EN31 Stahl (52100): Eigenschaften und Hauptanwendungen

EN31 Stahl, auch bekannt als Lagerstahl oder 52100, ist ein hochlegierter Kohlenstoffstahl, der hauptsächlich als mittelkohlenstoffhaltiger Legierungsstahl klassifiziert wird. Diese Stahlgüte ist bemerkenswert für ihre ausgezeichnete Härte, Verschleißfestigkeit und Fähigkeit, hohen Belastungen standzuhalten, was sie besonders geeignet für die Herstellung von Wälzkörpern in Lagern, wie Kugeln und Rollen, macht. Die Hauptlegierungselemente in EN31 umfassen Chrom, das die Härte und Korrosionsbeständigkeit verbessert, und Kohlenstoff, der zu seiner Härte und Festigkeit beiträgt.

Umfassender Überblick

EN31 Stahl zeichnet sich durch seinen hohen Kohlenstoffgehalt (ca. 0,95 % bis 1,05 %) und Chrom (rund 1,30 % bis 1,60 %) aus, die gemeinsam erhebliche mechanische Eigenschaften verleihen. Die Mikrostruktur des Stahls besteht typischerweise aus einer feinen Perlitschicht mit verteiltem Zementit, das aus geeigneten Wärmebehandlungsprozessen resultiert.

Die bedeutendsten Eigenschaften von EN31 sind:

• Hohe Härte: Erreichbare Härtegrade können nach entsprechender Wärmebehandlung bis zu 60 HRC erreichen.
• Exzellente Verschleißfestigkeit: Seine Härte und Mikrostruktur bieten überlegene Verschleißfestigkeit, was es ideal für Hochlastanwendungen macht.
• Gute Zähigkeit: Trotz seiner Härte behält EN31 eine vernünftige Zähigkeit, die für dynamische Anwendungen unerlässlich ist.

Vorteile (Pro):
- Außergewöhnliche Ermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit.
- Geeignet für Hochstressanwendungen, insbesondere im Wälzkontakt.
- Gute Bearbeitbarkeit im geglühten Zustand.

Einschränkungen (Contra):
- Eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu rostfreien Stählen.
- Erfordert eine sorgfältige Wärmebehandlung, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
- Kann spröde sein, wenn es unsachgemäß verarbeitet wird.

Historisch wurde EN31 in der Automobil- und Luftfahrtindustrie weit verbreitet für Komponenten wie Zahnräder, Wellen und Lager eingesetzt, wodurch es sich als kritisches Material in ingenieurtechnischen Anwendungen etabliert hat.

Alternativnamen, Standards und Äquivalente

Standardorganisation	Bezeichnung/Güte	Herkunftsland/-region	Hinweise/Bemerkungen
UNS	G52100	USA	Nächstes Äquivalent zu EN31
AISI/SAE	52100	USA	Häufig in Lageranwendungen verwendet
ASTM	A295	USA	Spezifikation für hochlegierten Chromstahl
EN	EN31	Europa	Standardbezeichnung in Europa
DIN	100Cr6	Deutschland	Ähnliche Eigenschaften, geringfügige Zusammensetzungsunterschiede
JIS	SUJ2	Japan	Vergleichbare Güte mit leichten Abweichungen in den Eigenschaften

Die Unterschiede zwischen diesen äquivalenten Güten können die Auswahl basierend auf spezifischen Anwendungsanforderungen beeinflussen. Während G52100 und EN31 oft austauschbar sind, kann G52100 aufgrund seines spezifischen Kohlenstoffgehalts eine etwas bessere Härtbarkeit bieten.

Wichtige Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
C (Kohlenstoff)	0.95 - 1.05
Cr (Chrom)	1.30 - 1.60
Mn (Mangan)	0.30 - 0.50
Si (Silizium)	0.15 - 0.40
P (Phosphor)	≤ 0.025
S (Schwefel)	≤ 0.025

