GCr9 против GCr15 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Стали GCr9 и GCr15 — это две часто используемые хромистые углеродистые стали, применяемые в компонентах с контактным качением, прецизионных валах и некоторых инструментах. Инженерам, менеджерам по закупкам и планировщикам производства часто приходится выбирать между более дешёвым и более пластичным сортом, облегчающим обработку, и сортом с более высоким содержанием углерода и твёрдостью, обеспечивающим повышенную износостойкость и грузоподъёмность. Типичные ситуации выбора включают проектирование подшипников и валов, спецификацию изнашиваемых деталей и компромиссы между сроком службы в эксплуатации и сложностью изготовления.

Основное различие между этими двумя марками заключается в уровне содержания углерода и хрома: одна марка содержит больше углерода и хрома для повышения закаливаемости и износостойкости, другая — сравнительно меньше для улучшения вязкости и облегчения обработки. Поскольку обе часто используются для схожих видов деталей, прямое сравнение химического состава, реакции на термообработку, механических свойств, свариваемости и стоимости необходимо для правильного выбора материала.

1. Стандарты и обозначения

• Распространённые стандарты и соответствия:
• GB (Китай): GCr9, GCr15 (национальные китайские стандарты, часто используемые в промышленности)
• JIS (Япония): аналогичные подшипниковые стали часто регламентируются стандартами JIS (например, серия SUJ), но прямое однозначное соответствие требует проверки
• ISO / EN: подшипниковые стали часто указываются как 100Cr6 (EN), что приблизительно соответствует GCr15 / AISI 52100 по химии и свойствам
• ASTM/ASME: эквивалентные материалы обычно обозначаются через SAE/AISI номера (например, AISI 52100), а не через терминологию GCr
• Классификация материалов:
• Обе марки GCr9 и GCr15 — высокоуглеродистые хромистые углеродистые стали, широко используемые для подшипниковых и износостойких деталей. Они не являются нержавеющими или высокопрочными низколегированными сталями, а легированы хромом для улучшения закаливаемости и износостойкости.

2. Химический состав и стратегия легирования

Ниже приведена типичная нормативная химия для этих марок, применяемая на практике в промышленности. Значения ориентировочные; всегда проверяйте данные по сертификатам качества производителя и в соответствующем стандарте при закупках.

Элемент (мас.%)	GCr9 (типичный диапазон)	GCr15 (типичный диапазон)
C	0,80 – 0,95	0,95 – 1,05
Mn	0,20 – 0,50	0,25 – 0,45
Si	0,10 – 0,35	0,15 – 0,35
P	≤ 0,030	≤ 0,025
S	≤ 0,030	≤ 0,025
Cr	0,80 – 1,20	1,30 – 1,65
Ni	≤ 0,30	≤ 0,30
Mo	≤ 0,08	≤ 0,08
V, Nb, Ti	следы/зависят от плавки (обычно ≤ 0,05)	следы/зависят от плавки (обычно ≤ 0,05)
B, N	следы	следы

Влияние легирующих элементов на свойства: - Углерод: основной фактор, определяющий достигаемую твёрдость и износостойкость после закалки. Более высокое содержание углерода повышает прочность и твёрдость, но снижает пластичность и свариваемость. - Хром: увеличивает закаливаемость и способствует износостойкости и стойкости к отпуску. Средние уровни хрома (как в GCr15) обеспечивают равномерное отвердение по толщине сечения. - Марганец и кремний: действуют как деоксиданты и способствуют повышению прочности; умеренно увеличивают закаливаемость. - Примеси (P, S): понижены для избежания хрупкости и проблем при мехобработке; в некоторых вариантах с повышенной обрабатываемостью допускается ограниченное содержание серы.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры и воздействия термообработки для обеих марок:

