Vorteile:
- Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit.
- Hohe Tragfähigkeit.
- Gute Bearbeitbarkeit und Reaktion auf Wärmebehandlung.

Beschränkungen:
- Anfällig für Korrosion, wenn nicht ordnungsgemäß behandelt oder beschichtet.
- Höhere Kosten im Vergleich zu Standardkohlenstählen.
- Erfordert präzise Wärmebehandlung, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.

Historisch gesehen spielten Wälzlagerstähle eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von Maschinen und Fahrzeugen und entwickelten sich von einfachen Kohlenstählen zu fortschrittlichen Legierungszusammensetzungen, die den modernen Ingenieuranforderungen gerecht werden.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Normungsorganisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region der Herkunft	Hinweise/Anmerkungen
UNS	GCr15	USA	Nächster Äquivalent zu AISI 52100
AISI/SAE	52100	USA	Üblicher Wälzlagerstahl
ASTM	A295	USA	Speziifikation für hochlegierten Chrom-Wälzlagerstahl
EN	100Cr6	Europa	Äquivalent zu AISI 52100 mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden
JIS	SUJ2	Japan	Ähnliche Eigenschaften, wird oft in japanischen Anwendungen verwendet
GB	GCr15	China	Äquivalent zu AISI 52100

Die subtilen Unterschiede zwischen diesen Graden können die Leistung in spezifischen Anwendungen beeinflussen. Zum Beispiel, während GCr15 und AISI 52100 nahezu identisch sind, kann GCr15 leicht unterschiedliche Verunreinigungsniveaus aufweisen, die die Ermüdungsbeständigkeit beeinflussen können.

Schlüsseleigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
C (Kohlenstoff)	0,95 - 1,05
Cr (Chrom)	1,30 - 1,65
Mn (Mangan)	0,30 - 0,50
Mo (Molybdän)	0,10 - 0,30
Si (Silizium)	0,15 - 0,40
P (Phosphor)	≤ 0,025
S (Schwefel)	≤ 0,025

Die Hauptrolle der wesentlichen Legierungselemente in Wälzlagerstahl ist wie folgt:

• Kohlenstoff: Wesentlich für die Erreichung hoher Härte und Festigkeit durch Wärmebehandlung.
• Chrom: Bietet Härtbarkeit und verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Korrosion.
• Mangan: Verbessert die Zähigkeit und hilft im Entgasungsprozess während der Stahlherstellung.
• Molybdän: Erhöht die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und trägt zur allgemeinen Zähigkeit des Stahls bei.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Prüftemperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für Prüfmethoden
Zugfestigkeit	Vergütet	Raumtemperatur	1000 - 1200 MPa	145 - 174 ksi	ASTM E8
Streckenfestigkeit (0,2 % Offset)	Vergütet	Raumtemperatur	850 - 1000 MPa	123 - 145 ksi	ASTM E8
Einschnürung	Vergütet	Raumtemperatur	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Härte	Vergütet	Raumtemperatur	58 - 65 HRC	58 - 65 HRC	ASTM E18
Schlagfestigkeit	Vergütet	-20 °C (-4 °F)	20 - 30 J	15 - 22 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften macht Wälzlagerstahl besonders geeignet für Anwendungen mit hohen zyklischen Lasten und Verschleißfestigkeit, wie in Wälzlagern, wo sowohl Zug- als auch Streckenfestigkeit entscheidend für die Leistung sind.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (metrisch)	Wert (imperial)
Dichte	Raumtemperatur	7,85 g/cm³	0,284 lb/in³
Schmelzpunkt	-	1420 - 1540 °C	2590 - 2810 °F
Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	45 W/m·K	31 BTU·in/h·ft²·°F
Spezifische Wärmefähigkeit	Raumtemperatur	460 J/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Elektrische Widerstandsfähigkeit	Raumtemperatur	0,0006 Ω·m	0,00002 Ω·in

Schlüssige physikalische Eigenschaften wie Dichte und Wärmeleitfähigkeit sind bedeutend für Anwendungen, in denen Gewicht und Wärmeableitung kritisch sind. Der hohe Schmelzpunkt zeigt eine gute thermische Stabilität, was Wälzlagerstahl für Hochtemperaturanwendungen geeignet macht.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsmittel	Konzentration (%)	Temperatur (°C/°F)	Widerstandsbewertung	Hinweise
Chloride	3-5	25 °C (77 °F)	Befriedigend	Risiko von Lochkorrosion
Schwefelsäure	10-20	25 °C (77 °F)	Schlecht	Nicht empfohlen
Meerwasser	-	25 °C (77 °F)	Befriedigend	Erfordert Schutzbeschichtung
Atmosphärisch	-	-	Gut	Anfällig für Rost

Wälzlagerstähle zeigen im Allgemeinen eine moderate Korrosionsbeständigkeit. Sie sind anfällig für Lochkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen und sollten in korrosiven Anwendungen mit Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen geschützt werden. Im Vergleich zu Edelstahl ist die Korrosionsbeständigkeit von Wälzlagerstählen geringer, was sie weniger geeignet für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder korrosiven Stoffen macht.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale Dauerdauerbetriebstemperatur	150 °C	302 °F	Darüber hinaus verringern sich die Eigenschaften
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	200 °C	392 °F	Nur kurzfristige Exposition
Skalierungstemperatur	300 °C	572 °F	Risiko von Oxidation darüber hinaus

