52100 Сталь: Свойства и Основные Применения Обзор

Сталь 52100, также известная как подшипниковая сталь, 100Cr6 или EN31, представляет собой высокоуглеродную хромовую легированную сталь, которая в основном используется для производства катящихся элементов в подшипниках. Классифицированная как среднеуглеродная легированная сталь, она обычно содержит около 1,0% углерода и 1,5% хрома, что значительно повышает ее твердость и износостойкость. Легирующие элементы в стали 52100 играют ключевую роль в определении ее механических свойств, микроструктуры и общей производительности в требовательных приложениях.

Тщательный обзор

Сталь 52100 известна своей исключительной твердостью, износостойкостью и прочностью на циклические нагрузки, что делает ее идеальным выбором для приложений, требующих высокой производительности под нагрузкой. Основные легирующие элементы, углерод и хром, способствуют ее способности достигать высоких уровней твердости при процессах термообработки. Наличие хрома не только улучшает закаливаемость, но и в некоторой степени повышает коррозионную стойкость.

Преимущества стали 52100:
- Высокая твердость и износостойкость: Достижимые уровни твердости могут превышать 60 HRC после надлежащей термообработки, что делает ее подходящей для приложений с высокими нагрузками.
- Хорошая прочность на усталость: Ее способность выдерживать циклические нагрузки делает ее предпочтительным выбором для подшипниковых приложений.
- Разнообразные приложения: Кроме подшипников, используется в различных инструментах и компонентах, требующих высокой износостойкости.

Ограничения стали 52100:
- Подверженность коррозии: Хотя она обладает некоторой коррозионной стойкостью, она не нержавеющая и может ржаветь при недостаточном уходе.
- Сложность сварки: Высокое содержание углерода может привести к растрескиванию во время сварочных процессов, что требует тщательных предварительных и послесварочных термообработок.

Исторически сталь 52100 играла важную роль в разработке высокопроизводительных подшипников, способствуя достижениям в автомобильной, аэрокосмической и машиностроительной отраслях. Ее рыночная позиция остается сильной благодаря доказанной производительности и надежности.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартизирующая организация	Обозначение/Сорт	Страна/Регион происхождения	Примечания
UNS	G52100	США	Ближайший эквивалент AISI 52100
AISI/SAE	52100	США	Широко используется в подшипниковых приложениях
ASTM	A295	США	Спецификация для высокоуглеродной хромовой подшипниковой стали
EN	100Cr6	Европа	Эквивалент AISI 52100 с незначительными составными отличиями
DIN	1.3505	Германия	Похожие свойства, но с незначительными вариациями в легирующих элементах
JIS	SUJ2	Япония	Сравнимый сорт с аналогичными приложениями
GB	GCr15	Китай	Эквивалент с незначительными отличиями в содержании углерода
ISO	100Cr6	Международный	Стандартное обозначение для подшипниковой стали

Различия между этими эквивалентными сортами часто заключаются в конкретном содержании углерода и хрома, что может повлиять на закаливаемость и износостойкость. Например, хотя GCr15 и 100Cr6 очень схожи, конкретные процессы термообработки могут дать различные характеристикам производительности.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (Углерод)	0.98 - 1.10
Cr (Хром)	1.30 - 1.60
Mn (Марганец)	0.25 - 0.45
Si (Кремний)	0.15 - 0.40
P (Фосфор)	≤ 0.025
S (Сера)	≤ 0.025

Основная роль углерода в стали 52100 заключается в повышении твердости и прочности за счет образования карбидов во время термообработки. Хром улучшает закаливаемость и износостойкость, в то время как марганец способствует прочности и жесткости. Кремний действует как десоксидация и может повысить прочность при повышенных температурах.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Температура испытания	Типичное значение/диапазон (метрическая система)	Типичное значение/диапазон (имперская система)	Ссылочный стандарт для метода испытания
Прочность на растяжение	Закаленная и отпускная	Комнатная температура	850 - 1000 МПа	123 - 145 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (0.2% смещение)	Закаленная и отпускная	Комнатная температура	600 - 800 МПа	87 - 116 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная и отпускная	Комнатная температура	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленная и отпускная	Комнатная температура	58 - 65 HRC	58 - 65 HRC	ASTM E18
Ударная прочность (Шарпи)	Закаленная и отпускная	-20 °C	20 - 30 Дж	15 - 22 фут-фунт	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на растяжение и предельной прочности, а также отличная твердость делают сталь 52100 подходящей для приложений, которые испытывают значительные механические нагрузки. Ее ударная прочность, хоть и ниже, чем у некоторых других сталей, достаточна для многих подшипниковых приложений, где ударные нагрузки не являются экстремальными.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрическая система)	Значение (имперская система)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 фунт/куб.дюйм
Температура плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	45 Вт/м·К	31 BTU·дюйм/ч·фут²·°F
Удельная теплоемкость	Комнатная температура	460 Дж/кг·К	0.11 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Комнатная температура	0.0006 Ом·м	0.0004 Ом·дюйм
Коэффициент теплового расширения	Комнатная температура	11.5 x 10⁻⁶/К	6.4 x 10⁻⁶/°F

Плотность стали 52100 способствует ее общей прочности и долговечности. Температура плавления указывает на хорошую термостабильность, в то время как теплопроводность и удельная теплоемкость важны для приложений, связанных с рассеиванием тепла. Электрическое сопротивление относительно низкое, что полезно в некоторых электрических приложениях.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Вода	-	Приемлемая	Умеренная	Риск ржавления
Кислоты (HCl)	10-20	Приемлемая	Плохая	Подвержена коррозии
Щелочные растворы	-	Приемлемая	Умеренная	Ограниченная стойкость
Хлориды	-	Приемлемая	Плохая	Риск коррозионного трещинообразования

Сталь 52100 обладает умеренной коррозионной стойкостью, главным образом благодаря своему содержанию хрома. Тем не менее, она не подходит для условий с высокой влажностью или воздействия коррозионных агентов, таких как хлориды и сильные кислоты. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как AISI 304 или AISI 316, сталь 52100 значительно менее устойчива к коррозии, что делает ее менее идеальной для применения в тяжёлых условиях.

