100Cr6 против 100CrMnSi6-4 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
100Cr6 и 100CrMnSi6-4 — это высокоуглеродистые стали с содержанием хрома, которые широко используются там, где критически важны износостойкость, срок службы при качении и размерная стабильность. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между двумя сталями при спецификации подшипников, валов, штифтов или износостойких деталей: выбрать классическую сталь для подшипников с высокой твердостью, оптимизированную для усталости контакта и износа, или выбрать более легированную высокоуглеродистую марку, которая жертвует некоторой максимальной твердостью ради улучшенной прочности и легкости обработки. Основное техническое различие заключается в том, что 100Cr6 — это классическая сталь для подшипников с высоким содержанием хрома, разработанная для достижения высокой закаливаемости и мартенситной микроструктуры для износостойкости, в то время как 100CrMnSi6-4 использует дополнительный марганец и кремний (и измененный уровень Cr), чтобы сбалансировать закаливаемость, прочность и обрабатываемость.
1. Стандарты и обозначения
- 100Cr6
- Обозначение EN: EN 100Cr6 (годовое название)
- Общие эквиваленты: AISI/SAE 52100 (сталь для подшипников)
- Классификация: Высокоуглеродистая хромистая сталь для подшипников (углеродная сталь, легированная)
- 100CrMnSi6-4
- Типичное коммерческое обозначение, используемое в некоторых европейских и поставщических каталогах (формат обозначает ~1.00% C с уровнями Cr, Mn, Si)
- Классификация: Высокоуглеродистая хромомарганцевая кремниевая легированная сталь (углеродная/легированная сталь, предназначенная для подшипников, штифтов и износостойких деталей)
Примечания: - Это не нержавеющие стали и рассматриваются как углеродные/легированные стали в сварке и коррозионных аспектах. - Точное покрытие обозначений и эквиваленты варьируются в зависимости от страны и поставщика; всегда подтверждайте стандартный документ или технический паспорт производителя.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица ниже показывает типичные диапазоны состава, встречающиеся в коммерческих паспортах материалов и стандартах. Всегда проверяйте по точному сертификату поставщика или стандарту.
| Элемент | 100Cr6 (типичный диапазон) | 100CrMnSi6-4 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C | 0.95–1.05 мас% | ~0.95–1.05 мас% |
| Mn | 0.25–0.45 мас% | ~1.0–1.7 мас% |
| Si | 0.10–0.40 мас% | ~0.20–0.6 мас% |
| Cr | 1.30–1.65 мас% | ~0.7–1.4 мас% |
| P | ≤0.03–0.04 мас% | ≤0.03–0.04 мас% |
| S | ≤0.03–0.04 мас% | ≤0.03–0.04 мас% |
| Ni | обычно ≤0.30 мас% | обычно ≤0.30 мас% |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | следы или не добавлены намеренно | следы или не добавлены намеренно |
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основное упрочнение, обеспечивает мартенсит и высокую твердость, но снижает свариваемость и пластичность. - Хром: увеличивает закаливаемость, износостойкость и стойкость к отпуску; умеренная коррозионная стойкость в низколегированных сталях. - Марганец: увеличивает закаливаемость и прочность на растяжение, улучшает дегазацию; более высокий Mn в 100CrMnSi6-4 повышает закаливаемость и прочность по сравнению с 100Cr6. - Кремний: дегазатор, который также может улучшить прочность и стойкость к отпуску; более высокий Si поддерживает прочность в 100CrMnSi6-4. - Сера и фосфор: контролируемые низкие уровни, чтобы избежать хрупкости и сохранить срок службы при усталости.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
Типичные микроструктуры и реакции на общие термические процессы:
- 100Cr6
- Отожженное состояние: сфероидизированные карбиды (цементит) в ферритной матрице для максимизации обрабатываемости.
- После закалки и отпуска: преимущественно мартенсит с мелко распределенными частицами карбида и некоторым оставшимся аустенитом в зависимости от размера сечения и жесткости закалки. Оптимизировано для высокой твердости и устойчивости к усталости при качении.
-
Нормализация с последующей закалкой: дает более мелкий размер зерен аустенита, улучшая прочность для данной твердости, но все еще оптимизировано для высокой твердости.
-
100CrMnSi6-4
- Отожженное: сфероидизированные карбиды для обработки; более высокое содержание Mn и Si может повлиять на морфологию карбидов.
