GCr15 против SUJ2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
GCr15 и SUJ2 — это два широко используемых высокоуглеродистых хромистых сталей для подшипников, указанные соответственно в китайских и японских национальных стандартах. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора между ними при спецификации роликовых элементов, прецизионных валов и износостойких компонентов — балансируя между стоимостью, удобством цепочки поставок, реакцией на термообработку и последующими операциями, такими как механическая обработка, шлифовка и отделка.
На металлургическом уровне эти марки функционально эквивалентны: обе являются высокоуглеродистыми (около 1,0% C), хромистыми сталями для подшипников, разработанными для высокой твердости, усталостной прочности и размерной стабильности после закалки и отпускания. Практические различия, определяющие выбор, поэтому не являются значительными различиями в составе, а представляют собой стандартные допуски, доступные формы продукции, системы качества поставщиков и общепринятые местные практики термообработки.
1. Стандарты и обозначения
- GCr15: обозначение китайского национального стандарта для стали подшипников, эквивалентной общим международным сталям подшипников (часто сравнивается с AISI 52100). Классифицируется как высокоуглеродистая хромистая сталь для подшипников.
- SUJ2: обозначение японского промышленного стандарта (JIS) для хромистой стали с 1% C (эквивалентной семейству AISI 52100/5210). Также классифицируется как высокоуглеродистая хромистая сталь для подшипников.
- Связанные/глобальные стандарты и перекрестные ссылки, которые обычно консультируются:
- AISI/ASTM: AISI 52100 (обычно используемая перекрестная ссылка)
- EN: 100Cr6 (европейская сталь для подшипников, аналогичная по химическому составу и применению)
- GB: китайские стандарты GB/T для сталей подшипников (GCr15)
- JIS: SUJ2 по JIS G4805 (сталь для подшипников)
- Классификация материала: обе являются высокоуглеродистыми хромистыми сталями для подшипников (не нержавеющие, не микро легированные HSLA, не инструментальные стали в смысле режущих инструментов).
2. Химический состав и стратегия легирования
- Следующая таблица суммирует типичные диапазоны состава, указанные национальными стандартами. Указанные значения являются типичными стандартными диапазонами; сертификаты испытаний поставщиков должны быть проверены для точного состава партии.
| Элемент | Типичный GCr15 (в%) | Типичный SUJ2 (в%) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.025 – 0.035 (макс) | ≤ 0.035 (макс) |
| S | ≤ 0.025 – 0.035 (макс) | ≤ 0.035 (макс) |
| Cr | 1.30 – 1.65 | 1.30 – 1.65 |
| Ni | Не добавляется намеренно / ≤ 0.25 (следы) | Не добавляется намеренно / ≤ 0.25 (следы) |
| Mo | Не добавляется намеренно / следы | Не добавляется намеренно / следы |
| V, Nb, Ti, B, N | Не указано / только следы | Не указано / только следы |
Объяснение стратегии легирования: - Углерод (C ~1%): обеспечивает высокую закаливаемость и образование мартенсита; основной источник твердости подшипников и износостойкости после закалки/отпуска. - Хром (Cr ~1.3–1.65%): увеличивает закаливаемость, способствует вторичному упрочнению и износостойкости, а также улучшает карбиды (лучшие характеристики усталостной прочности при качении). - Кремний и марганец: деоксидаторы и незначительные источники прочности/закаливаемости. - Низкое содержание фосфора и серы: минимизирует включения, которые снижают усталостный срок службы и целостность поверхности. - Эти марки намеренно имеют низкое содержание легирующих элементов, кроме Cr; они разработаны для получения желаемых свойств подшипников за счет точной термообработки, а не чрезмерного легирования.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры и реакции на обработку: - В отожженном состоянии: перлит или сфероидизированный карбид в ферритной матрице (в зависимости от рецепта отжига). Сфероидизация улучшает обрабатываемость для предварительной отделки. - После закалки (аустенизация и закалка): преимущественно мартенситная матрица с дисперсными хромистыми карбидами. Высокое содержание углерода и умеренное содержание хрома образуют мартенситную микроструктуру с мелкими карбидами, подходящими для усталостной прочности при качении. - Отпуск: снижает хрупкость, улучшает прочность и стабилизирует остаточный аустенит. Конечная твердость и прочность контролируются температурой и временем отпуска.
