SUJ2 против 100Cr6 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SUJ2 и 100Cr6 — это две признанные в отрасли марки высокоуглеродистых, хромированных сталей для подшипников, используемых по всему миру для катящихся элементов, колец и других износостойких компонентов. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между этими марками при спецификации компонентов подшипников, валов или износостойких деталей, где закаливаемость, качество поверхности и размерная стабильность при качении имеют критическое значение.
Практическая дилемма выбора обычно сосредоточена на региональной стандартизации и цепочке поставок (японские против европейских практик проектирования/спецификаций) по сравнению с металлургическим эквивалентом — обе марки предназначены для одного и того же применения, но регулируются разными стандартами и допусками на производство. Эта статья сравнивает стандарты, химию, микроструктуру, реакцию на термообработку, механические характеристики, проблемы производства и рекомендации по применению, чтобы технические специалисты могли сделать обоснованный выбор.
1. Стандарты и обозначения
- SUJ2: Японский промышленный стандарт (JIS), обычно указываемый как JIS G4805 SUJ2. В многом эквивалентен AISI 52100.
- 100Cr6: Европейский стандарт EN (EN 100Cr6). Также упоминается как 1.3505 в числовой системе EN.
- Эквиваленты AISI/ASTM: AISI 52100 обычно рассматривается как эквивалент как SUJ2, так и 100Cr6 для многих приложений подшипников.
- GB (Китай): Обычно поставляется под китайскими эквивалентами GB для сталей подшипников, которые близки к этим химическим составам.
Классификация: как SUJ2, так и 100Cr6 являются высокоуглеродистыми, хромированными сталями для подшипников (не нержавеющие, инструментальные/катящиеся стали). Они не являются нержавеющими сталями и не относятся к HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица суммирует типичные диапазоны состава для SUJ2 и 100Cr6. Значения указаны в массовых процентах и представляют собой общие диапазоны спецификаций; для точных пределов следует обращаться к сертификатам конкретных поставщиков.
| Элемент | SUJ2 (типичный диапазон, мас.%) | 100Cr6 (типичный диапазон, мас.%) |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.10 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.03 – 0.04 | ≤ 0.03 – 0.04 |
| S | ≤ 0.03 – 0.04 | ≤ 0.03 – 0.04 |
| Cr | 1.30 – 1.60 | 1.30 – 1.65 |
| Ni | ≤ 0.30 (следы) | ≤ 0.30 (следы) |
| Mo | ≤ 0.08 (обычно нет) | ≤ 0.08 (обычно нет) |
| V, Nb, Ti, B, N | обычно не указываются или присутствуют в следовых количествах | обычно не указываются или присутствуют в следовых количествах |
Как легирование влияет на характеристики: - Углерод: основной фактор закаливаемости и твердости мартенсита; ~1.0% C обеспечивает высокую твердость и высокую стойкость к абразивному износу после закалки и отпускания. - Хром (~1.3–1.6%): увеличивает закаливаемость и способствует износостойкости и стабильности при отпуске; недостаточно высок для обеспечения нержавеющей коррозионной стойкости. - Mn/Si: способствуют дегазации и прочности; Mn также помогает закаливаемости. - Низкие уровни P/S контролируются для повышения усталостной прочности и контроля включений.
Общая стратегия легирования: максимизация достижимой твердости и износостойкости за счет высокого содержания углерода и умеренного содержания хрома, сохраняя при этом химию простой для контроля включений и усталостного срока службы.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - Отожженное/мягко отожженное состояние: преимущественно сфероидизированные карбиды в ферритной матрице для хорошей обрабатываемости. Это предпочтительная начальная микроструктура для формовки и механической обработки. - Закаленное и отпущенное: мартенситная матрица с мелкими, дисперсными хромовыми карбидами; обеспечивает высокую твердость и износостойкость. Полная закалка типична для колец и шариков подшипников до определенных размеров сечения. - Варианты с поверхностной закалкой: менее распространены для этих марок; карбонизация обычно не используется, так как сталь уже содержит высокий углерод.
