20# vs 45# – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wählen häufig zwischen 20# und 45#, wenn sie unlegierte Kohlenstoffe für Wellen, Zahnräder, Befestigungen und allgemeine mechanische Teile spezifizieren. Die Entscheidung balanciert typischerweise die Herstellbarkeit (Schweißbarkeit, Formbarkeit und Bearbeitbarkeit), die erforderliche mechanische Leistung (Festigkeit, Härte und Zähigkeit) und Kostenbeschränkungen.
Der primäre technische Unterschied zwischen den beiden Güten ist ihr Kohlenstoffgehalt und die daraus resultierenden Unterschiede im mechanischen Verhalten und der Reaktion auf die Wärmebehandlung. Da 45# erheblich mehr Kohlenstoff als 20# enthält, erreicht es nach der Wärmebehandlung eine höhere Festigkeit und Härte, opfert jedoch die Duktilität und wird anspruchsvoller beim Schweißen und bei einigen Umformoperationen. Diese Kompromisse machen die beiden Güten komplementär für verschiedene Anwendungsbereiche und Verarbeitungswege.
1. Normen und Bezeichnungen
- Chinesisch GB/T: 20# und 45# (häufig verwendete inländische Bezeichnungen).
- JIS: S20C (≈ 20#) und S45C (≈ 45#).
- AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) und AISI 1045 (≈ 45#).
- EN: C20 und C45 (EN 10083 Familie; beachten Sie, dass die detaillierte Spezifikation von der Produktform und der Wärmebehandlung abhängt).
Klassifizierung: sowohl 20# als auch 45# sind unlegierte Kohlenstoffe (unlegierte/niedriglegierte Kohlenstoffe), keine rostfreien, HSLA- oder Werkzeugstähle. Sie werden üblicherweise in warmgewalzter, normalisierter, geglühten oder vergüteter Form je nach Anwendung geliefert.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische chemische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) für 20# und 45#. Die Werte sind repräsentative Bereiche, die für den Spezifikationsvergleich verwendet werden; tatsächliche Lieferzertifikate sollten für präzise Chemie konsultiert werden.
| Element | 20# (typischer Gew.-%) | 45# (typischer Gew.-%) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.03–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ≤ 0.25 (Spur) | ≤ 0.30 (Spur) |
| Ni | ≤ 0.30 (Spur) | ≤ 0.30 (Spur) |
| Mo | ≤ 0.08 (Spur) | ≤ 0.08 (Spur) |
| V | ≤ 0.03 (Spur) | ≤ 0.03 (Spur) |
| Nb | ≤ 0.03 (Spur) | ≤ 0.03 (Spur) |
| Ti | ≤ 0.03 (Spur) | ≤ 0.03 (Spur) |
| B | ≤ 0.001 (selten) | ≤ 0.001 (selten) |
| N | ≤ 0.012 (typisch) | ≤ 0.012 (typisch) |
Legierungsstrategie und -effekte: - Kohlenstoff (C) ist die primäre Kontrolle für Festigkeit und Härte. Höherer C erhöht die erreichbare Härte und Festigkeit nach dem Härten, reduziert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit. - Mangan (Mn) erhöht die Härtbarkeit und Zugfestigkeit und wirkt der Schwefelversprödung entgegen; 45# hat typischerweise mehr Mn, um die Festigkeit und Härtbarkeit zu verbessern. - Silizium (Si) ist ein Entgasungsmittel und trägt bescheiden zur Festigkeit bei. - Spurenelemente (Cr, Ni, Mo, V) sind in diesen Güten normalerweise minimal, erhöhen jedoch, wenn vorhanden, die Härtbarkeit, Festigkeit und manchmal Zähigkeit.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- 20#: In den üblichen warmgewalzten oder normalisierten Zuständen ist die Mikrostruktur überwiegend Ferrit + Perlit (grob oder fein, abhängig von Kühlung und Normalisierung). Der niedrige Kohlenstoffgehalt ergibt einen größeren Ferritanteil und relativ niedrigen Perlitanteil. Normalisieren/Verfeinern reduziert den Perlitraum und verbessert die Gleichmäßigkeit und Festigkeit bescheiden.
- 45#: In warmgewalzten oder normalisierten Zuständen ist die Mikrostruktur Ferrit + Perlit mit einem höheren Perlitanteil und feinerem interdendritischem Abstand im Vergleich zu 20#. Aufgrund des höheren Kohlenstoff- und Mn-Gehalts hat 45# eine größere Härtbarkeit und kann Martensit oder Bainit bilden, wenn es gehärtet wird, gefolgt von einer Vergütung, um vergütete Mikrostrukturen (vergüteter Martensit) mit signifikant höherer Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu erzeugen.