Wälzlagerstähle behalten ihre mechanischen Eigenschaften bis zu moderaten Temperaturen, können jedoch bei erhöhten Temperaturen beginnen, Härte und Festigkeit zu verlieren. Oxidation kann bei hohen Temperaturen auftreten, was in Hochtemperaturanwendungen schützende Maßnahmen erforderlich macht.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empfohlener Füllmetall (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flussmittel	Hinweise
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Vorheizen empfohlen
TIG	ER80S-Ni	Argon	Erfordert Nachbehandlung nach dem Schweißen
Elektrode	E7018	-	Für dicke Abschnitte nicht ideal

Wälzlagerstähle werden im Allgemeinen nicht zum Schweißen empfohlen aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts, der zu Rissen führen kann. Vorheizen und Nachbehandlung sind notwendig, um diese Risiken zu mindern.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	Wälzlagerstahl (AISI 52100)	Benchmark-Stahl (AISI 1212)	Hinweise/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	60%	100%	Erfordert Hochgeschwindigkeitswerkzeuge
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30-50 m/min	60-80 m/min	Verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge für beste Ergebnisse

Die Bearbeitbarkeit ist moderat; Hochgeschwindigkeitsstahl oder Hartmetallwerkzeuge werden für eine effektive Bearbeitung empfohlen. Eine ordnungsgemäße Kühlung und Schmierung sind entscheidend, um Überhitzung und Werkzeugverschleiß zu verhindern.

Formbarkeit

Wälzlagerstähle werden aufgrund ihrer hohen Härte und Festigkeit normalerweise nicht geformt. Kaltumformung ist begrenzt, und Warmumformung wird im Allgemeinen vermieden, da dies das gewünschte Gefüge verändern könnte.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Hauptzweck / Erwünschtes Ergebnis
Härten	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	1 - 2 Stunden	Öl oder Luft	Erreichung hoher Härte
Anlassen	150 - 200 °C / 302 - 392 °F	1 - 2 Stunden	Luft	Reduzierung der Sprödigkeit, Verbesserung der Zähigkeit

Die Wärmebehandlung ist entscheidend für die Erreichung der gewünschten Härte und des Gefüges in Wälzlagerstählen. Der Härteprozess erhöht die Härte erheblich, während das Anlassen die Sprödigkeit verringert und die Zähigkeit für eine bessere Leistung unter Last erhöht.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Branche/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl (kurz)
Automobil	Radlager	Hohe Härte, Ermüdungsbeständigkeit	Wesentlich für Haltbarkeit
Luftfahrt	Motorenkomponenten	Hohe Festigkeit, Dimensionsstabilität	Kritisch für Sicherheit
Industrie	Getriebe	Verschleißfestigkeit, Tragfähigkeit	Sichert lange Lebensdauer
Robotik	Aktuatorkugellager	Hohe Präzision, niedrige Reibung	Notwendig für Leistung

Weitere Anwendungen umfassen:
- Eisenbahn: Achslagerräder für Züge.
- Marine: Propellerwellenlager.
- Bau: Lagervorrichtungen für schwere Maschinen.

Wälzlagerstahl wird aufgrund seiner Fähigkeit gewählt, hohe Lasten zu tragen und eine lange Lebensdauer zu bieten, was ihn in kritischen Anwendungen unverzichtbar macht.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	Wälzlagerstahl (AISI 52100)	Alternative Grade 1 (AISI 440C)	Alternative Grade 2 (AISI 316)	Kurznotiz zu Pro/Contra oder Trade-off
Wesentliche mechanische Eigenschaft	Hohe Härte	Gute Korrosionsbeständigkeit	Exzellente Korrosionsbeständigkeit	Abwägung zwischen Härte und Korrosionsbeständigkeit
Schlüsselkorrosionsaspekt	Befriedigend	Exzellent	Exzellent	Wälzlagerstahl ist weniger korrosionsbeständig
Schweißbarkeit	Schlecht	Befriedigend	Gut	Wälzlagerstahl erfordert besondere Überlegungen zum Schweißen
Bearbeitbarkeit	Moderat	Gut	Befriedigend	Wälzlagerstahl ist schwieriger zu bearbeiten
Formbarkeit	Schlecht	Befriedigend	Gut	Alternative Legierungen bieten möglicherweise bessere Formenfähigkeiten
Ungefähre relative Kosten	Moderat	Höher	Höher	Kosten variieren erheblich basierend auf Legierungselementen
Typische Verfügbarkeit	Gemeinsam	Gemeinsam	Sehr häufig	Verfügbarkeit kann Projektzeitpläne beeinflussen

Bei der Auswahl von Wälzlagerstahl sollten Faktoren wie mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Kosten-Nutzen-Verhältnis berücksichtigt werden. Während Wälzlagerstahl in Härte und Verschleißfestigkeit glänzt, können alternative Grades für Anwendungen, die hohe Korrosionsbeständigkeit oder bessere Schweißbarkeit erfordern, geeigneter sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wälzlagerstahl ein wichtiges Material in Ingenieuranwendungen ist, bei denen hohe Leistung und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind. Das Verständnis seiner Eigenschaften, Vorteile und Einschränkungen ist entscheidend, um informierte Materialauswahlentscheidungen in verschiedenen Branchen zu treffen.