GCr15 против AISI52100 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
GCr15 и AISI 52100 — это две широко используемые высокоуглеродистые хромовые стали для подшипников, встречающиеся в производстве подшипников, роликовых элементов и прецизионных компонентов. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто должны выбирать между ними при спецификации сырья для колец, роликов, валов или инструментальных компонентов. Типичные дилеммы выбора включают балансировку износостойкости и прочности, соответствие региональным стандартам и требованиям отслеживаемости, а также компромисс между стоимостью и местной доступностью по сравнению с точным контролем химического состава/термической обработки.
На техническом уровне основное различие между ними заключается в их обозначении и соответствующей национальной/спецификационной структуре: GCr15 — это общее китайское (GB) обозначение для высокоуглеродистой хромовой стали для подшипников, в то время как AISI 52100 — это американское/международное обозначение для очень похожей химии и класса продукции. Их часто сравнивают, потому что их химические составы, микроструктуры и применения сильно пересекаются; однако требования к закупкам и соблюдению норм (сертификаты завода, допуски, процедуры термической обработки) могут быть решающими.
1. Стандарты и обозначения
Основные стандарты и эквивалентные названия, с которыми вы столкнетесь: - AISI/SAE: AISI 52100 / SAE 52100 — распространены в США и международной торговле. - GB/T: GCr15 — китайское национальное обозначение для стали подшипников (часто используется взаимозаменяемо с 52100 в китайских цепочках поставок). - EN: 100Cr6 — европейское обозначение, эквивалентное по химии и назначению. - JIS: SUJ2 — японская сталь для подшипников эквивалент. - ASTM/ASME: различные спецификации ASTM ссылаются на стали для подшипников для колец/роликов; спецификации форм продукта различаются.
Классификация: как GCr15, так и AISI 52100 являются высокоуглеродистыми хромовыми сталями для подшипников (не нержавеющими). Они относятся к категории углеродных легированных сталей для подшипников / инструментальных высокоуглеродистых сталей, а не к конструкционным углеродным сталям, нержавеющим или HSLA маркам.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | GCr15 (типичный диапазон) | AISI 52100 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 мас% | 0.98 – 1.10 мас% |
| Mn | 0.25 – 0.45 мас% | 0.25 – 0.45 мас% |
| Si | 0.15 – 0.35 мас% | 0.15 – 0.35 мас% |
| P | ≤ 0.035 мас% (макс) | ≤ 0.03 мас% (макс) |
| S | ≤ 0.035 мас% (макс) | ≤ 0.03 мас% (макс) |
| Cr | 1.30 – 1.65 мас% | 1.30 – 1.60 мас% |
| Ni | ≤ 0.25 мас% | ≤ 0.25 мас% |
| Mo | ≤ 0.08 мас% | ≤ 0.08 мас% |
| V | – следы (≤ ~0.03 мас%) | – следы (≤ ~0.03 мас%) |
| Nb, Ti, B, N | обычно только следы или не указаны | обычно только следы или не указаны |
Примечания: - Точные пределы состава зависят от конкретного стандарта или спецификации завода; указанные диапазоны отражают типичную коммерческую практику. - Стратегия легирования сосредоточена на высоком углероде (~1%) для мартенситной твердости и образования карбидов, и ~1.3–1.6% Cr для улучшения закаливаемости и износостойкости при сохранении обрабатываемости. Mn и Si присутствуют для регулирования закаливаемости и декарбонизации. Сера и фосфор поддерживаются на низком уровне для прочности и усталостной стойкости.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной фактор, определяющий достижимую твердость и износостойкость за счет содержания мартенсита и карбидов; увеличивает закаливаемость, но снижает свариваемость и пластичность. - Хром: улучшает закаливаемость, износостойкость и снижает хрупкость при отпуске; также способствует стабильности карбидов. - Марганец и кремний: поддерживают закаливаемость и прочность; избыток Mn может привести к хрупкости, если не контролировать. - Следовые элементы (V, Mo), когда присутствуют в небольших количествах, способствуют образованию мелких карбидов и вторичному упрочнению, но обычно минимальны в этих марках.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
Типичные микроструктуры: - Отожженное/мягко отожженное состояние: сфероидизированные карбиды, распределенные в основном в ферритной матрице для улучшенной обрабатываемости и формуемости. - Нормализованное: более тонкая перлитно-ферритная структура в зависимости от скорости охлаждения; используется для размерной стабильности и как базовая линия для дальнейшей термической обработки. - Закаленное и отпущенное: преимущественно отпущенный мартенсит с распределенными хромовыми карбидами; степень отпуска контролирует баланс твердости и прочности.