- После закалки и отпуска: мартенситная матрица с, возможно, немного более высоким оставшимся аустенитом для сопоставимой термической обработки, но более высокий Mn улучшает закаливаемость в больших сечениях и поддерживает улучшенную прочность.
- Термо-механические обработки: увеличенное содержание Mn и Si позволяет лучшее закаливание в больших поперечных сечениях; выбранные циклы отпуска могут обеспечить более сильный баланс прочности/твердости, чем 100Cr6 для деталей, требующих устойчивости к ударам.
Практические соображения: - Обе марки обычно сфероидизируются перед обширной обработкой. - Криогенные обработки могут снизить оставшийся аустенит и улучшить твердость и размерную стабильность для обеих сталей. - Выбор температуры отпуска критически важен: более высокая температура отпуска снижает твердость, но увеличивает прочность.
4. Механические свойства
Значения зависят от процесса и сечения. Таблица ниже показывает типичные диапазоны свойств для полностью термически обработанных (закаленных и отпущенных или сквозно закаленных) условий, используемых в подшипниковых/износостойких приложениях.
| Свойство | 100Cr6 (типично, термически обработано) | 100CrMnSi6-4 (типично, термически обработано) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (UTS) | ~1200–2200 МПа | ~1100–2000 МПа |
| Предельная прочность (0.2% доказательство) | ~900–1700 МПа | ~800–1500 МПа |
| Удлинение (A) | ~1–6% (низкая пластичность при высокой твердости) | ~2–8% (немного более высокая пластичность при сопоставимой твердости) |
| Ударная вязкость по Шарпи | Низкая до умеренной; сильно зависит от твердости и сечения; часто 5–30 Дж | Умеренная; обычно выше, чем у 100Cr6 при аналогичной твердости |
| Твердость (HRC) | Обычные подшипники: HRC 58–66 | Диапазон твердости обычно HRC 56–64 |
Интерпретация: - 100Cr6 оптимизирована для достижения более высокой максимальной твердости и отличной износостойкости при качении. Это может происходить за счет прочности и пластичности. - 100CrMnSi6-4, с более высоким содержанием Mn и Si, предлагает улучшенную закаливаемость в более толстых сечениях и, как правило, лучшую прочность при аналогичных уровнях твердости, что делает ее предпочтительной, когда требуется устойчивость к ударам или большие поперечные сечения.
5. Свариваемость
Свариваемость контролируется в первую очередь эквивалентом углерода и микроалюминированием. Два часто используемых эмпирических индекса полезны для качественной интерпретации:
-
Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (индекс свариваемости, полезный для сталей с множеством легирующих элементов): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Обе стали являются высокоуглеродистыми (≈1.0% C), поэтому их свариваемость плохая или предельная без предварительного подогрева и контролируемых процедур. - 100CrMnSi6-4 имеет более высокие вклады Mn и Si, которые увеличивают $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с низкомарганцевыми сталями; это обычно делает ее более восприимчивой к жесткому, хрупкому мартенситу и водородному растрескиванию в зоне термического влияния, если сварка выполняется без предварительного подогрева и контролируемого охлаждения. - Умеренный Cr в 100Cr6 также повышает закаливаемость; обе марки обычно требуют предварительного подогрева, низкогидрогенных расходных материалов и термической обработки после сварки. Для большинства подшипниковых приложений сварка избегается, когда это возможно — предпочтительнее механическое соединение или обработка из цельного материала.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 100Cr6, ни 100CrMnSi6-4 не являются нержавеющими. Ожидайте стандартного поведения коррозии углеродной стали.
- Типичные защиты:
- Гальванизация (горячее цинкование или электроцинкование) для общей защиты от атмосферной коррозии.
- Фосфатное покрытие или пассивирующие слои для улучшения адгезии краски.
- Краски, порошковые покрытия или масло/смазка для подвижных частей, где гальванизация непрактична.
- Для компонентов в агрессивных средах следует рассмотреть нержавеющие марки или специализированные покрытия (твердый хром, PVD/DLC, термическое распыление).
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к питтингу) не применим к этим низколегированным углеродным сталям: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс относится к нержавеющим сплавам и не должен использоваться для 100Cr6/100CrMnSi6-4, которые не имеют значительного содержания Mo или N и не образуют пассивные нержавеющие пленки.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- В отожженном/сфероидизированном состоянии обе марки обрабатываются приемлемо; 100CrMnSi6-4 (с более высоким содержанием Mn и Si) может обрабатываться немного сложнее, если не была должным образом сфероидизирована, но может быть спроектирована для улучшенной обрабатываемости.
