Сталь EN31 (52100): Свойства и ключевые применения

Сталь EN31, также известная как подшипниковая сталь или 52100, представляет собой легированную сталь с высоким содержанием углерода, в первую очередь классифицируемую как сталь средней жесткости. Этот сорт стали известен своей отличной твердымостью, износостойкостью и способностью выдерживать высокие нагрузки, что делает его особенно подходящим для производства катящихся элементов в подшипниках, таких как шарики и ролики. Основные легирующие элементы в EN31 включают хром, который улучшает закаляемость и коррозионную стойкость, и углерод, который способствует его твердости и прочности.

Всеобъемлющий обзор

Сталь EN31 характеризуется высоким содержанием углерода (примерно 0,95% до 1,05%) и хрома (около 1,30% до 1,60%), что вместе придает значительные механические свойства. Микроструктура стали обычно состоит из тонкой матрицы перлита с диспергированным цементитом, что является результатом соответствующих термических процессов обработки.

Наиболее значительные характеристики EN31 включают:

• Высокая твердость: Достижимые уровни твердости могут достигать до 60 HRC после надлежащей термической обработки.
• Отличная износостойкость: Его твердость и микроструктура обеспечивают превосходную износостойкость, что делает его идеальным для применения с высокими нагрузками.
• Хорошая стойкость к ударам: Несмотря на свою твердость, EN31 сохраняет разумную стойкость к ударам, что необходимо для динамических приложений.

Преимущества (плюсы):
- Исключительная усталостная прочность и износостойкость.
- Подходит для приложений с высоким напряжением, особенно в катящемся контакте.
- Хорошая обрабатываемость в отожженном состоянии.

Ограничения (минусы):
- Ограниченная коррозионная стойкость по сравнению с нержавеющими сталями.
- Требует тщательной термической обработки для достижения желаемых свойств.
- Может быть хрупкой при неправильной обработке.

Исторически сталь EN31 широко использовалась в автомобильной и аэрокосмической промышленности для компонентов, таких как шестерни, вал и подшипники, тем самым закрепив свою позицию в качестве критического материала в инженерных приложениях.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/ Градация	Страна/ Регион происхождения	Примечания
UNS	G52100	США	Ближайший эквивалент EN31
AISI/SAE	52100	США	Обычно используется в подшипниковых приложениях
ASTM	A295	США	Спецификация для высокоуглеродистой хромистой стали
EN	EN31	Европа	Стандартное обозначение в Европе
DIN	100Cr6	Германия	Похожие свойства, незначительные различия в составе
JIS	SUJ2	Япония	Сравнительный сорт с небольшими изменениями в свойствах

Различия между этими эквивалентными сортами могут повлиять на выбор в зависимости от специфических требований приложения. Например, хотя G52100 и EN31 часто взаимозаменяемы, G52100 может предлагать немного лучшую закаляемость благодаря своему конкретному содержанию углерода.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (углерод)	0.95 - 1.05
Cr (хром)	1.30 - 1.60
Mn (марганец)	0.30 - 0.50
Si (кремний)	0.15 - 0.40
P (фосфор)	≤ 0.025
S (сера)	≤ 0.025

Основная роль углерода в EN31 заключается в повышении твердости и прочности, в то время как хром улучшает закаляемость и износостойкость. Марганец способствует стойкости к ударам и помогает в удалении кислорода в процессе производства стали, в то время как кремний повышает прочность и упругость.

Механические свойства

Свойство	Состояние/температура	Температура испытания	Типичное значение/ диапазон (метрическое)	Типичное значение/ диапазон (имперское)	Справочный стандарт для метода испытаний
Предельное напряжение	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	1000 - 1200 МПа	145 - 174 ksi	ASTM E8
Упругая прочность (0,2% смещение)	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	850 - 1000 МПа	123 - 145 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленное и отпущенное	Комнатная температура	58 - 62 HRC	58 - 62 HRC	ASTM E18
Ударная вязкость (Шарпи)	Закаленное и отпущенное	-20°C (-4°F)	20 - 30 Дж	15 - 22 фут-фунта	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на разрыв и упругой прочности делает EN31 подходящей для приложений, связанных с динамическими нагрузками, такими как подшипники и шестерни, где сопротивление деформации имеет критическое значение.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	45 Вт/м·K	31.2 BTU·дюйм/ч·фут²·°F
Удельная теплоемкость	Комнатная температура	460 Дж/кг·K	0.11 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Комнатная температура	0.0006 Ω·м	0.000006 Ω·дюйм

Плотность EN31 способствует его весу и прочности, тогда как теплопроводность значима для применения, связанного с рассеиванием тепла. Удельная теплоемкость указывает на количество энергии, необходимое для повышения температуры, что важно в процессах, связанных с термическим циклом.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Вода	0 - 100	20 - 100 / 68 - 212	Умеренная	Риск коррозии
Кислоты	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	Плохая	Подвержена коррозии
Хлориды	0 - 5	20 - 100 / 68 - 212	Плохая	Риск коррозии под напряжением
Щелочи	0 - 10	20 - 100 / 68 - 212	Умеренная	Умеренная защита

Сталь EN31 демонстрирует ограниченную коррозионную стойкость, особенно в кислых и хлоридных средах, что делает ее менее подходящей для приложений, подверженных суровым условиям без защитных покрытий. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как AISI 304 или AISI 316, восприимчивость EN31 к коррозии значительно выше, требуя защитных мер в агрессивных условиях.