Реакция на ключевые термические процессы: - Мягкое отжиг (критично для обработки): нагрев до чуть выше A1 (например, ~680–720°C в зависимости от состава), выдержка для сфероидизации карбидов, медленное охлаждение для получения пластичной структуры для обработки. - Закалка: закалка в масле или воздухе после аустенитизации при температурах, как правило, в диапазоне 760–820°C (в зависимости от размера сечения и спецификации) для формирования мартенсита. Высокий углерод и умеренный Cr обеспечивают хорошую закаливаемость, но чувствительность сечения остается. - Отпуск: кратковременный отпуск в диапазоне 150–300°C дает высокую твердость и износостойкость; более высокие температуры отпуска снижают твердость и улучшают прочность. Применения подшипников часто подвергаются отпуску для достижения желаемой твердости (например, средне-высокий HRC). - Термомеханическая обработка (редко для готовых подшипниковых колец): ковка + контролируемое охлаждение уточняют размер зерна и могут улучшить усталостный срок службы.
4. Механические свойства
| Свойство | Типичное отожженное | Типичное закаленное и отпущенное | Сравнительное сравнение (GCr15 против AISI 52100) |
|---|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Умеренная — зависит от отжига; ниже, чем в закаленном состоянии | Высокая — зависит от уровня отпуска; предназначена для высоких контактных напряжений | Обе марки по сути эквивалентны при одинаковой термической обработке; производительность контролируется термической обработкой |
| Устойчивость к текучести | Умеренная (отожженная) | Высокая после закалки и низкотемпературного отпуска | Эквивалентно для эквивалентных обработок |
| Удлинение (пластичность) | Относительно выше в отожженном состоянии (лучшая обрабатываемость) | Сильно снижается при высокой твердости | Эквивалентное поведение; высокий углерод снижает пластичность после закалки |
| Ударная прочность | Умеренная в отожженном состоянии; снижается при очень высокой твердости | Ниже при высокой твердости; улучшается при более высоком отпуске | Похожие для обеих; небольшие различия связаны с контролем примесей и микроаллоидированием |
| Твердость (типичные диапазоны) | Отожженная: ~180–240 HB (примерно ~20 HRC) | Закаленная/отпущенная: обычно 55–66 HRC для подшипниковых приложений (диапазон зависит от отпуска) | Обе могут быть обработаны до идентичных диапазонов твердости; конечное свойство зависит от точной термической обработки |
Интерпретация: - Обе марки настроены на высокую твердость и износостойкость после закалки и отпуска; ни одна из них не является по своей химии изначально сильнее другой. Различия в прочности на растяжение, текучести, прочности и сроке службы при усталости между поставщиками или партиями обычно обусловлены уровнями примесей, контролем включений, точным соотношением Cr/C и циклом термической обработки, а не номинальным обозначением.
5. Свариваемость
Высокий углерод (~1%), в сочетании с умеренным Cr, делает как GCr15, так и AISI 52100 плохими кандидатами для обычной сварки без строгих мер предосторожности: - Высокий углерод увеличивает риск образования мартенсита в зоне термического влияния и связанного с этим холодного растрескивания. - Закаливаемость от Cr и C означает узкое окно свариваемости, требующее предварительного нагрева и термической обработки после сварки (PWHT) для снятия напряжений и отпуска мартенсита. Полезные формулы эквивалента углерода для оценки потребностей в предварительном нагреве/PWHT включают: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ и $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Интерпретация: - Обе марки дают относительно высокие эквиваленты углерода; следовательно, предварительный нагрев для снижения скорости охлаждения и PWHT (отпуск) обычно требуются. Для критически важных компонентов сварка избегается; компоненты обрабатываются из заготовок и соединяются механическими сборками, когда это возможно.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни GCr15, ни AISI 52100 не являются нержавеющими. Коррозионная стойкость ограничена, и условия применения, которые подвергают компоненты воздействию влаги, соли или химической атаки, требуют защиты поверхности.
