52100 против 51100 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
52100 и 51100 — это две высокоуглеродистые подшипниковые стали, которые обычно рассматриваются, когда проектировщики и команды по закупкам должны сбалансировать износостойкость, прочность, технологичность и стоимость. Инженеры часто сталкиваются с компромиссами между более высокой закаливаемостью и сроком службы против более простой химии, более легкой обработкой и более низкой стоимостью материала. Типичные контексты принятия решений включают выбор материала для подшипников качения, износостойких компонентов, валов или закаленных штифтов, где сквозная закалка, усталостная прочность поверхности и прочность критически важны.
Основная отличительная стратегия между двумя марками заключается в использовании легирования для увеличения закаливаемости и износостойкости: одна марка содержит целенаправленные добавки хрома для повышения закаливаемости и усталостной прочности при качении, в то время как другая по сути является высокоуглеродистой, низколегированной сталью, полагающейся на углерод и традиционную закалку-отпуск для достижения необходимой твердости. Поскольку обе используются для подшипниковых и износостойких приложений, их часто сравнивают по сроку службы подшипников, реакции на термообработку и последствиям для последующей переработки.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты, ссылающиеся на эти марки:
- ASTM/ASME/SAE: SAE/AISI 52100; SAE/AISI 51100.
- EN: 52100 часто обозначается как 1.3505 (или 100Cr6 в европейском обозначении); 51100 не имеет прямого единого эквивалента EN, но соответствует высокоуглеродистым сталям, используемым для подшипников в конкретных национальных стандартах.
- JIS/GB: 52100 соответствует JIS SUJ2 и GB 52100 (номенклатура варьируется в зависимости от страны); эквиваленты 51100 появляются в национальных стандартах как не содержащие хром высокоуглеродистые подшипниковые стали или обычные высокоуглеродистые стали.
- Классификация:
- 52100: высокоуглеродистая хромистая подшипниковая сталь (легированная сталь / подшипниковая сталь).
- 51100: высокоуглеродистая не хромистая подшипниковая/инженерная сталь (углеродная или низколегированная сталь, часто рассматриваемая как подшипниковая сталь в подшипниковой промышленности).
Примечание: точное соответствие обозначений варьируется между стандартными комитетами; всегда подтверждайте конкретный номер стандарта и текст спецификации для закупок.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица — Типичный химический состав (вес.%) для общих коммерческих спецификаций. Показанные значения являются типичными диапазонами; проконсультируйтесь с применимой спецификацией покупки для принятия контракта.
| Элемент | 52100 (типичный вес%) | 51100 (типичный вес%) |
|---|---|---|
| C | 0.98 – 1.10 | 0.90 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.20 – 0.50 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.10 – 0.35 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.040 |
| Cr | 1.30 – 1.65 | ≤ 0.30 (следы) |
| Ni | следы – 0.25 | следы |
| Mo | следы | следы |
| V | следы | следы |
| Nb, Ti, B, N | следы, если присутствуют | следы, если присутствуют |
Как легирование влияет на свойства: - Углерод в основном контролирует достижимую твердость и прочность после закалки и отпуска; обе марки являются высокоуглеродистыми, чтобы позволить мартенситную закалку. - Хром в 52100 обеспечивает повышенную закаливаемость, улучшенную износостойкость, стабильность карбидов и повышенную усталостную прочность при качении по сравнению с низкохромистыми сталями. Хром также улучшает реакцию на отпуск и способствует твердости удерживаемых карбидов. - 51100 полагается на углерод и традиционные следы легирования; его более низкое содержание хрома снижает закаливаемость и износостойкость при идентичной термообработке, но упрощает состав для определенных термообработок и поверхностных обработок.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В отожженном состоянии обе марки представляют перлит или сфероидизированный цементит в ферритной матрице в зависимости от нормализации и циклов сфероидизации. Для работы подшипников обе обычно закаляются до мартенсита с дисперсными карбидами. - 52100 после соответствующей закалки и отпуска образует мартенсит с мелкими хромистыми карбидами; карбиды обычно мельче и более дисперсные, чем в низкохромистых сталях, что улучшает износостойкость и срок службы подповерхностной усталости. - 51100 образует мартенсит плюс цементитовые карбиды; с более низким содержанием легирующих элементов распределение карбидов может быть грубее, если сфероидизация/отжиг не контролируются тщательно.