Эффекты общих маршрутов обработки: - Нормализация: улучшает размер зерна, полезна как предварительная обработка перед финальной термообработкой для крупных кованых изделий. - Закалка и отпуск: основной маршрут для компонентов подшипников. Аустенизация обычно в диапазоне, подходящем для сталей с 1.0% C–1.6% Cr (производитель и стандарт указывают точные температуры), масло или соляная закалка обычно используются для избежания чрезмерной деформации. - Термомеханическая обработка: контролируемая ковка и прокат могут улучшить морфологию включений и направленность, что увеличивает срок службы при усталости; однако химический состав для этих марок не изменяется значительно.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от состояния термообработки. Таблица ниже дает представительные диапазоны свойств для отожженного и закаленного/отпущенного состояний; используйте сертифицированные данные термообработки поставщика для проектирования.
| Состояние | Условная прочность (приблизительно) | Предельная прочность (приблизительно) | Удлинение (приблизительно) | Ударная вязкость (качественно) | Твердость |
|---|---|---|---|---|---|
| Отожженное / сфероидизированное | 700 – 900 МПа | 500 – 700 МПа | 8 – 15% | Умеренная | ~180 – 240 HB (приблизительно 15–25 HRC) |
| Закаленное и отпущенное (отделка подшипника, высокая твердость) | 1400 – 2100 МПа (варьируется в зависимости от отпуска) | Чувствительно к надрезам; высокая | 1 – 8% | Ниже, чем у отожженного; контролируется отпуском | 58 – 66 HRC (типично для роликовых элементов) |
Интерпретация: - Прочность: В закаленном и отпущенном состоянии обе марки развивают очень высокую прочность на растяжение благодаря мартенситной матрице; прочность в первую очередь зависит от углерода и параметров отпуска, а не от небольших различий между двумя марками. - Устойчивость и пластичность: компромисс с твердостью — более высокая температура отпуска увеличивает устойчивость и пластичность, но снижает твердость и износостойкость. Применения подшипников нацелены на баланс: высокая твердость для износа и усталости при качении и достаточная остаточная прочность. - Между GCr15 и SUJ2: нет систематического преимущества в прочности или устойчивости — различия определяются точными спецификациями термообработки и контролем качества.
5. Сварка
Высокое содержание углерода (~1.0%) и хрома делает эти стали плохо свариваемыми по сравнению с низкоуглеродистыми сталями. Соответствующие соображения: - Высокое содержание C и умеренное содержание Cr увеличивают закаливаемость и предрасположенность к образованию мартенсита в зоне термического влияния (HAZ), что повышает риск холодной трещинообразования. - Использование предварительного подогрева, контролируемой температуры межпрохода и термообработки после сварки (PWHT) обычно требуется для сварных сборок, чтобы избежать хрупких микроструктур HAZ. - Формулы, которые обычно используются для качественной оценки свариваемости: - Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более консервативный Pcm для оценки предрасположенности к холодному трещинообразованию: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Интерпретация: Обе марки производят относительно высокие углеродные эквиваленты (определяемые содержанием близким к 1% C и Cr), поэтому они обозначаются как "трудносвариваемые" без специальных процедур. Для большинства применений подшипников сварка избегается; предпочтительнее механическая обработка и механическая сборка.
6. Коррозия и защита поверхности
- Это не нержавеющие стали. Хром при ~1.3–1.65% обеспечивает лишь незначительное улучшение коррозионной стойкости по сравнению с обычными углеродистыми сталями, но не придает пассивности.
- Стандартные стратегии защиты для рабочих сред:
- Покрытия: горячее цинкование (где геометрия позволяет), гальванизация или конверсионные покрытия.
- Краски и полимерные покрытия для атмосферного воздействия.
- Смазка и масляное покрытие для поверхностей подшипников, чтобы ограничить контактную коррозию.