Die Hauptrolle von Kohlenstoff in EN31 besteht darin, die Härte und Festigkeit zu steigern, während Chrom die Härtbarkeit und Verschleißfestigkeit verbessert. Mangan trägt zur Zähigkeit bei und hilft bei der Entgasung während der Stahlherstellung, während Silizium die Festigkeit und Elastizität verbessert.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Testtemperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für Prüfmethoden
Zugfestigkeit	Abgekühlt & Temperiert	Raumtemperatur	1000 - 1200 MPa	145 - 174 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2 % Offset)	Abgekühlt & Temperiert	Raumtemperatur	850 - 1000 MPa	123 - 145 ksi	ASTM E8
Elongation	Abgekühlt & Temperiert	Raumtemperatur	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Härte (HRC)	Abgekühlt & Temperiert	Raumtemperatur	58 - 62 HRC	58 - 62 HRC	ASTM E18
Schlagfestigkeit (Charpy)	Abgekühlt & Temperiert	-20°C (-4°F)	20 - 30 J	15 - 22 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination aus hoher Zug- und Streckfestigkeit macht EN31 geeignet für Anwendungen mit dynamischen Lasten, wie Lagern und Zahnrädern, bei denen Widerstand gegen Verformung entscheidend ist.

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	31.2 BTU·in/h·ft²·°F
spezifische Wärmekapazität	Raumtemperatur	460 J/kg·K	0.11 BTU/lb·°F
Elektrische Resistivität	Raumtemperatur	0.0006 Ω·m	0.000006 Ω·in

Die Dichte von EN31 trägt zu seinem Gewicht und seiner Festigkeit bei, während die Wärmeleitfähigkeit für Anwendungen, die Wärmeabfuhr erfordern, von Bedeutung ist. Die spezifische Wärmekapazität zeigt an, wie viel Energie erforderlich ist, um die Temperatur zu erhöhen, was in Prozessen mit thermischem Zyklus entscheidend ist.

Korrosionsbeständigkeit

Korrisionsmittel	Konzentration (%)	Temperatur (°C/°F)	Widerstandseinstufung	Hinweise
Wasser	0 - 100	20 - 100 / 68 - 212	Ausreichend	Risiko von Rost
Säuren	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	Schlecht	Empfänglich für Lochfraß
Chloride	0 - 5	20 - 100 / 68 - 212	Schlecht	Risiko von Spannungsrisskorrosion
Alkalien	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	Ausreichend	Mittlere Beständigkeit

EN31 Stahl zeigt eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in sauren und chloridhaltigen Umgebungen, was ihn weniger geeignet für Anwendungen macht, die harschen Bedingungen ohne Schutzbeschichtungen ausgesetzt sind. Im Vergleich zu rostfreien Stählen, wie AISI 304 oder AISI 316, ist die Empfindlichkeit von EN31 gegenüber Korrosion deutlich höher, was in korrosiven Umgebungen Schutzmaßnahmen erfordert.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale kontinuierliche Betriebstemperatur	200	392	Über diesen Wert können die Eigenschaften abnehmen
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	300	572	Nur kurzzeitige Exposition
Skalierungstemperatur	600	1112	Risiko von Oxidation bei höheren Temperaturen

Bei erhöhten Temperaturen behält EN31 seine Härte und Festigkeit bis zu einer bestimmten Grenze, doch eine längere Exposition kann zu Oxidation und Verlust mechanischer Eigenschaften führen. Eine ordnungsgemäße Wärmebehandlung kann seine Leistung in Hochtemperaturanwendungen verbessern.

Bearbeitungs Eigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißverfahren	Empfohlene Füllmetall (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flussmittel	Hinweise
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Vorwärmung empfohlen
TIG	ER70S-2	Argon	Erfordert sorgfältige Kontrolle
Stab	E7018	N/A	Nach dem Schweißen Wärmebehandlung empfohlen

EN31 wird aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts nicht typischerweise zum Schweißen empfohlen, da dies zu Rissen führen kann. Vorwärmen und eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen sind unerlässlich, um diese Risiken zu minimieren.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	EN31	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	60%	100%	EN31 ist aufgrund der Härte schwieriger zu bearbeiten.
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30-50 m/min	60-80 m/min	Verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge für beste Ergebnisse.