Реакция на термообработку: - Нормализация улучшает упрочнение зерна для обеих марок, но 52100 больше выигрывает от закалки при более высоких температурах аустенитизации, поскольку Cr увеличивает закаливаемость — позволяя более глубокой сквозной закалке в больших сечениях. - Закалка и отпуск: - 52100 достигает более высокой закаливаемости и может достигать равномерной твердости через значительную толщину сечения; отпуск используется для настройки прочности против твердости для усталости при качении. - 51100 будет эффективно закаляться в меньших сечениях; в больших сечениях он может показывать более мягкое ядро и быть более подверженным вариациям по толщине. - Термомеханическая обработка (контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение) может обеспечить превосходный размер зерна и механические свойства для обеих марок, но легирование в 52100 делает его более прощенным для сквозной закалки.
4. Механические свойства
Таблица — Типичные механические свойства (диапазон сильно зависит от термообработки; значения показывают общие рабочие диапазоны).
| Свойство | 52100 (закаленная и отпущенная / спецификация подшипника) | 51100 (закаленная и отпущенная) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~900 – 2000 (в зависимости от отпуска/HRC) | ~800 – 1600 |
| Предельная прочность (0.2% смещение) (МПа) | ~700 – 1800 (в зависимости от процесса) | ~600 – 1400 |
| Удлинение (%) | 2 – 15 (уменьшается с увеличением твердости) | 3 – 18 |
| Ударная вязкость (Дж при комнатной температуре) | Умеренная; оптимизирована через отпуск | Сравнимая или немного выше при той же твердости для малых сечений |
| Твердость (HRC) | Обычно 58 – 66 HRC для подшипниковых колец/шариков | Обычно 55 – 63 HRC, достижимая в меньших сечениях |
Что сильнее, прочнее или более пластично и почему: - Прочность и твердость: 52100 обычно достигает более высокой эффективной прочности и сквозной закалки при равных размерах сечения благодаря содержанию хрома и полученной закаливаемости. - Прочность: Прочность является функцией термообработки и микроструктуры. При эквивалентной поверхностной твердости 51100 иногда может демонстрировать аналогичную или немного более высокую видимую прочность в малых сечениях из-за более простой распределенности карбидов; однако 52100 часто обеспечивает лучшую усталостную прочность при качении и устойчивость к подповерхностным трещинам благодаря мелким хромистым карбидам и улучшенной закаливаемости. - Пластичность: Обе марки жертвуют пластичностью при высокой твердости; 51100 может демонстрировать немного более высокое удлинение при сопоставимой твердости в малых сечениях, но это сильно зависит от процесса.
5. Сварка
Сварка в основном определяется эквивалентом углерода и закаливаемостью; более высокое содержание углерода и легирующих элементов увеличивает риск холодных трещин и требует предварительного подогрева и/или термообработки после сварки.
Полезные индексы: - Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Немецкий Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация: - 52100 обычно будет иметь более высокий рассчитанный CE/Pcm, чем 51100 из-за своего целенаправленного содержания хрома; это увеличивает восприимчивость к холодным трещинам, вызванным водородом, и образованию мартенсита в зоне термического влияния. - 51100, не имея значительного содержания Cr, обычно имеет немного более низкий эквивалент углерода и немного легче сваривается, но его высокое содержание углерода все равно делает сварку сложной без строгого контроля. - Практическое руководство: Для обеих марок сварка должна быть избегнута для основных подшипниковых поверхностей. Если сварка необходима, используйте предварительный подогрев, контролируемые температуры межпрохода, электроды/наполнители с низким содержанием водорода и соответствующую термообработку для отпуска мартенсита и снижения остаточных напряжений. Где это возможно, производите окончательную геометрию до закалки или используйте механические методы соединения.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 52100, ни 51100 не являются нержавеющими; обе подвержены коррозии. Хром в 52100 не находится на уровнях, достаточных для обеспечения нержавеющей производительности.
- Общие защитные меры:
- Покраска, фосфатирование, смазка и покрытие (например, цинком) для общей защиты от коррозии.
- Локализованное цементация/хромирование или поверхностная закалка для износостойкости плюс жертвенные покрытия для защиты от коррозии.
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию ямок) не применим, поскольку эти марки не являются нержавеющими сплавами. Для справки, PREN определяется как: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ но он применяется к нержавеющим сталям с значительным содержанием Cr, Mo и N — не к 52100/51100.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- В отожженном состоянии обе могут обрабатываться стандартными инструментами из быстрорежущей стали или карбида. 51100 (с более низким содержанием легирующих элементов) обычно предлагает немного лучшую обрабатываемость, чем 52100, поскольку хром увеличивает износ инструмента и тенденцию к упрочнению при обработке.
