20# vs 25# – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
20# und 25# sind zwei gängige Bezeichnungslabel, die in mehreren regionalen Standards (insbesondere in der chinesischen GB/GB/T-Praxis) verwendet werden, um unlegierte Kohlenstoffstähle zu identifizieren, die häufig im allgemeinen Maschinenbau, bei Wellen, Befestigungselementen und geschweißten Strukturen eingesetzt werden. Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen oft vor einem Auswahldilemma zwischen den beiden: einem kostengünstigeren, duktileren Material versus einer leicht höheren Kohlenstoffqualität, die größere Festigkeit und Verschleißfestigkeit bietet. Die Entscheidungen werden typischerweise durch die erforderliche Tragfähigkeit, die Anforderungen an das Formen oder Schweißen, die Bearbeitbarkeit und die Kostenbeschränkungen bestimmt.
Der Hauptunterschied zwischen 20# und 25# ist ihr Kohlenstoffgehalt und die metallurgischen Konsequenzen dieses Kohlenstoffunterschieds — die Festigkeit, Duktilität und Härtbarkeit steuern. Da die beiden Qualitäten chemisch ansonsten einfach sind (niedriglegierte oder unlegierte Kohlenstoffstähle), vergleichen Designer sie direkt, wenn sie Material für Teile spezifizieren, bei denen Festigkeit und Zähigkeit mit der Fertigungseffizienz in Einklang gebracht werden müssen.
1. Standards und Bezeichnungen
- GB / GB/T (China): 20# (auch in einigen Kontexten als 20G geschrieben), 25# (25G usw.) — unlegierte Kohlenstoffstähle, die für allgemeine strukturelle und mechanische Zwecke verwendet werden.
- JIS (Japan): Vergleichbar mit JIS-SC oder SCr-Qualitäten, abhängig von der genauen Chemie und dem beabsichtigten Einsatz, aber eine direkte Eins-zu-eins-Zuordnung ist nicht genau.
- ASTM/ASME (USA): Keine direkte ASTM-Qualität mit der „#“-Notation; vergleichbare Stähle wären niedriglegierte Baustähle wie A36 oder AISI 1020/1025, abhängig von den genauen C- und Mn-Werten und den Anforderungen an die Eigenschaften.
- EN (Europa): Entsprechende Qualitäten fallen in die Gruppe der unlegierten Baustähle wie S235/S275, abhängig von den mechanischen Eigenschaften.
- Klassifizierung: Sowohl 20# als auch 25# sind unlegierte Kohlenstoffstähle (nicht rostfrei, nicht hochfeste niedriglegierte) in typischer Praxis; sie sind keine Werkzeugstähle, rostfreien Stähle oder HSLA in ihren Standardformen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typisches 20# (ca. Bereich) | Typisches 25# (ca. Bereich) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | 0.17 – 0.24 Gew% | 0.22 – 0.30 Gew% |
| Mn (Mangan) | 0.25 – 0.60 Gew% | 0.25 – 0.70 Gew% |
| Si (Silizium) | ≤ 0.35 Gew% (oft 0.02–0.30) | ≤ 0.35 Gew% (oft 0.02–0.30) |
| P (Phosphor) | ≤ 0.035 Gew% (max) | ≤ 0.035 Gew% (max) |
| S (Schwefel) | ≤ 0.035 Gew% (max) | ≤ 0.035 Gew% (max) |
| Cr (Chrom) | gewöhnlich ≤ 0.30 Gew% | gewöhnlich ≤ 0.30 Gew% |
| Ni (Nickel) | Spuren / nicht spezifiziert | Spuren / nicht spezifiziert |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | nicht absichtlich in Standardqualitäten hinzugefügt; Spurenwerte möglich | gleich wie 20# |
Hinweise: Die Werte sind typische Bereiche, die in gängigen GB-Stil-Spezifikationen und der Praxis der Walzwerke zu sehen sind. Exakte Grenzen und zusätzliche Elemente variieren je nach Standard, Walzwerk und ob das Produkt für Schmieden, Wärmebehandlung oder speziellen Einsatz vorgesehen ist.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt - Kohlenstoff: Primäre Kontrolle von Festigkeit und Härte. Höherer Kohlenstoff erhöht die Zug- und Streckgrenze sowie die Härte, verringert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit. - Mangan: Verbessert die Härtbarkeit, Zugfestigkeit und entgast den Stahl. Mn kompensiert auch in gewissem Maße die Sprödigkeit durch Schwefel. - Silizium, Cr, Ni, Mo: Wenn sie in kleinen Mengen vorhanden sind, modifizieren sie die Härtbarkeit und Zähigkeit; in diesen Qualitäten sind sie normalerweise auf niedrigen Niveaus und nicht die primäre Härtungsstrategie. - Verunreinigungen (P, S): Niedrig gehalten, um Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erhalten; Schwefel kann die Bearbeitbarkeit verbessern, wenn er absichtlich in freischneidenden Varianten erhöht wird.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische als gewalzte Mikrostrukturen: - 20#: Überwiegend Ferrit mit dispersem Perlit. Niedrigerer Kohlenstoffgehalt bedeutet größeren Anteil an ferritischer Matrix und eine weichere, duktilere Mikrostruktur. - 25#: Erhöhter Perlitanteil im Vergleich zu 20#, was eine feinere lamellare Struktur bei ähnlichen Abkühlbedingungen erzeugt; höhere Versetzungsdichte nach der Verformung.