Die Bearbeitung von EN31 erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Werkzeuge und Schnittgeschwindigkeiten aufgrund seiner Härte. Hartmetallwerkzeuge werden empfohlen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Formbarkeit

EN31 zeigt aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts eine begrenzte Formbarkeit, was es weniger geeignet für Prozesse macht, die signifikante Verformungen erfordern. Kaltumformung ist möglich, sollte jedoch mit Vorsicht angegangen werden, um Risse zu vermeiden. Warmumformung kann bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden, um die Duktilität zu verbessern.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Hauptzweck / Erwünschtes Ergebnis
Glühen	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 Stunden	Luft	Härte reduzieren, Bearbeitbarkeit verbessern
Härten	800 - 850 / 1472 - 1562	30 Minuten	Öl oder Wasser	Härte und Festigkeit erhöhen
Tempern	150 - 200 / 302 - 392	1 Stunde	Luft	Sprödigkeit reduzieren, Zähigkeit verbessern

Die Wärmebehandlungsprozesse haben erhebliche Auswirkungen auf die Mikrostruktur von EN31, indem sie diesen von einem weicheren, duktileren Zustand in einen harten, verschleißfesten Zustand verwandeln. Eine ordnungsgemäße Temperierung ist entscheidend, um Härte und Zähigkeit auszubalancieren.

Typische Anwendungen und Verwendungszwecke

Branche/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wesentliche Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl (Kurz)
Automobil	Kugellager	Hohe Härte, Verschleißfestigkeit	Wesentlich für die Haltbarkeit
Luft- und Raumfahrt	Zahnwellen	Hohe Zugfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit	Kritisch für die Sicherheit
Produktion	Werkzeugkomponenten	Zähigkeit, Bearbeitbarkeit	Erforderlich für Präzision
Öl & Gas	Ventilkomponenten	Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit	Wesentlich in rauen Umgebungen

Weitere Anwendungen umfassen:

• Industriemaschinen: Werden in Komponenten verwendet, die hohe Verschleißfestigkeit erfordern.
• Robotik: Für Teile, die hohen Belastungen standhalten und Präzision erfordern.
• Medizinprodukte: In Anwendungen, in denen Stärke und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind.

Die Auswahl von EN31 für diese Anwendungen basiert hauptsächlich auf seinen hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die Zuverlässigkeit und Leistung unter anspruchsvollen Bedingungen gewährleisten.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	EN31	AISI 4140	AISI 440C	Kurze Pro-/Contra- oder Abwägungshinweise
Wesentliche mechanische Eigenschaft	Hohe Härte	Mittlere Härte	Hohe Härte	EN31 bietet überlegene Verschleißfestigkeit, aber geringere Zähigkeit als 4140.
Wesentliche Korrosionsaspekte	Ausreichend	Gut	Ausgezeichnet	EN31 ist weniger korrosionsbeständig als 440C, was in bestimmten Umgebungen kritisch ist.
Schweißbarkeit	Schlecht	Ausreichend	Gut	EN31 erfordert sorgfältige Schweißpraktiken im Vergleich zu 4140.
Bearbeitbarkeit	Moderat	Gut	Schlecht	EN31 ist schwieriger zu bearbeiten als 4140 und benötigt spezialisierte Werkzeuge.
Formbarkeit	Begrenzt	Gut	Begrenzt	EN31 ist weniger formbar als 4140, was in bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein kann.
Ungefährer relativer Preis	Moderat	Moderat	Höher	Pre Überlegungen können die Auswahl basierend auf Projektbudgets beeinflussen.
Typische Verfügbarkeit	Allgemein	Allgemein	Weniger häufig	EN31 ist weit verbreitet, während 440C schwerer zu beschaffen sein kann.

Bei der Auswahl von EN31 sollten die spezifischen Anwendungsanforderungen, Kosteneffektivität und Verfügbarkeit berücksichtigt werden. Seine hohe Härte und Verschleißfestigkeit machen ihn ideal für Anwendungen, bei denen Langlebigkeit von größter Bedeutung ist, während seine Einschränkungen in der Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit durch angemessene Design- und Verarbeitungsentscheidungen adressiert werden müssen.

Zusammenfassend ist EN31 Stahl ein vielseitiges und robustes Material, das eine entscheidende Rolle in verschiedenen ingenieurtechnischen Anwendungen spielt, insbesondere dort, wo hohe Leistung und Zuverlässigkeit erforderlich sind. Das Verständnis seiner Eigenschaften und Einschränkungen ermöglicht es Ingenieuren, informierte Entscheidungen für optimale Anwendungsergebnisse zu treffen.