60Si2Mn против 55CrSi – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто выбирают между высокоуглеродистыми пружинными сталями, которые обеспечивают высокую прочность, усталостную стойкость и предсказуемый ответ на термообработку. Два часто сравниваемых сорта в этом классе — 60Si2Mn и 55CrSi. Проблема выбора обычно связана с компромиссами между закаливаемостью для более толстых сечений, достижимой прочностью и усталостным сроком службы, свариваемостью и легкостью обработки, а также стоимостью материала.
Основное различие между этими сортами заключается в стратегии легирования: один акцентирует внимание на кремний-манганцевой химии для повышения прочности и упругости при высоких уровнях углерода, в то время как другой включает хром с кремнием для увеличения закаливаемости и стойкости к отпуску. Из-за этого их часто сравнивают для пружин, крепежных изделий и компонентов с высоким уровнем напряжения, где важны как механические характеристики, так и возможность производства.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты и обозначения, встречающиеся в промышленности:
- GB (Китай): 60Si2Mn, 55CrSi (номенклатура, обычно используемая в китайских стандартах и цепочке поставок).
- EN/ISO: Сравнимые европейские сорта стали для пружинных сталей включают эквиваленты 60Si2Mn и аналоги SAE/ASTM (например, SAE 9254/55 для пружинных сталей SiCr), но точные перекрестные ссылки зависят от деталей спецификации.
- JIS: Пружинные стали JIS (например, семейства SUP9/SUP10) могут использоваться как функциональные эквиваленты в некоторых приложениях.
- ASTM/ASME: Нет единого универсального обозначения ASTM для этих коммерческих пружинных сталей; поставка обычно регулируется стандартами, специфичными для клиента или национальными стандартами.
- Классификация:
- Оба сорта 60Si2Mn и 55CrSi являются высокоуглеродистыми легированными пружинными сталями (не нержавеющими). Они не являются инструментальными сталями, нержавеющими сталями или HSLA в традиционном смысле.
2. Химический состав и стратегия легирования
Примечание: составы варьируются в зависимости от стандарта и поставщика. Таблица ниже дает типичные диапазоны составов (приблизительные), чтобы проиллюстрировать стратегию легирования, а не точные предельные значения спецификации.
| Элемент (%) | 60Si2Mn (типичный диапазон) | 55CrSi (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C | 0.56–0.64 | 0.50–0.60 |
| Mn | 0.50–1.00 | 0.30–0.80 |
| Si | 1.60–2.00 | 0.90–1.50 |
| P | ≤ 0.03 (макс) | ≤ 0.03 (макс) |
| S | ≤ 0.03 (макс) | ≤ 0.03 (макс) |
| Cr | ≤ 0.25 (следы) | 0.80–1.30 |
| Ni | ≤ 0.30 (следы) | ≤ 0.30 (следы) |
| Mo | — | ≤ 0.10 (незначительное) |
| V, Nb, Ti | — (обычно отсутствуют) | — (обычно отсутствуют) |
| B, N | — | — |
Эффекты легирования: - Углерод является основным элементом закалки: более высокий C повышает достижимую твердость и прочность после закалки и отпуска, но снижает свариваемость и пластичность. - Кремний увеличивает прочность, упругость и характеристики пружин; он также стабилизирует феррит и может улучшить ударную вязкость в некоторых отпусках. - Марганец улучшает закаливаемость и прочность на растяжение и действует как деоксидатор. - Хром увеличивает закаливаемость и стойкость к отпуску — важно для более толстых сечений и более высоких рабочих температур. - Следовые элементы и строгий контроль P/S улучшают усталостный срок службы и уменьшают включения.