Эффект процессов: - Нормализация (выше A3 и воздушное охлаждение) уточняет размер зерна и может обеспечить более равномерную закаливаемость перед окончательной закалкой. - Закалка (масло или воздух, в зависимости от размера сечения и требуемой твердости) преобразует аустенит в мартенсит. Для более толстых сечений или когда требуется уменьшение деформации могут использоваться прерывистая закалка или аустемперирование. - Отпуск снижает хрупкость, сохраняя высокую твердость; температура отпуска контролирует окончательный HRC и компромисс между твердостью и прочностью. Более низкие температуры отпуска обеспечивают более высокую твердость и меньшую прочность; более высокие температуры отпуска увеличивают прочность за счет твердости.
Различия между SUJ2 и 100Cr6 в настройке микроструктуры в основном процедурные (циклы термообработки, закаливающая среда и допуски на производство), а не обусловленные химией.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки и размера сечения. Таблица ниже предоставляет ориентировочные диапазоны для отожженного и полностью закаленного состояний; используйте в качестве справки и проверяйте с данными поставщиков или испытаниями на растяжение.
| Свойство | Отожженное (типичное) | Полностью закаленное (закаленное и отпущенное) типичное |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ~600 – 900 (отожженное) | часто >1500 (закаленный мартенсит; может превышать 2000 МПа в зависимости от твердости) |
| Предел текучести (МПа) | ~300 – 600 (отожженное) | >1200 (закаленное) |
| Удлинение (%) | ~10 – 20 (отожженное) | ~1 – 6 (закаленное) |
| Ударная вязкость (Шарпи, Дж) | умеренная (отожженное, в зависимости от применения) | низкая до умеренной (высокая твердость снижает прочность) |
| Твердость | ~HB 180–260 (отожженное) | ~58 – 66 HRC (типично для приложений подшипников) |
Кто сильнее/выносливее/более пластичен: - Как SUJ2, так и 100Cr6 демонстрируют очень схожую механическую реакцию, поскольку их химические составы по сути эквивалентны. Полностью закаленный мартенсит обеспечивает высокую прочность и твердость, но за счет пластичности и ударной вязкости; отжиг производит более мягкую, более пластичную структуру для механической обработки и формовки.
5. Сварка
Высокий углерод (~1.0%) делает эти марки плохими кандидатами для обычной сварки без предварительной и последующей термообработки. Ключевые соображения: - Высокое содержание углерода увеличивает риск образования жесткого, хрупкого мартенсита в зоне термического влияния (HAZ) и повышает восприимчивость к холодным трещинам. - Закаливаемость, обусловленная Cr и Mn, дополнительно увеличивает твердость HAZ.
Полезные индексы свариваемости: - Углеродный эквивалент (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Более комплексный Pcm: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
Интерпретация: - Обе формулы указывают на то, что при C ≈ 1.0 и измеримом Cr, значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ будут повышены по сравнению с низкоуглеродистыми сталями, сигнализируя о необходимости предварительного нагрева, низкогидрогенных процедур и последующего отпуска. Для критических компонентов сварка обычно избегается; предпочтительнее механическое соединение, механическая обработка или проектирование для разъемных частей.
6. Коррозия и защита поверхности
- Эти марки не являются нержавеющими; хром при ~1.3–1.6% немного улучшает коррозионную стойкость по сравнению с обычными углеродными сталями, но недостаточен для того, чтобы назвать их коррозионно-стойкими.
- Общие меры защиты: покраска, смазка, фосфатирование или гальванизация; оцинковка возможна для некоторых подкомпонентов, но не распространена для прецизионных катящихся элементов.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к образованию ямок) не применим в значительной степени, поскольку PREN используется для нержавеющих марок с существенно более высоким содержанием Cr, Mo и N: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Для компонентов подшипников, подверженных коррозии, часто применяются такие обработки поверхности, как хромирование или покрытия DLC, или предусмотрен переход на нержавеющие стали для подшипников (например, AISI 440C или мартенситные нержавеющие подшипники).