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren: Beide Qualitäten reagieren auf das Normalisieren mit Kornverfeinerung; 25# wird einen höheren Volumenanteil an Perlit und etwas höhere Festigkeit nach dem Normalisieren im Vergleich zu 20# erzeugen. - Abschrecken und Anlassen: Da beide niedriglegierte unlegierte Kohlenstoffstähle sind, ist ihre Härtbarkeit begrenzt. 25# erreicht nach dem Abschrecken eine höhere Härte als 20# bei gleichwertiger Abschreckschärfe aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts, aber keiner erreicht die Härtbarkeit von mittellegierten Stählen ohne Legierungszusätze. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen können die Festigkeit erhöhen und die Mikrostruktur verfeinern; 25# erreicht typischerweise höhere Festigkeitsniveaus durch eine solche Verarbeitung, jedoch mit einem gewissen Verlust an Duktilität.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Typisches 20# (als gewalzt/normiert) | Typisches 25# (als gewalzt/normiert) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~350 – 500 MPa (typischer Arbeitsbereich) | ~400 – 560 MPa (im Durchschnitt höher) |
| Streckgrenze (MPa) | ~215 – 315 MPa | ~245 – 370 MPa |
| Dehnung (%) | ~26 – 40% | ~18 – 30% (reduziert im Vergleich zu 20#) |
| Schlagzähigkeit (J, qualitativ) | Im Allgemeinen gut bei Raumtemperatur; bessere Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen als 25# | Gut bei Raumtemperatur; niedriger als 20# in ähnlich bearbeitetem Zustand |
| Härte (HB) | ~110 – 160 HB | ~130 – 180 HB |
Hinweise: Dies sind repräsentative Bereiche für warmgewalzte oder normalisierte Bedingungen. Spezifische Werte hängen von der genauen Chemie, der Querschnittsdicke und der thermischen/mechanischen Verarbeitung ab. 25# ist im Allgemeinen stärker und härter aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und des erhöhten Perlits, während 20# im Allgemeinen duktiler und zäher in vergleichbaren Bedingungen ist.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von unlegierten Kohlenstoffstählen wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt und die Härtbarkeit kontrolliert. Höherer Kohlenstoff erhöht das Risiko, dass im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) hartes, sprödes Martensit entsteht, und erhöht somit die Anfälligkeit für Kaltverzug.
Nützliche Bewertungsformeln (qualitative Anleitung): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (konservativer): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - 20# (niedrigerer C) zeigt typischerweise niedrigere $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ Werte als 25#, was auf eine einfachere Schweißbarkeit, reduzierte Vorwärmeanforderungen und ein geringeres Risiko von HAZ-Rissen hinweist. - 25# (höherer C) erfordert oft eine sorgfältigere Schweißpraxis — Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen und Nachbehandlung in kritischen Anwendungen — insbesondere für dickere Querschnitte. - Mikrolegierung kann die Härtbarkeit selbst bei niedrigem Gesamtlegierungsgehalt erhöhen; da beide Qualitäten im Allgemeinen unlegiert sind, sind die Legierungseffekte im Vergleich zu HSLA-Stählen begrenzt.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder 20# noch 25# sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit ist ähnlich und schlecht im Vergleich zu rostfreien Stählen. Schutzstrategien umfassen Lackieren/Beschichten, Feuerverzinken, Galvanisieren, Ölen oder korrosionshemmende Grundierungen.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar, aber die Formel für den rostfreien Vergleich lautet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Auswahlhinweis: Wenn Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, anstatt kosteneffizienten Kohlenstoffstahl, ist die Spezifizierung einer rostfreien Qualität oder einer korrosionsbeständigen Legierung der richtige Ansatz, anstatt sich auf 20# oder 25# mit Beschichtungen zu verlassen, wenn langfristige oder aggressive Umgebungsleistung erforderlich ist.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formen und Biegen: 20# ist in Formoperationen nachgiebiger aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und höheren Dehnung; weniger Rückfederung und niedrigere Formkräfte sind typisch.