- В закаленном состоянии обе стали трудны в обработке и часто требуют шлифовки вместо обычной механической обработки.
- Формуемость:
- Высокое содержание углерода ограничивает холодную формовку; эти стали обычно горячей формовки или ковки в отожженном состоянии с последующей термической обработкой.
- Обработка поверхности:
- Шлифовка и суперфиниширование являются стандартными для подшипниковых колец и элементов качения.
- Карбидные инструменты и контроль охлаждающей жидкости необходимы для производственной обработки.
8. Типичные применения
| 100Cr6 (распространенные применения) | 100CrMnSi6-4 (распространенные применения) |
|---|---|
| Глубокие канавочные подшипники, роликовые подшипники, шарики и дорожки, где требуются высокая твердость и срок службы при качении | Валы, штифты, втулки, износостойкие полосы и подшипники, где требуется улучшенная прочность или закаливаемость в больших сечениях |
| Компоненты прецизионных подшипников в моторах, редукторах и станках | Инструменты для холодной обработки, штифты с высоким нагрузочным потенциалом, компоненты, подверженные ударам/износу с умеренной защитой от коррозии |
| Шарики малого диаметра, игольчатые ролики и прецизионные кольца | Детали, обработанные из прутков или кованых заготовок, где более высокий Mn/Si способствует закаливаемости в толстых сечениях |
Обоснование выбора: - Выберите 100Cr6, когда основное требование — максимальная устойчивость к усталости при качении, износостойкость и размерная стабильность при повторяющихся нагрузках контакта. - Выберите 100CrMnSi6-4, когда приоритетом являются более толстые сечения, более высокая ударная прочность или немного лучшая обрабатываемость в отожженном состоянии.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость:
- 100Cr6 широко стандартизирована и массово производится, часто более экономична в товарных формах (прутки, кольца, готовые подшипники).
- 100CrMnSi6-4 может иметь немного более высокую стоимость за кг в зависимости от объемов поставок и уровней легирования, но цены конкурентоспособны при производстве в стандартных формах прутков.
- Доступность:
- 100Cr6 (эквиваленты EN/AISI‑52100) доступна по всему миру от многих заводов в виде прутков, колец, заготовок и компонентов подшипников.
- Доступность 100CrMnSi6-4 зависит от региональных поставщиков; она может быть в наличии у специализированных поставщиков прутков и производителей деталей подшипников, но не так широко распространена, как 100Cr6 в каталогах подшипников.
- Формы продукции:
- Обе марки обычно поставляются в виде кованых заготовок, обработанных прутков и термически обработанных колец; 100Cr6 имеет более крупные товарные поставки для расходных материалов подшипников.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное)
| Область свойства | 100Cr6 | 100CrMnSi6-4 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Плохая (высокий C, закаливаемость) | Плохая (высокий C, повышенный Mn/Si увеличивает CE) |
| Баланс прочности и прочности | Наивысшая твердость и износостойкость; относительно низкая прочность | Лучшая прочность при сопоставимой твердости; улучшенная закаливаемость в больших сечениях |
| Стоимость | Как правило, ниже и широко доступна для деталей подшипников | Сравнимая или немного выше; доступность более переменная |
Окончательные рекомендации: - Выберите 100Cr6, если: - Ваш дизайн требует максимального срока службы при качении и максимальной износостойкости при высокой твердости (например, прецизионные подшипники, небольшие высокоскоростные ролики, системы шариков и дорожек). - Части достаточно тонкие, чтобы достичь сквозной закалки или производятся с контролируемыми процедурами закалки; и сварка должна быть избегнута. - Выберите 100CrMnSi6-4, если: - Вам нужен лучший компромисс между прочностью и твердостью, улучшенная закаливаемость в больших сечениях или немного более прощенная обработка для штифтов, валов или компонентов, подверженных ударным нагрузкам. - Вы планируете обрабатывать из прутков или кованых заготовок и вам требуется улучшенная производительность в толстых поперечных сечениях, где 100Cr6 может не полностью закалиться.
Заключительная заметка: Обе стали показывают исключительные результаты, когда соответствуют правильному применению и когда термическая обработка, отделка поверхности и защитные меры правильно специфицированы. Для критически важных компонентов указывайте точный состав и практику термической обработки в заказе на покупку, запрашивайте сертификаты завода и, если ожидается сварка или серьезная эксплуатация, консультируйтесь с металлургами и специалистами по термической обработке для определения предварительного подогрева, термической обработки после сварки и критериев инспекции.