• В состоянии после прокатки / отожжённом виде:
• Обe марки в отожженном состоянии имеют ферритно-перлитную структуру. В GCr15, с более высоким содержанием углерода, выше доля перлита и мельче карбиды.
• Нормализация:
• Нормализация уточняет зерно и обеспечивает гомогенность карбидов. В GCr15 за счёт повышенного углерода и хрома формируется более мелкий мартенсит при последующей закалке.
• Закалка и отпуск:
• После аустенитизации и закалки обе марки образуют мартенсит, но GCr15 достигает более высокой закаливаемости (более глубокое прокаливание) и большей твёрдости в закалённом состоянии благодаря большему содержанию C и Cr. Отпуск снижает твёрдость и повышает вязкость; реакция на отпуск варьируется — GCr15 сохраняет более высокую твёрдость при сопоставимых температурах отпуска благодаря стабильности карбидов.
• Термо-механическая обработка:
• Контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут обеспечивать более мелкие карбиды и повышенную вязкость. Обе марки выигрывают, но большая доля углерода и хрома в GCr15 увеличивает чувствительность к скорости охлаждения для предотвращения крупнозернистого мартенсита или остаточного аустенита.

4. Механические свойства

Механические свойства существенно зависят от режима термообработки. В таблице ниже приведены ориентировочные диапазоны значений после термообработки, используемые в подшипниковых и закалённых валовых приложениях. Используйте эти данные как руководство, подтверждая у поставщика.

Свойство (типичный диапазон, закалка/отпуск)	GCr9	GCr15
Временное сопротивление разрыву (MPa)	1 200 – 2 200	1 400 – 2 400
Предел текучести (MPa)	900 – 1 800	1 100 – 2 000
Относительное удлинение (%)	2 – 12	1 – 8
Ударная вязкость по Шарпи (Дж)	8 – 35	5 – 25
Типичная твёрдость (HRC)	56 – 64	58 – 66

Интерпретация: - Прочность и твёрдость: GCr15, как правило, достигает более высокой твёрдости и временного сопротивления разрыву за счёт большего количества углерода и хрома, которые обеспечивают большую долю мартенсита и твёрдых карбидов. - Вязкость и пластичность: GCr9 обычно более вязкая и пластичная при сходных твёрдостях благодаря несколько меньшему содержанию углерода и легирующих элементов, что снижает хрупкость мартенсита и склонность к образованию трещин. - Выбор материала: для максимальной износостойкости и грузоподъёмности в элементах с контактным качением предпочтительна GCr15. Для деталей с требованиями к высокой ударной вязкости или лучшей свариваемости после сварки более подходящей может быть GCr9.

5. Свариваемость

Свариваемость определяется в первую очередь эквивалентом углерода и легирующими элементами, повышающими закаливаемость. Распространённые показатели — эквивалент углерода IIW и формула Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Более высокие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ означают повышенный риск образования холодных трещин, необходимость предварительного подогрева и последующей термообработки, а также снижение вязкости в области сварного шва. - У GCr15, из-за более высокого углерода и хрома, обычно выше эквивалент углерода, чем у GCr9, поэтому свариваемость на толстых сечениях ниже без подогрева и качественной отпуска. - GCr9 относительно легче сваривается, но при этом требуется контроль содержания водорода, предварительный подогрев и отпуск для предотвращения образования хрупкого мартенсита в зоне термического воздействия. - Практические рекомендации: для ответственных и высокотвёрдых деталей по возможности избегайте сплавной сварки; используйте механическое соединение или конструктивные решения с локальной термообработкой. Если сварка необходима — оговаривайте контролируемый подогрев, электроды/проволоку с низким содержанием водорода и режимы отпуска после сварки.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни GCr9, ни GCr15 не являются нержавеющими сталями; химический состав сам по себе не обеспечивает значительной коррозионной стойкости. Типичные методы защиты поверхности включают:
• Электрохимическое покрытие (например, цинкование), горячее цинкование для защиты от атмосферной коррозии, конверсионные покрытия и органические покрытия — эпоксидные или лакокрасочные.
• Для деталей с критичным износом применяются тонкие твердые покрытия (нитридирование, PVD/CVD), повышающие срок службы поверхности при сохранении вязкости базового материала.
• Показатель PREN используется для нержавеющих сталей и неприменим к углеродисто-хромистым сталям; для примера:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Поскольку содержание хрома в GCr значительно ниже пороговых значений для нержавеющих сталей, PREN здесь не имеет практического значения для выбора по коррозионной стойкости. Защита от коррозии должна базироваться на покрытиях и контроле условий эксплуатации.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• Повышенное содержание углерода и увеличенная закаливаемость в GCr15 обычно снижают обрабатываемость резанием в нормализованном или закалённом состоянии. Точение, фрезерование и сверление закалённого GCr15 требуют инструментов с твердосплавными пластинами и жёстких установок или выполняются в более мягком (отпущенном) состоянии с последующей окончательной термообработкой.
• GCr9, имея несколько меньшее содержание углерода, обрабатывается легче в тех же условиях и может выпускаться в вариантах с улучшенной обрабатываемостью за счёт добавок серы или фосфора (что отрицательно сказывается на усталостной прочности).
• Формовка и холодная деформация:
• Оба сорта поддаются формовке в отожженном состоянии; глубокая вытяжка для этих сталей не характерна из-за относительно высокого содержания углерода. Гибка и штамповка требуют отожжённого материала с учётом упругого восстановления формы (отскока).
• Отделка поверхности:
• Шлифование и полирование являются стандартными операциями для элементов подшипников. GCr15 часто требует более тонкого шлифования из-за повышенной твёрдости и более жёстких геометрических допусков в условиях контактного качения.