- Типичные защиты: контролируемая смазка, фосфатирование, покраска, гальванизация или горячее цинкование (компоненты подшипников часто используют масляные пленки или специализированные покрытия, чтобы избежать вмешательства в контакт при прокатке).
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию ямок) не применим к не нержавеющим сталям для подшипников; для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс применяется только к нержавеющим маркам и, следовательно, не имеет смысла для 52100/GCr15.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: лучше всего в мягко отожженном состоянии (сфероидизированные карбиды). В отожженном состоянии эти стали достаточно обрабатываемы; срок службы режущего инструмента и подача должны быть скорректированы для высокого содержания углерода и присутствия карбидов. В закаленных состояниях обработка затруднена; предпочтительны шлифование и жесткое точение.
- Формуемость: ограничена из-за высокого содержания углерода; холодная формовка ограничена, и необходимо учитывать пружинный эффект. Прецизионная ковка с последующим контролируемым охлаждением распространена для колец и роликов.
- Шлифование и отделка: высокая твердость после термической обработки требует прецизионного шлифования; качество поверхности, контроль остаточных напряжений и микроструктура на экстремальной поверхности определяют срок службы при усталости в прокатных приложениях.
8. Типичные применения
| GCr15 (распространенные применения) | AISI 52100 (распространенные применения) |
|---|---|
| Подшипниковые кольца, шарики, ролики (автомобильные, промышленные) | Компоненты подшипников (глубокие канавки, роликовые, прецизионные подшипники) |
| Валы и шпиндели для вращающегося оборудования | Элементы износа с высоким контактом в сборках шестерен и подшипников |
| Прецизионные холоднообработанные компоненты, где предпочтительно местное снабжение | Высокопрецизионные роликовые элементы и дорожки подшипников, специфицированные по международным стандартам |
| Некоторые инструменты и небольшие штампы, где требуется высокая твердость/износостойкость | Аналогичные применения инструментов и где требуется отслеживаемость AISI/ASTM |
Обоснование выбора: - Выбирайте эти стали для высокой усталостной прочности и износостойкости при нагрузках от прокатки или скольжения. Если коррозионная среда или ударная прочность имеют высокие требования, рассмотрите альтернативные стали или специализированные обработки поверхности.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: зависит от региона. GCr15 (обозначение GB) обычно производится и хранится в Китае и близлежащих рынках и может быть более экономичным при местных закупках. AISI 52100 — это международное/обозначение AISI и часто хранится глобальными заводами и дистрибьюторами; ценовое равенство зависит от цепочки поставок, формы (брус, кольцо, слиток) и сертификации.
- Доступность: обе марки широко доступны в виде брусков, колец и ковок. Типичные различия в сроках поставки возникают из-за местных запасов заводов, необходимых сертификатов (отчеты о испытаниях на заводе, отслеживаемость) и формы продукта. Спецификация желаемого стандарта (GB против AISI против EN) и формы поставки на раннем этапе закупок снижает риск.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | GCr15 | AISI 52100 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Плохая (требует предварительного нагрева/PWHT) | Плохая (требует предварительного нагрева/PWHT) |
| Прочность – прочность (достижимая) | Высокая твердость и износостойкость; прочность зависит от отпуска | Эквивалентные достижимые свойства при идентичной термической обработке |
| Стоимость и региональная доступность | Часто более экономично в Китае/Азии; широко хранится внутри страны | Широко хранится на международном уровне; предпочтительно, когда требуется спецификация AISI/ASTM |
Выводы и практическое руководство: - Выбирайте AISI 52100, если ваши закупки, контракт или международная спецификация требуют обозначения AISI/SAE или если вам нужна сертификация завода по этим стандартам. Используйте это, когда требуется совместимость с международными стандартами подшипников или устаревшими обозначениями. - Выбирайте GCr15, если вы закупаете в Китае или регионах, где стандарты GB являются нормой, и вам требуется экономически эффективное местное снабжение, при условии, что химия и сертификаты завода соответствуют вашим требованиям по производительности и отслеживаемости.
Заключительная заметка: с точки зрения металлургии и эксплуатационных свойств две марки по сути эквивалентны, когда они соответствуют точной химии и подвергаются одинаковой контролируемой термической обработке. Критическими факторами для успешного применения являются контроль термической обработки, управление включениями и примесями, качество поверхности и соответствующая защита от коррозии — а не только обозначение.