3. Микроструктура и ответ на термообработку
Типичные микроструктуры и поведение при термообработке различаются из-за баланса легирования: - 60Si2Mn (Si–Mn доминирующий): - В нормализованном состоянии: преимущественно перлитно-ферритная структура для умеренной прочности. - После закалки и отпуска: мартенситная матрица, отвержденная до желаемой твердости; уровни кремния помогают сохранить упругие свойства для применения в пружинах. - Чувствительность к толщине: умеренная; марганец обеспечивает некоторую закаливаемость, но менее эффективен, чем хром, поэтому более толстые компоненты могут показывать неполную закалку, если не отрегулированы. - 55CrSi (Cr–Si доминирующий): - В нормализованном состоянии: перлит + феррит в зависимости от охлаждения. - После закалки и отпуска: мартенсит, отвержденный; хром увеличивает закаливаемость и способствует более равномерной мартенситной трансформации в более толстых сечениях. - Стойкость к отпуску: улучшена благодаря Cr; обеспечивает лучшее сохранение прочности при повышенных температурах отпуска и улучшенную стойкость к размягчению со временем.
Маршруты обработки: - Нормализация/улучшение размера зерна: оба хорошо реагируют, но выбор температуры нормализации зависит от содержания углерода и размера сечения. - Закалка и отпуск: распространены для пружинных сталей. Среда закалки, температура аустенитизации и профиль отпуска контролируют конечную твердость и ударную вязкость. - Термомеханическая обработка (для проволоки или намотки пружин): контролируемое охлаждение и холодная обработка плюс отпуск для снятия напряжений являются стандартом.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно варьируются в зависимости от термообработки и размера сечения. Таблица ниже показывает типичные диапазоны, достижимые после типичных циклов закалки и отпуска в промышленности для пружинных и высокопрочных приложений.
| Свойство | 60Si2Mn (типичный) | 55CrSi (типичный) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | 900–1600 (в зависимости от отпуска) | 900–1700 (лучше в более толстых сечениях) |
| Предельная прочность (МПа) | 700–1400 | 700–1450 |
| Удлинение (%) | 6–18 (ниже при более высокой прочности) | 6–18 (аналогичный диапазон) |
| Ударная вязкость (Дж, Шарпи) | Низкая до умеренной при высокой твердости; улучшается с отпуском | Похожая тенденция; Cr может улучшить сохраненную вязкость при равной твердости |
| Твердость (HRC) | ~30–65 (в зависимости от отпуска) | ~30–65 (может поддерживаться в более толстых частях благодаря Cr) |
Интерпретация: - Оба сорта могут достигать очень высоких прочностей на растяжение при закалке и отпуске; различия часто зависят от применения и геометрии. - 55CrSi обычно предлагает более высокую закаливаемость и более стабильные свойства в более толстых сечениях, что делает его предпочтительным, когда требуется сквозная закалка крупных компонентов. - 60Si2Mn эффективен для проволоки, пружин малого диаметра и компонентов, где требуется очень высокая упругость и усталостная прочность при малых сечениях.
5. Свариваемость
Свариваемость в основном определяется эквивалентом углерода и закаливаемостью. Два часто используемых индекса — это эквивалент углерода IIW и Pcm (аэрокосмический/обрабатывающий индекс):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Более высокий C и более высокие значения CE/Pcm подразумевают повышенную восприимчивость к холодным трещинам и необходимость предварительного подогрева/после сварочной термообработки. - 60Si2Mn обычно имеет немного более высокий уровень кремния и сопоставимый или более высокий углерод, но меньше хрома; закаливаемость умеренная. Для мелких деталей сварка возможна при строгом контроле (предварительный подогрев, низкогидрогеновые электроды). Для высокотвердых пружинных сталей сварка обычно избегается, если не применяется локализованное отжиг и отпуск. - 55CrSi, благодаря хрому, часто имеет более высокий CE для данного содержания углерода и демонстрирует большую закаливаемость. Это делает свариваемость более сложной в более толстых сечениях, поскольку может образоваться жесткая мартенситная ЗОНА термического влияния (HAZ). Предварительный подогрев и PWHT обычно требуются; многие приложения предпочитают механическое соединение или холодную формовку вместо сварки.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 60Si2Mn, ни 55CrSi не являются нержавеющими. Стойкость к коррозии ограничена и зависит от защиты поверхности:
- Общие защиты включают оцинковку, электроосаждение, фосфатные покрытия, покраску или полимерные покрытия.