Стойкость к нагреву

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной работы	150 °C	302 °F	Свыше этого свойства ухудшаются
Максимальная температура прерывистой работы	200 °C	392 °F	Только краткосрочное воздействие
Температура отслаивания	300 °C	572 °F	Риск окисления при более высоких температурах
Учет прочности на текучесть	400 °C	752 °F	Начинает терять прочность

При повышенных температурах сталь 52100 может испытывать снижение механических свойств, особенно твердости и прочности. Она не рекомендуется для непрерывной работы при температуре выше 150 °C, так как это может привести к значительному ухудшению ее производительности. Стойкость к окислению ограничена, что требует защитных покрытий или обработок в приложениях при высоких температурах.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	ТипичGas для защиты/флюс	Примечания
MIG	ER70S-6	Смесь аргона и CO2	Рекомендуется предварительный обогрев
TIG	ER80S-Ni	Аргон	Требует термообработки после сварки
Литье	E7018	-	Не рекомендуется для толстых участков

Сварка стали 52100 является сложной задачей из-за ее высокого содержания углерода, что может привести к трещинам. Предварительный обогрев перед сваркой и термообработка после сварки необходимы для снижения этих рисков. Использование подходящих filler metals важно для обеспечения совместимости и сохранения механических свойств.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Сталь 52100	AISI 1212	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60	100	Более высокий индекс указывает на более легкую обработку
Типичная скорость резания	30-50 м/мин	60-80 м/мин	Регулируйте в зависимости от инструмента

Обработка стали 52100 требует тщательного выбора режущих инструментов и параметров из-за ее твердости. Рекомендуются инструменты из быстрорежущей стали (HSS) или из твердых сплавов, а также следует использовать охлаждающую жидкость для управления теплом во время операций обработки.

Формуемость

Сталь 52100 не особенно подходит для широких процессов формирования из-за высокого содержания углерода и получаемой жесткости. Холодная формация ограничена, в то время как горячая формация может быть осуществима при повышенных температурах. Материал демонстрирует работу упрочнения, что может усложнить операции формования.

Термообработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	1 - 2 часа	Воздух	Снизить твердость, улучшить обрабатываемость
Закалка	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 минут	Масло	Достигнуть высокой твердости
Отпуск	150 - 200 °C / 302 - 392 °F	1 час	Воздух	Снизить хрупкость, улучшить прочность

Процессы термообработки стали 52100 значительно изменяют ее микроструктуру, преобразуя аустенит в мартенсит при закалке, что и отвечает за ее высокую твердость. Отпуск необходим для снятия напряжений и повышения прочности, что делает сталь подходящей для динамических приложений.

Типичные приложения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора
Автомобильная	Подшипники колес	Высокая твердость, прочность на усталость	Необходима для долговечности под нагрузкой
Аэрокосмическая	Компоненты двигателя	Износостойкость, высокая прочность	Критично для производительности и безопасности
Промышленная техника	Валы шестерен	Прочность, износостойкость	Требуется для приложений с высокими нагрузками
Производство инструментов	Режущие инструменты	Твердость, износостойкость	Необходимо для долговечности и производительности

Другие применения включают:
- Роликоподшипники в различных машинах
- Валы высоких скоростей в моторах
- Прецизионные инструменты для операций механической обработки

Выбор стали 52100 для этих приложений в основном обусловлен ее отличной твердостью и износостойкостью, которые имеют решающее значение для компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам и трению.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения

Особенность/Свойство	Сталь 52100	AISI 440C	AISI 4140	Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Более высокая коррозионная стойкость	Хорошая прочность	52100 превосходит в износостойкости, в то время как 440C лучше для коррозии
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Отличная	Умеренная	52100 не подходит для коррозионных сред
Свариваемость	Плохая	Умеренная	Хорошая	52100 требует особого внимания во время сварки
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Хорошая	52100 сложнее обрабатывать, чем 4140
Формуемость	Плохая	Умеренная	Хорошая	52100 менее формовочная из-за высокого содержания углерода
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Выше	Ниже	Стоимость варьируется в зависимости от рыночных условий
Типичное наличие	Общее	Менее распространено	Общее	52100 широко доступна в различных формах

При выборе стали 52100 следует учитывать ее механические свойства, коррозионную стойкость и сложности обработки. Ее экономическая эффективность и доступность делают ее популярным выбором для высокопроизводительных приложений, несмотря на ограничения в коррозионных средах и свариваемости. Выбор между 52100 и альтернативными сортами часто зависит от конкретных требований приложения, включая условия нагрузки, воздействие окружающей среды и производственные процессы.

В заключение, сталь 52100 является универсальным и высокопроизводительным материалом, который превосходит в приложениях, требующих исключительной твердости и износостойкости. Ее историческая значимость и продолжительная актуальность в современном машиностроении подчеркивают ее ценность в различных отраслях.