Термообработка

Свойство/Предел	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной эксплуатации	200	392	Свыше этого свойства могут ухудшаться
Максимальная температура прерывистой эксплуатации	300	572	Только кратковременное воздействие
Температура появления окалины	600	1112	Риск окисления при более высоких температурах

При повышенных температурах EN31 сохраняет свою твердость и прочность до определенного предела, но длительное воздействие может привести к окислению и потере механических свойств. Правильная термообработка может улучшить его характеристики в условиях высокой температуры.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый сварочный материал (классификация AWS)	Обычный защитный газ/флюс	Примечания
MIG	ER70S-6	Аргон + CO2	Рекомендуется предварительный подогрев
TIG	ER70S-2	Аргон	Требует тщательного контроля
Сварка электродом	E7018	Не применимо	Рекомендуется термообработка после сварки

Сталь EN31 обычно не рекомендуется для сварки из-за высокого содержания углерода, что может привести к образованию трещин. Предварительный подогрев и термообработка после сварки необходимы для снижения этих рисков.

Обрабатываемость

Параметр обработки	EN31	AISI 1212	Примечания/ Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60%	100%	EN31 сложнее обрабатывать из-за твердости.
Типичная скорость резания (токарная обработка)	30-50 м/мин	60-80 м/мин	Используйте карбидные инструменты для наилучших результатов.

Обработка EN31 требует тщательного учета инструментов и скоростей резания из-за его твердости. Рекомендуется использование карбидных инструментов для достижения оптимальных результатов.

Формуемость

EN31 обладает ограниченной формуемостью из-за высокого содержания углерода, что делает его менее пригодным для процессов, требующих значительных деформаций. Холодная обработка возможна, но должна проводиться с осторожностью, чтобы избежать трещин. Горячая обработка может быть выполнена при повышенных температурах для улучшения пластичности.

Термическая обработка

Процесс обработки	Диапазон температур (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель/ Ожидаемый результат
Отжиг	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 часа	Воздух	Снизить твердость, улучшить обрабатываемость
Закалка	800 - 850 / 1472 - 1562	30 минут	Масло или вода	Повысить твердость и прочность
Отпуск	150 - 200 / 302 - 392	1 час	Воздух	Снизить хрупкость, улучшить стойкость к ударам

Процессы термической обработки значительно влияют на микроструктуру EN31, преобразуя ее из более мягкого и пластичного состояния в жесткое и износостойкое. Правильный отпуск имеет решающее значение для балансировки твердости и прочности.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, использованные в этом применении	Причина выбора (кратко)
Автомобильная	Шариковые подшипники	Высокая твердость, износостойкость	Необходима для долговечности
Аэрокосмическая	Валы шестерен	Высокая прочность на разрыв, стойкость к усталости	Критично для безопасности
Производственная	Компоненты инструмента	Стойкость к ударам, обрабатываемость	Необходимо для точности
Нефть и газ	Компоненты клапанов	Коррозионная стойкость, прочность	Необходимо в суровых условиях

Другие применения включают:

• Промышленное оборудование: Используется в компонентах, требующих высокой износостойкости.
• Робототехника: Для частей, которые подвергаются высоким нагрузкам и требуют точности.
• Медицинские устройства: В приложениях, где важны прочность и надежность.

Выбор EN31 для этих приложений в первую очередь обусловлен его отличными механическими свойствами, которые обеспечивают надежность и производительность в условиях повышенных нагрузок.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения

Особенность/Свойство	EN31	AISI 4140	AISI 440C	Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая твердость	Умеренная твердость	Высокая твердость	EN31 предлагает превосходную износостойкость, но меньшую стойкость к ударам по сравнению с 4140.
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Хорошая	Отличная	EN31 менее стойка к коррозии, чем 440C, что критично в определенных средах.
Свариваемость	Плохая	Умеренная	Хорошая	EN31 требует тщательных сварочных практик по сравнению с 4140.
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Плохая	EN31 сложнее обрабатывать, чем 4140, требует специализированных инструментов.
Формуемость	Ограниченная	Хорошая	Ограниченная	EN31 менее формуем, чем 4140, что может быть полезно в определенных приложениях.
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Умеренная	Высшая	Финансовые соображения могут повлиять на выбор в зависимости от бюджета проекта.
Типичное наличие	Обычное	Обычное	Менее обычное	EN31 широко доступен, в то время как 440C может быть сложнее найти.

При выборе EN31 важны такие аспекты, как специфические требования приложения, экономическая эффективность и доступность. Его высокая твердость и износостойкость делают его идеальным для применения, где долговечность имеет первостепенное значение, в то время как его ограничения в коррозионной стойкости и свариваемости должны быть учтены при соответствующем дизайне и обработке.

В заключение, сталь EN31 является универсальным и прочным материалом, играющим ключевую роль в различных инженерных приложениях, особенно там, где необходимы высокая производительность и надежность. Понимание его свойств и ограничений позволяет инженерам принимать обоснованные решения для достижения оптимальных результатов применения.