- Для пружинных приложений, где покрытия могут повлиять на характеристики, необходимо рассмотреть нержавеющие альтернативы или защитные конструктивные особенности.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) применяется к нержавеющим сплавам:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN не применим к этим не нержавеющим пружинным сталям, поскольку их уровни Cr и стратегия легирования недостаточны для обеспечения пассивной защиты от коррозии.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- Высокий углерод и высокая твердость обоих сортов в закаленном состоянии снижают обрабатываемость. Предварительная обработка на токарном станке ограничена; использование соответствующего инструмента и скоростей, а также отпуск для снижения твердости перед тяжелой обработкой является стандартом.
- 60Si2Mn может быть немного более обрабатываемым в отожженном или нормализованном состоянии из-за более низкого содержания Cr.
- Формуемость:
- Холодная формовка и намотка: оба предназначены для формирования пружин; 60Si2Mn широко используется для пружин малого диаметра благодаря высокой упругости.
- Сгибание и холодная обрезка: проводятся в отожженном состоянии; избегайте формовки при высокой твердости.
- Обработка поверхности:
- Шлифовка и дробеструйная обработка распространены для усталостных деталей; обе стали хорошо реагируют на дробеструйную обработку для улучшения усталостного срока службы.
8. Типичные применения
| 60Si2Mn (распространенные применения) | 55CrSi (распространенные применения) |
|---|---|
| Пружины с высокой упругостью (малый диаметр), пружины подвески для мелких компонентов, пружинная проволока, легкие торсионные пружины | Тяжелые пружины, листовые пружины, пружины амортизаторов, пружины подвески и вибрации большего диаметра |
| Прецизионные пружины и мелкие механические компоненты, требующие высокой упругости | Более тяжелые, толстые компоненты, где требуется сквозная закалка и прочность после отпуска |
| Высокоуглеродистая проволока и мелкие крепежные изделия в условиях высокой усталости | Компоненты, требующие превосходной закаливаемости, более высокой производительности HAZ и лучшей стойкости к отпуску |
Обоснование выбора: - Выбирайте на основе величины нагрузки, геометрии компонента (толщина сечения), требуемого усталостного срока службы и необходимости сквозной закалки. 60Si2Mn является экономически эффективным для мелких высокоупругих деталей; 55CrSi предпочтителен для крупных компонентов с высоким уровнем напряжения, где важны равномерная закалка и стойкость к отпуску.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость:
- 60Si2Mn обычно стоит меньше за килограмм, поскольку не содержит значительных добавок хрома и широко производится как пружинная сталь.
- 55CrSi немного дороже из-за содержания хрома и потенциально более строгого контроля, необходимого для пружинных приложений.
- Доступность:
- Оба сорта обычно доступны в виде прутков, проволоки и полос через поставщиков пружинной стали; местная доступность зависит от регионального производства и стандартного использования (например, 55CrSi может быть более распространен в автомобильных цепочках поставок, где требуются более толстые детали).
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 60Si2Mn | 55CrSi |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше для мелких деталей (с контролем) | Более сложная из-за более высокой закаливаемости |
| Прочность–Ударная вязкость | Высокая прочность для мелких сечений; отличная упругость | Сравнимая или более высокая прочность в более толстых частях; улучшенная стойкость к отпуску |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Заключительные рекомендации: - Выбирайте 60Si2Mn, если: - Вам нужна высокая предельная прочность и усталостная производительность в пружинах или проволоке малых сечений. - Чувствительность к стоимости и высокие объемы производства для мелких компонентов являются ключевыми. - Сквозная закалка толстых сечений не требуется, а сварка минимальна или контролируется. - Выбирайте 55CrSi, если: - Компонент имеет большие поперечные сечения или требует равномерной закалки по сечению. - Необходимы улучшенная стойкость к отпуску и лучшие сохраненные свойства после отпуска или воздействия повышенных температур. - Приложение допускает немного более высокую стоимость материала, и вы можете контролировать процедуры сварки/термообработки для безопасности.
Оба материала зарекомендовали себя как надежные в проектировании пружин и высокопрочных компонентов. Окончательный выбор должен основываться на толщине сечения, требуемом профиле отпуска, требованиях к усталости и инициированию усталостных трещин, а также на ограничениях последующей обработки, таких как сварка и отделка поверхности.