- Kaltverarbeitung: 25# verfestigt sich schneller und kann höhere Formkräfte und engere Werkzeugkontrollen erfordern.
- Bearbeitbarkeit: Ein höherer Kohlenstoff- und Perlitgehalt in 25# erhöht normalerweise die Festigkeit und Härte; die Bearbeitbarkeit hängt von der Mikrostruktur und den Schwefel-/Phosphorgehalten ab. Im Allgemeinen kann 25# unter identischen Bedingungen etwas schwieriger zu bearbeiten sein (höhere Schnittkräfte, schnellere Werkzeugabnutzung) als 20#.
- Oberflächenveredelung: Beide Qualitäten können geschliffen, poliert oder beschichtet werden. Die höhere Härte von 25# kann eine aggressivere Auswahl der Schleifwerkzeuge erfordern.
8. Typische Anwendungen
| 20# (häufige Anwendungen) | 25# (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Strukturkomponenten, Rohre mit kleinem Durchmesser, allgemeine Fertigung, bei der Duktilität und Schweißbarkeit priorisiert werden | Wellen, Achsen, Bolzen, Schrauben und Teile, bei denen höhere Festigkeit oder Verschleißfestigkeit erforderlich sind |
| Maschinenrahmen, geschweißte Baugruppen, allgemeine Schmiedeteile | Mittelschwere Zahnräder und leicht belastete Verschleißteile (wenn keine Legierung erforderlich ist) |
| Kostengünstige gefertigte Teile, lackierte oder beschichtete Komponenten | Komponenten, die nach der Wärmebehandlung oder Kaltverfestigung eine höhere Härte erfordern |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 20#, wenn Formen, Schweißen, Duktilität und Kosten die Hauptanliegen sind. - Wählen Sie 25#, wenn höhere Festigkeit, moderate Erhöhung der Verschleißfestigkeit oder kleinere Querschnitte, die eine höhere Tragfähigkeit erfordern, wichtig sind und kontrollierte Schweißpraktiken umgesetzt werden können.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 20# ist im Allgemeinen etwas günstiger als 25# auf Basis pro Tonne aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts (Produktionskostenunterschiede sind gering, aber die Marktpreise begünstigen typischerweise niedrig-C-Qualitäten). Der Kostenunterschied ist moderat.
- Verfügbarkeit: Beide Qualitäten sind in Regionen, in denen GB/chinesische Stähle verkauft werden, weit verbreitet in Stangen, Platten, Blechen und Schmiedeteilen erhältlich. 20# könnte in allgemeinen Beständen häufiger vorrätig sein; 25# ist häufig für mechanische Anwendungen erhältlich.
- Produktformen: Rundstahl, warmgewalzte Platten und geschweißte Rohre sind gängig. Lieferzeiten und Verfügbarkeit hängen von den Produktionsprioritäten der Walzwerke und der regionalen Nachfrage ab.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | 20# | 25# |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (niedriger C, einfacher) | Mäßig (höherer C, mehr Sorgfalt) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Bessere Zähigkeit/Duktilität bei niedrigerer Festigkeit | Höhere Festigkeit, niedrigere Duktilität im Vergleich zu 20# |
| Kosten | Niedriger / wirtschaftlich | Etwas höher |
Wählen Sie 20#, wenn: - Das Design gute Schweißbarkeit und hohe Duktilität erfordert (z. B. umfangreiche geschweißte Strukturen, komplexe Formgebung). - Kostenempfindlichkeit und einfache Fertigung Prioritäten sind. - Teile Stoßlasten ausgesetzt sind oder eine bessere Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen in einfachen Kohlenstoffstahl-Anwendungen erfordern.
Wählen Sie 25#, wenn: - Höhere Festigkeit oder Härte erforderlich ist, ohne auf einen mittellegierten Stahl umzusteigen. - Die Größe oder Geometrie des Bauteils eine höhere Tragfähigkeit bei begrenzter Gewichtszunahme erfordert. - Der Fertigungsplan kontrollierte Schweißverfahren (Vorwärmen, geeignete Verbrauchsmaterialien) umfasst oder das Teil wärmebehandelt/angelassen wird, um eine Ziel-Eigenschaft zu erreichen.
Abschließende Anmerkung: Die Entscheidung zwischen 20# und 25# ist hauptsächlich ein Kompromiss beim Kohlenstoffgehalt: moderat höhere Festigkeit und Härte auf Kosten von Duktilität und Schweißbarkeit. Für kritische Anwendungen, bei denen sowohl höhere Festigkeit als auch zuverlässige Zähigkeit erforderlich sind, ziehen Sie in Betracht, eine entwickelte mittellegierte Qualität oder HSLA-Material mit dokumentierten Eigenschaften zu spezifizieren, anstatt sich ausschließlich auf erhöhten Kohlenstoff zu verlassen.