8. Типичные области применения

GCr9 – типичные применения	GCr15 – типичные применения
Валы, шпильки, малые ролики, слабо нагруженные втулки, износоустойчивые детали, где требуется некоторая пластичность	Кольца и шарики подшипников качения, высоконагруженные валы, прецизионные ролики, износостойкие детали с высокой твёрдостью поверхности
Общие закалённые детали, где достаточно умеренной износостойкости	Подшипники высокой нагрузки, дорожки качения и прецизионные компоненты, требующие превосходной износостойкости и размерной стабильности
Детали, для которых важна лёгкая обработка или повышенная ударная вязкость	Применения, требующие длительного срока службы при циклических нагрузках и высоких контактных напряжениях

Обоснование выбора: - Выбирайте марку с сочетанием твёрдости и вязкости, соответствующим рабочим нагрузкам, контактным напряжениям и ожидаемому сроку службы. Учитывайте технологические ограничения: при необходимости сложной обработки или сварки GCr9 может снизить затраты; если приоритетом является максимальная усталостная и износостойкость, вероятно, лучше подойдет GCr15.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость:
• GCr15 обычно выпускается в больших объёмах для подшипниковых применений; стоимость сырья немного выше из-за увеличенного содержания углерода и хрома, а затраты на обработку (шлифование, термообработка) могут быть выше из-за требований к более высокой конечной твёрдости.
• GCr9 обычно стоит немного меньше за тонну и может иметь более низкие затраты на вторичную обработку благодаря лучшей обрабатываемости и более простой отпускной обработке.
• Доступность:
• GCr15 (и его аналоги, такие как 100Cr6 / AISI 52100) широко доступны в виде прутков, колец и подшипникового сортамента от многих металлургических заводов и специализированных поставщиков по всему миру.
• GCr9 широко доступна регионально и в виде товарных прутков; готовые детали для подшипников из неё встречаются реже, чем из GCr15.

10. Итоги и рекомендации

Критерий	GCr9	GCr15
Свариваемость	Лучше (меньший углеродный эквивалент)	Ниже (большее содержание углерода и Cr, требуется подогрев и после­термическая обработка)
Баланс прочности и вязкости	Более пластичный и вязкий при одинаковой твёрдости	Возможность достигать более высокой твёрдости и прочности, но ниже вязкость
Стоимость	Ниже или средняя	Средняя или выше

Заключительные рекомендации: - Выбирайте GCr9, если необходим баланс между разумной износостойкостью, лучшей вязкостью и более простой обработкой (точением или ограниченной сваркой), а также когда важны стоимость и технологическая гибкость. - Выбирайте GCr15, если в применении требуется максимальная контактная твёрдость, износостойкость и грузоподъёмность (например, подшипники качения, дорожки высоконагруженных узлов), и допускается более сложный контроль термообработки, шлифования и сварки.

Заключительное замечание: выбор материала всегда должен подтверждаться анализом нагрузок в конструкции детали, возможностями термообработки, производственным маршрутом и сертификацией поставщика (химический состав и механические испытания). Для ответственных комплектующих рекомендуется проведение исследований усталости, износа и остаточных напряжений с учётом выбранной термообработки и качества поверхности.