- В закаленном состоянии обе трудно обрабатывать; шлифовка и суперабразивные инструменты являются обычными для отделки подшипниковых поверхностей.
- Формуемость:
- Холодная формовка ограничена высоким содержанием углерода; отжиг/сфероидизация обычно выполняется перед формовочными операциями для улучшения пластичности.
- Сгибание и штамповка возможны в отожженном состоянии; в закаленном состоянии формовка нецелесообразна.
- Отделка поверхности:
- Полировка и прецизионная шлифовка являются обычными для компонентов подшипников 52100 для достижения требуемой шероховатости поверхности и геометрических допусков.
- Поверхностные обработки (индукционная закалка, нитридирование) могут применяться в зависимости от конструкции; производительность нитридирования может различаться, поскольку Cr влияет на образование нитридов.
8. Типичные применения
Таблица — Типичные применения
| 52100 | 51100 |
|---|---|
| Подшипники качения (шарики, ролики, кольца), где требуется высокая усталостная прочность при качении | Компоненты подшипников в малых сечениях, простые закаленные штифты и износостойкие детали, где хром не указан |
| Прецизионные подшипниковые кольца в автомобилестроении, аэрокосмической и промышленной технике | Высокоуглеродистые инструменты, штифты и валы, где приемлемы решения с низкой стоимостью |
| Компоненты с высоким износом с контролируемой термообработкой: шестерни, кулачки (в некоторых конструкциях) | Компоненты, требующие более простой химии и более легкой обрабатываемости (в отожженном состоянии) |
| Применения, требующие лучшей сквозной закалки в умеренных и больших сечениях | Детали низкого объема и устаревшие конструкции, где указана 51100 |
Обоснование выбора: - Выбирайте 52100, когда основными требованиями являются длительный срок службы при усталости при качении, более глубокая сквозная закалка и лучшая износостойкость, а также когда приемлемы более высокие затраты и немного сниженная свариваемость. - Выбирайте 51100, когда высокоуглеродистое решение является достаточным, приоритетами являются стоимость и обрабатываемость в отожженном состоянии, или когда размеры сечений достаточно малы, чтобы закаливаемость не была ограничивающим фактором.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость:
- 52100 обычно стоит немного дороже, чем 51100 из-за содержания хрома и его спроса на рынках подшипников.
- Рыночные цены колеблются в зависимости от стоимости легирующих элементов (особенно Cr) и глобального спроса на формы подшипниковой стали.
- Доступность по форме продукта:
- 52100 широко доступна в подшипниковых прутках, кольцах, шариках и прецизионных заготовках; существуют устоявшиеся цепочки поставок для производителей подшипников.
- 51100 доступна в прутках, стержнях и некоторых формах подшипниковых заготовок, но может быть менее распространена для прецизионных подшипниковых колец в некоторых регионах.
- Совет по закупкам: указывайте точный стандарт и требуемое состояние термообработки. Время выполнения для прецизионных шлифованных и закаленных компонентов может быть значительно дольше.
10. Резюме и рекомендации
Таблица — Быстрое сравнение
| Атрибут | 52100 | 51100 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Ниже (высокий CE; часто требуется предварительный подогрев/PWHT) | Умеренная (все еще сложная из-за высокого C) |
| Прочность–Прочность (закаленная) | Высокая прочность, отличная усталостная прочность при качении | Хорошая прочность; может быть ограничена закаливаемостью в больших сечениях |
| Стоимость | Умеренно-высокая (содержание хрома и рыночный спрос) | Обычно ниже (более простая химия) |
Рекомендация: - Выбирайте 52100, если: - Вам нужна высокая усталостная прочность при качении, превосходная износостойкость и надежная сквозная закалка в умеренных и больших сечениях (например, прецизионные подшипники, сильно нагруженные ролики). - Приложение допускает немного более высокую стоимость материала и требует стабильной работы подшипников на протяжении долгого времени. - Выбирайте 51100, если: - Ваш дизайн ограничен малыми сечениями или вам требуется более простая химия для снижения стоимости или преимуществ в обработке. - Вы можете принять более низкую закаливаемость или примените процессы поверхностной закалки и не требуете улучшенной усталостной прочности за счет хрома.
Заключительная заметка: обе марки являются высокоуглеродистыми сталями и требуют тщательной спецификации термообработки, чистоты (контроль включений) и отделки для достижения целевых показателей производительности. Всегда ссылайтесь на точный стандарт и требования к термообработке в документах на закупку и проверяйте производительность с помощью специфического для применения тестирования (усталость при качении, испытания на износ и оценка остаточных напряжений) перед полной продукцией.