GCr18 против GCr18Mo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

GCr18 и GCr18Mo — это высокоуглеродистые хромовые подшипниковые/сплавные стали, широко используемые для роликовых элементов, валов и износостойких деталей. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно взвешивают компромиссы между сроком службы при усталостных нагрузках, износостойкостью, закаливаемостью, свариваемостью и стоимостью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают выбор марки для глубокосеченных подшипников, проектирование компонентов, которые требуют сквозной закалки по сравнению с поверхностной закалкой, или выбор материала, который можно надежно производить в больших сечениях.

Основное металлургическое отличие заключается в преднамеренном добавлении молибдена в GCr18Mo для увеличения закаливаемости и улучшения износостойкости и стойкости к отпуску по сравнению с обычным GCr18. Из-за этого обе марки сравниваются в проектировании и производстве, где критически важны размеры сечений, реакция на термообработку и эксплуатационный износ.

1. Стандарты и обозначения

• Общие национальные и международные эквиваленты и стандарты:
• GB (Китай): GCr18, GCr18Mo (китайская национальная номенклатура для подшипниковых/сплавных сталей).
• EN (Европа): Тесно связаны с 100Cr6 / 1.3505 (для GCr18); вариант с содержанием Mo может быть указан под модифицированными марками 1.3505 или конкретными обозначениями EN.
• AISI/SAE: 52100 / SAE 52100 схожи с GCr15/100Cr6; GCr18 часто сравнивают с этими подшипниковыми сталями по химическому составу и применению, но точное соответствие зависит от пределов.
• JIS (Япония): Похожие подшипниковые стали встречаются в JIS, но прямое сопоставление обозначений требует проверки таблиц состава.
• Классификация:
• Обе марки GCr18 и GCr18Mo являются высокоуглеродистыми, хромосодержащими сплавными сталями, которые обычно используются как подшипниковые/инструментальные/износостойкие стали, а не как нержавеющие или HSLA конструкционные стали.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица ниже показывает типичные диапазоны элементов для представительных формул GCr18 и GCr18Mo. Точные пределы варьируются в зависимости от стандарта, производителя и спецификации термообработки; пользователи должны обращаться к сертификату завода или применимому стандарту для закупок.

Элемент	Типичный GCr18 (в.% )	Типичный GCr18Mo (в.% )
C	0.95 – 1.05	0.95 – 1.05
Mn	0.20 – 0.40	0.20 – 0.40
Si	0.10 – 0.40	0.10 – 0.40
P	≤ 0.025	≤ 0.025
S	≤ 0.025	≤ 0.025
Cr	1.30 – 1.70	1.30 – 1.70
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	≤ 0.03	0.10 – 0.30
V	≤ 0.03	≤ 0.03
Nb/Ti/B/N	Код/следовые уровни	Код/следовые уровни

Примечания: - Углерод высок, чтобы обеспечить высокую твердость и износостойкость после закалки и отпуска. - Хром обеспечивает закаливаемость, износостойкость и образование карбидов. - Молибден в GCr18Mo добавляется в небольших количествах для увеличения закаливаемости и стойкости к отпуску; он также улучшает реакцию на отпуск и снижает риск хрупких микроструктур после закалки в больших сечениях. - Небольшие элементы (V, Nb, Ti) обычно присутствуют только в следовых количествах или как преднамеренное микроалюминирование в зависимости от практики поставщика.

Как легирование влияет на свойства: - C и Cr контролируют достижимую твердость и структуру карбидов — более высокий C увеличивает твердость, но снижает свариваемость. - Cr на уровне 1.3–1.7% способствует вторичной закалке и износостойкости, но не делает сталь нержавеющей. - Mo увеличивает закаливаемость, повышает стойкость к отпуску (сохраняет твердость при более высоких температурах отпуска) и может улучшить срок службы при усталостных нагрузках в условиях качения. - Mn и Si являются деоксидантами и умеренно способствуют закаливаемости и прочности.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры и влияние обработки:

• В состоянии прокатки/нормализации:

• Обе марки имеют перлитную или сфероидизированную карбидную матрицу в зависимости от практики отжига. Нормализационные/рафинирующие циклы производят мелкий перлит и сохраненные карбиды, подходящие для последующей закалки и отпуска.

• Закалка и отпуск:

• Типичная закалка: аустенизация (например, 780–840°C, в зависимости от сечения и спецификации), затем масло/закалка или воздух/закалка для конкретных геометрий. Последующий отпуск производит отпущенный мартенсит с дисперсными хромовыми карбидами.
• GCr18: достигает высокой твердости и мелкого распределения карбидов в меньших сечениях; в больших сечениях она более подвержена неполной трансформации (мягкое ядро) и более высокому риску трещин при закалке, если не контролировать процесс.