Wärmebehandlungseffekte: - Normalisieren (Luftkühlung von über Ac3) verfeinert das Korn und erzeugt eine gleichmäßige Ferrit-Perlit-Struktur; beide Güten profitieren, aber der Festigkeitszuwachs ist bei 45# ausgeprägter. - Härten und Vergüten wird häufig auf 45# angewendet, um hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erreichen. 20# hat eine begrenzte Härtbarkeit – das Härten führt zu einem niedrigen Martensitanteil und begrenztem Nutzen. - Glühen (Vollglühen) macht das Material für die Bearbeitung oder Umformung weich; 20# wird leicht geglüht. 45# geglüht ist bearbeitbar, hat jedoch immer noch eine höhere Festigkeit als normalisiertes 20#.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische mechanische Eigenschaftsbereiche nach üblichem Zustand (repräsentative Bereiche; genaue Werte hängen von der Produktform und der Wärmebehandlung ab).
| Eigenschaft | 20# (geglüht/normalisiert) | 45# (geglüht/normalisiert/vergütet) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ≈ 350–550 (geglüht→normalisiert) | ≈ 500–900 (geglüht→QT) |
| Streckgrenze (MPa) | ≈ 200–350 | ≈ 300–700 |
| Dehnung (A%) | ≈ 20–30% | ≈ 10–25% (nimmt mit der Härtung ab) |
| Schlagzähigkeit (Charpy V) | Mäßig—gut bei Raumtemperatur, wenn normalisiert | Gut, wenn richtig vergütet; niedriger im gehärteten Zustand, wenn nicht vergütet |
| Härte (HB oder HRC) | ≈ 120–200 HB (geglüht→normalisiert) | ≈ 150–300 HB (geglüht→QT, abhängig von der Vergütung) |
Interpretation: - 45# bietet nach geeigneter Wärmebehandlung erheblich höhere erreichbare Zugfestigkeit und Härte, aufgrund des höheren Kohlenstoff- und Härtbarkeitsgehalts. - 20# ist duktiler und nachsichtiger bei der Umformung; Dehnung und Zähigkeit in 20# sind im Allgemeinen höher für vergleichbare Bearbeitung. - Die Schlagzähigkeit hängt stark von der Bearbeitung ab – eine angemessene Vergütung nach dem Härten ist entscheidend für 45#, um sprödes Verhalten zu vermeiden.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von unlegierten Kohlenstoffen wird stark durch den Kohlenstoffgehalt und die Legierungselemente über Kohlenstoffäquivalentmetriken beeinflusst. Häufige Indizes:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 20# (niedriger C) hat typischerweise ein niedriges Kohlenstoffäquivalent, was eine gute Schweißbarkeit mit niedriger Vorwärmung und begrenztem Risiko von Wasserstoffrissbildung oder harter Martensitbildung in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) ermöglicht. Eine Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) ist unter normalen Bedingungen für Standarddicken selten erforderlich. - 45# (höherer C und leicht höheres Mn) ergibt ein größeres Kohlenstoffäquivalent; Schweißverfahren erfordern häufig Vorwärmung, kontrollierte Zwischentemperaturen und Berücksichtigung von PWHT, insbesondere für dicke Abschnitte oder eingespannten Verbindungen. Die Wahrscheinlichkeit von HAZ-Härtung und Kaltverzug steigt, wenn keine geeigneten Schweißkontrollen verwendet werden.
Schweißpraxis: - Verwenden Sie passende Füllmetalle und geeignete Vorwärmung/PWHT gemäß CE/Pcm-Richtlinien. - Für kritische geschweißte Baugruppen aus 45# sollten Sie in Betracht ziehen, wasserstoffarme Elektroden zu verwenden und PWHT durchzuführen, um die HAZ zu vergüten und Restspannungen zu reduzieren.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 20# als auch 45# sind nicht rostende unlegierte Kohlenstoffe und besitzen keine inhärente Korrosionsbeständigkeit. Typische Schutzmethoden umfassen Lackieren, Pulverbeschichten, Ölen, Phosphatbehandlungen und Verzinken (heißt oder elektrolytisch), abhängig von der Umgebung und den Anforderungen an die Lebensdauer.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) wird für rostfreie Legierungen verwendet und ist nicht auf unlegierte Kohlenstoffe anwendbar. Beispiel-Formel für die rostfreie Bewertung:
$$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Für korrosionsanfällige Umgebungen wählen Sie Schutzbeschichtungen oder ziehen Sie rostfreie oder korrosionsbeständige Legierungen anstelle von 20#/45# in Betracht.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit
- Umformen und Biegen: 20# lässt sich aufgrund seiner niedrigeren Festigkeit und höheren Duktilität leichter kalt umformen und biegen. 45# erfordert mehr Kraft und benötigt möglicherweise eine Glühung vor umfangreicher Umformung.