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию ямок) является индексом нержавеющей стали и не применим к GCr15 или SUJ2, поскольку их содержание Cr значительно ниже уровней нержавеющей стали. Для справки, PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ но это не имеет смысла для этих не нержавеющих сталей для подшипников.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: В отожженном/сфероидизированном состоянии обе марки обрабатываются достаточно хорошо. Когда они закалены, их трудно обрабатывать, и обычно они шлифуются или суперфинишируются, а не обрабатываются на токарном или фрезерном станке.
- Шлифовка и отделка: Прецизионная шлифовка и полировка являются стандартом для окончательных размеров и отделки поверхности в компонентах подшипников. Для закаленных состояний требуются алмазные шлифовальные круги и подходящие охлаждающие жидкости.
- Формуемость: Низкая пластичность в закаленном состоянии; формование должно проводиться в отожженном состоянии.
- Деформация при термообработке: высокое содержание углерода и закалка приводят к значительному риску деформации; используются аккуратные приспособления, выбор закалки (масло, полимер) и циклы отпуска для минимизации изменения размеров.
- Обработка поверхности: индукционная закалка иногда используется для локальной закалки валов, оставляя подшипниковые участки в желаемом состоянии.
8. Типичные применения
| GCr15 (распространенные применения) | SUJ2 (распространенные применения) |
|---|---|
| Подшипники роликовых элементов: шарики, ролики | Подшипники роликовых элементов: шарики, ролики |
| Прецизионные валы и шпиндели | Прецизионные валы и шпиндели |
| Кольца и корпуса подшипников | Кольца и корпуса подшипников |
| Износостойкие компоненты, такие как кулачки, штифты и инструменты (где требуется высокая твердость) | Износостойкие компоненты, такие как кулачки, штифты и детали инструментов |
| Автомобильные детали: компоненты трансмиссии, рулевое управление | Автомобильные и промышленные детали подшипников по спецификации JIS |
Обоснование выбора: - Обе марки выбираются, когда высокая твердость, износостойкость и срок службы при усталости при качении критически важны. Выбор между ними обычно определяется требуемым стандартом спецификации (GB против JIS), квалификацией поставщика и доступностью местных запасов, а не металлургическим превосходством.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Обе марки являются товарными сталями для подшипников и обычно имеют умеренную стоимость. Различия в цене обычно определяются местными поставками, логистикой и затратами на сертификацию, а не составом сырья.
- Доступность:
- GCr15 обычно имеется в наличии в Китае и на многих азиатских рынках; SUJ2 распространен в Японии и на рынках, которые закупают материалы по спецификации JIS. Международные дистрибьюторы часто поставляют эквиваленты (AISI 52100, EN 100Cr6), которые соответствуют требованиям клиентов.
- Формы продукции: прутки, кольца, кованые заготовки, проволока и готовые роликовые элементы. Сроки поставки и доступные допуски варьируются в зависимости от производителя.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественно)
| Атрибут | GCr15 | SUJ2 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Плохая — требует предварительного подогрева/PWHT | Плохая — требует предварительного подогрева/PWHT |
| Прочность–Устойчивость (после термообработки) | Высокая прочность, адаптированная устойчивость через отпуск | Высокая прочность, адаптированная устойчивость через отпуск |
| Стоимость и доступность | Как правило, более низкая стоимость/короткий срок в Китае; широко доступна | Широко доступна в цепочках поставок JIS; может быть предпочтительнее, где требуется спецификация JIS |
Рекомендации: - Выберите GCr15, если: ваша цепочка поставок и контроль качества организованы вокруг китайских стандартов, вам требуется экономически эффективное снабжение в регионах, где GCr15 обычно имеется в наличии, или ваши чертежи/сертификаты указывают на материал GB/T. - Выберите SUJ2, если: ваши закупки или клиенты требуют обозначений материалов JIS, вы работаете в цепочке поставок, ориентированной на японские стандарты, или существующая документация по квалификации/сертификации указывает на SUJ2.
Заключительная практическая заметка: GCr15 и SUJ2 металлургически эквивалентны для большинства применений подшипников. Критическими факторами для производительности являются детализированный график термообработки, контроль включений и морфологии карбидов, прецизионная шлифовка/отделка, а также соответствующая защита поверхности и смазка. Всегда проверяйте сертификаты завода, карты твердости и документацию по контролю процессов для партии, которую вы покупаете, а не полагайтесь исключительно на номинальное название марки.