• GCr18Mo: Mo повышает закаливаемость, способствуя более сквозной мартенситной структуре в больших сечениях. Mo также изменяет стойкость к отпуску, поэтому отпущенная твердость лучше сохраняется при более высоких температурах отпуска.

• Термо-механическая обработка:

• Термо-механическая контролируемая обработка и горячая прокатка влияют на размер зерен аустенита. Более мелкие зерна аустенита улучшают ударную вязкость и снижают требуемые температуры аустенизации; Mo помогает сохранить ударную вязкость в более грубых сечениях, улучшая закаливаемость.

В заключение, контроль микроструктуры для обеих марок сосредоточен на достижении мартенситной матрицы с дисперсными хромовыми карбидами; GCr18Mo более прощает для больших сечений и более высоких температур отпуска.

4. Механические свойства

Механические свойства сильно зависят от точной термообработки. Таблица ниже дает типичные диапазоны после закалки и отпуска, используемые для подшипниковых/износостойких приложений; рассматривайте их как репрезентативные, а не гарантированные значения.

Свойство	Типичный GCr18 (закаленный и отпущенный)	Типичный GCr18Mo (закаленный и отпущенный)
Устойчивость к растяжению (МПа)	900 – 1800 (зависит от термообработки)	900 – 1900 (выше в сквозно закаленных сечениях)
Предел текучести (МПа)	600 – 1600	600 – 1650
Удлинение (%)	4 – 12 (ниже при более высокой твердости)	4 – 12
Ударная вязкость (Дж, Шарпи)	Ниже при очень высокой твердости; улучшается с отпуском	В целом аналогично или немного улучшено в больших сечениях благодаря лучшей сквозной закалке
Твердость (HRC)	58 – 66 (диапазон твердости подшипников)	58 – 66 (лучше сохраняется после отпуска в марках с Mo)

Интерпретация: - Пиковая твердость и прочность на растяжение в первую очередь контролируются углеродом и термообработкой. Обе марки достигают аналогичной пиковой твердости в мелких компонентах. - GCr18Mo предлагает улучшенную закаливаемость, поэтому в больших частях она может достичь более высокой твердости ядра и прочности по сравнению с обычным GCr18, обработанным идентично. - Различия в ударной вязкости зависят от применения и обработки; Mo может улучшить ударную вязкость в более тяжелых сечениях, обеспечивая более равномерный мартенситный ответ и стабильность микроструктуры при отпуске.

5. Свариваемость

Свариваемость высокоуглеродистых, высокотвердых сталей требует тщательного контроля из-за высокого эквивалента углерода и тенденции к образованию жесткого, хрупкого мартенсита в зоне термического влияния (HAZ).

Общие индексы свариваемости, используемые качественно: - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Обе марки GCr18 и GCr18Mo имеют высокий углерод; их значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ будут достаточно высокими, чтобы требовать предварительного нагрева, контролируемой температуры межпрохода и постсварочной термообработки для критических приложений. - Наличие Mo немного увеличивает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$; другими словами, GCr18Mo немного более подвержен закалке HAZ и риску трещин, чем GCr18, когда сварка выполняется без предосторожностей. - Для небольших ремонтов или некритичных соединений используйте подходящие сварочные металлы, предварительно нагревайте, чтобы уменьшить скорость охлаждения, и выполняйте PWHT (постсварочную термообработку) для отпуска мартенсита в HAZ. - В тех случаях, когда сварка должна быть минимизирована или исключена, предпочтительнее механическое соединение или механическая обработка для сборочных зазоров.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни GCr18, ни GCr18Mo не являются нержавеющими сталями; их содержание хрома недостаточно для обеспечения пассивации в водных средах.
• Типичные стратегии защиты поверхности:
• Защитные покрытия: покраска, гальванизация (цинк, никель) или фосфатные покрытия.
• Гальванизация является вариантом для определенных формованных или конструкционных компонентов, хотя термообработка после гальванизации не является типичной.
• Смазка и проектирование для дренажа являются обычными для качающихся контактов, чтобы уменьшить износ, вызванный коррозией.
• PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию коррозионных ям) не применим к этим не нержавеющим подшипниковым сталям, поскольку PREN используется для оценки коррозионной стойкости нержавеющих сталей: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Используйте коррозионно-стойкие сплавы (нержавеющие подшипниковые стали), когда служба требует как коррозионной стойкости, так и износостойкости/усталостной прочности.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• Высокое содержание углерода и высокая твердость означают, что обе марки труднее обрабатывать в закаленном состоянии. Для обработки используются отожженные или сфероидизированные условия, чтобы улучшить срок службы инструмента.
• GCr18Mo в отпущенном/закаленном состоянии может быть немного труднее обрабатывать из-за эффектов упрочнения Mo, но различия незначительны для условий предварительной обработки.
• Холодная формовка и гибка:
• Не благоприятны в закаленном состоянии; формовка выполняется в более мягком отожженном состоянии.
• Высокое содержание углерода ограничивает глубокую вытяжку или обширную формовку без трещин.
• Шлифовка и отделка:
• Обе марки хорошо реагируют на прецизионную шлифовку после закалки. Распределение карбидов и сохраненный аустенит могут влиять на поведение при шлифовке и окончательную размерную стабильность.
• Соображения по термообработке:
• Сфероидизирующий отжиг для обработки: снижает резательные силы и предотвращает скалывание кромок.
• Контролируемые закаливающие среды, графики отпуска и снятие напряжений критически важны для минимизации деформации.