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: лучше всего в отожженном (сфероидизированном) состоянии — высокоскоростная обработка закаленных жестких компонентов требует карбидного инструмента и медленных подач. SUJ2/100Cr6 в отожженном состоянии обрабатывается сопоставимо с AISI 52100.
- Шлифовка и отделка: прецизионная шлифовка распространена для катящихся элементов и колец после термообработки; для закаленных деталей используется хороший карбидный или CBN инструмент.
- Формовка/гиб: ограничена в закаленном состоянии; детали, предназначенные для формовки, должны формоваться в отожженном состоянии, а затем подвергаться окончательной механической обработке и термообработке.
- Отделка поверхности: достижение низкой шероховатости поверхности и высокой размерной точности критично для срока службы подшипников; тонкая шлифовка и суперфиниширование являются стандартом.
8. Типичные применения
| Типичные применения SUJ2 (JIS) | Типичные применения 100Cr6 (EN) |
|---|---|
| Прецизионные шарики, ролики, малые подшипники, валы и шпиндели для японской техники | Подшипники катящихся элементов (шарики, ролики, кольца), валы, прецизионные износостойкие компоненты на европейском рынке |
| Малые и средние компоненты подшипников для автомобильного и промышленного оборудования | Высокопрецизионные подшипники для станков, автомобильных трансмиссий и тяжелой промышленности |
| Компоненты, для которых требуется документация по стандартам JIS и цепочка поставок | Компоненты, требующие отслеживаемости по стандартам EN/европейским и согласования цепочки поставок |
Обоснование выбора: выбирайте эти марки для деталей с качением, где требуются высокая твердость, хорошая усталостная прочность и предсказуемое поведение при износе. Выбор между SUJ2 и 100Cr6 часто определяется региональными стандартами, квалификацией поставщиков и требованиями к отслеживаемости, а не металлургическими характеристиками.
9. Стоимость и доступность
- Обе марки являются товарными сталями для подшипников с широкой глобальной доступностью в виде прутков, колец, полос и прецизионных шариков.
- Региональные различия: SUJ2 обычно имеется в наличии в Азии и у азиатских поставщиков; 100Cr6 является стандартом в Европе. На многих рынках AISI 52100 является общим коммерческим названием.
- Стоимость: в целом сопоставима; различия в цене более вероятны из-за формы (пруток, кольцо, шарик), отделки поверхности и требуемой термообработки/обработки, а не из-за внутренних химических различий.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Атрибут | SUJ2 | 100Cr6 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Плохая (высокий C, требуется предварительный/последующий нагрев) | Плохая (аналогично SUJ2) |
| Компромисс между прочностью и вязкостью | Высокая твердость/прочность достижима; умеренная до низкой вязкость при закалке | Эквивалентное поведение; зависит от термообработки |
| Стоимость и доступность | Широко доступна в Азии; конкурентоспособные цены | Широко доступна в Европе; конкурентоспособные цены |
Рекомендации: - Выбирайте SUJ2, если ваша цепочка поставок, спецификации или приемлемость компонентов основаны на JIS, или если вы в основном закупаете у японских или азиатских поставщиков, которые имеют в наличии формы и сертификаты продукции SUJ2. - Выбирайте 100Cr6, если вам требуется документация по стандартам EN/европейским, отслеживаемость или если вы работаете в рамках европейских практик закупок и сетей поставщиков.
Практическое руководство: - Для критических деталей подшипников указывайте марку плюс требуемую термообработку, диапазон твердости, допуск на отделку поверхности и требования к испытаниям на усталость — эти детали обработки имеют большее значение для характеристик, чем незначительные различия между химией SUJ2 и 100Cr6. - Избегайте сварки на компонентах, изготовленных из этих сталей, если квалификация сварочного процесса, соответствующий предварительный нагрев, низкогидрогенные расходные материалы и последующий отпуск не являются частью спецификации процесса.
В кратце: металлургически SUJ2 и 100Cr6 эквивалентны для большинства приложений подшипников и износа; выбирайте на основе стандартов, доступности поставщиков и спецификаций обработки, а не ожидая значительных внутренних различий в производительности.