8. Типичные применения

GCr18 (типичные применения)	GCr18Mo (типичные применения)
Прецизионные роликовые подшипники и шарики (малые и средние размеры)	Подшипники и валы, где большие сечения требуют сквозной закалки
Подшипниковые кольца, ролики и дорожки, используемые в прецизионной технике	Ролики тяжелого сечения, большие подшипниковые кольца и компоненты, подверженные тяжелым усталостным нагрузкам при качении
Износостойкие детали в компонентах малых и средних размеров, где важна стоимость	Износостойкие компоненты и валы, где улучшенная стойкость к отпуску и закаливаемость увеличивают срок службы
Инструментальные компоненты, требующие высокой поверхностной твердости (в мелких деталях)	Компоненты, работающие при повышенных температурах или требующие лучшего сохранения твердости после отпуска

Обоснование выбора: - Выбирайте GCr18 для подшипников и износостойких деталей малых и средних сечений, где стандартная закалка и отпуск достигают необходимой твердости и срока службы при усталостных нагрузках экономически.

- Выбирайте GCr18Mo, когда размер сечения, ожидаемые рабочие нагрузки или более высокие температуры отпуска требуют улучшенной сквозной закалки, более высокой сохраненной твердости после отпуска или немного лучшего срока службы при усталостных нагрузках, которые обеспечивает молибден.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость:
• GCr18 обычно дешевле, чем GCr18Mo из-за отсутствия молибдена, более дорогого легирующего элемента.
• Дополнительные затраты на GCr18Mo оправданы, когда закаливаемость, снижение отходов или прирост производительности обеспечивают экономию в жизненном цикле.
• Доступность:
• Обе марки обычно доступны в формах подшипниковой стали (брусья, кольца, листы и кованые заготовки) через специализированных поставщиков стали.
• Сроки поставки могут быть немного длиннее для вариантов с содержанием Mo с жесткими допусками или для конкретных термообработок; указывайте сертификаты завода и термообработки при заказе.

10. Резюме и рекомендации

Атрибут	GCr18	GCr18Mo
Свариваемость	Плохая до ограниченной (требует предварительного нагрева/PWHT)	Немного хуже (выше закаливаемость)
Баланс прочности и ударной вязкости	Высокая твердость достижима; ударная вязкость зависит от сечения/Т.О.	Похожая или улучшенная в тяжелых сечениях благодаря лучшей сквозной закалке
Стоимость	Ниже	Выше (из-за Mo)

Рекомендация: - Выбирайте GCr18, если вам нужна экономически эффективная подшипниковая/износостойкая сталь для малых и средних сечений, где стандартные закалка и отпуск достигают необходимой твердости и срока службы при усталостных нагрузках. - Выбирайте GCr18Mo, если ваши компоненты имеют большие сечения, требуют более равномерной закалки по всему сечению, нуждаются в улучшенной стойкости к отпуску или выиграют от умеренных улучшений в износостойкости и сроке службы при усталостных нагрузках, которые обеспечивает молибден.

Заключительные практические заметки: - Всегда указывайте точные химические пределы, графики термообработки и приемочные испытания (твердость, микроструктура, неразрушающее испытание) в заказах на покупку. - Для сварных сборок или критически важных компонентов на усталость привлекайте металлургических инженеров по процессам на ранних стадиях, чтобы определить предварительный нагрев, температуры межпрохода и необходимую PWHT, чтобы избежать хрупкости HAZ и отказов в эксплуатации.