- Bearbeitbarkeit: Beide Güten lassen sich gut in geglühten Zuständen bearbeiten. 45# im geglühten Zustand bearbeitet sich vorhersehbar und kann aufgrund des höheren Kohlenstoffs, der die Spanbildung verbessert, eine bessere Oberflächenbeschaffenheit für bestimmte Dreh-/Schleifoperationen erzeugen; jedoch ist härter oder vergütetes 45# schwieriger zu bearbeiten und verursacht schnelleren Werkzeugverschleiß. 20# bietet im Allgemeinen einen geringeren Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung.
- Oberflächenveredelung: 45# kann nach dem Härten und Vergüten auf enge Toleranzen gehärtet und geschliffen werden (z. B. für Wellen und Verschleißflächen). 20# ist geeignet, wo enge Toleranzen nicht mit hohen Härteanforderungen verbunden sind.
- Kaltverarbeitung: 20# toleriert tiefere Kaltumformung oder Kaltkopfungen im Vergleich zu 45#, das reißen kann, wenn es nicht geglüht wird.
8. Typische Anwendungen
| 20# – Typische Anwendungen | 45# – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Allgemeine Strukturkomponenten, kaltgeformte Befestigungen, geschweißte Baugruppen, Niedriglastwellen, Achsen für leichte Lasten, formbare Stanzteile | Wellen, Achsen, Zahnräder, Maschinenbauteile, die Vergütungsfestigkeit erfordern, Pleuelstangen, Stifte, Verschleißkomponenten, wo höhere Härte und Ermüdungsbeständigkeit benötigt werden |
| Fertige Rahmen, allgemeine Schmiedeteile, bei denen Schweißbarkeit und Umformbarkeit Priorität haben | Wärmebehandelte Teile für die Kraftübertragung, Kurbelwellen in leichten Anwendungen, gehärtete Passstifte und Lagerplätze |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 20#, wenn Schweißbarkeit, Umformbarkeit und niedrigere Kosten priorisiert werden und wenn die Festigkeitsanforderungen moderat sind. - Wählen Sie 45#, wenn das Design höhere Zugfestigkeit, Härte oder Ermüdungslebensdauer erfordert und wenn Teile wärmebehandelt werden, um diese Eigenschaften zu erreichen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Beide Güten sind Handelsstähle mit breiter Verfügbarkeit in Stangen, Platten und Schmiedeteilen. 20# hat typischerweise die niedrigsten Rohmaterialkosten aufgrund des niedrigeren Kohlenstoffgehalts und der einfacheren Verarbeitung für viele Anwendungen.
- 45# hat einen leicht höheren Preis, hauptsächlich aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und der häufigeren Verwendung in wärmebehandelten und geschliffenen Fertigprodukten. Die Gesamtkosten der Komponenten sollten die erforderlichen Wärmebehandlungen und Bearbeitungen berücksichtigen – Teile aus 45# verursachen oft zusätzliche Verarbeitungskosten (Härten, Vergüten, Schleifen).
- Die Lieferzeiten sind für Standardformen in der Regel kurz; Spezialformen oder spezifische Wärmebehandlungen können die Lieferzeit verlängern.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Schneller Vergleich
| Attribut | 20# | 45# |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Ausgezeichnet (niedriger C, niedriger CE) | Mäßig bis herausfordernd (höherer C, höherer CE) |
| Festigkeit–Zähigkeit Gleichgewicht | Mäßige Festigkeit, höhere Duktilität/Zähigkeit | Höhere erreichbare Festigkeit, reduzierte Duktilität, wenn gehärtet |
| Kosten | Niedrigere Rohmaterialkosten; einfachere Verarbeitung | Leicht höhere Materialkosten; oft höhere Verarbeitungskosten |
Abschließende Empfehlungen: - Wählen Sie 20#, wenn: Ihr Design gute Schweißbarkeit und Umformbarkeit erfordert, moderate Festigkeit ausreichend ist, Kostensensibilität hoch ist oder Komponenten mit minimaler Vorwärmung und PWHT geschweißt werden. - Wählen Sie 45#, wenn: das Teil höhere Festigkeit, Härte oder Ermüdungsbeständigkeit erfordert, die durch Härten und Vergüten erreicht werden kann (z. B. Wellen, Zahnräder, Stifte), und Sie strengere Schweißkontrollen, Vorwärmung und mögliche PWHT oder zusätzliche Bearbeitungsoperationen berücksichtigen können.
Abschließende Anmerkung: Überprüfen Sie immer die tatsächlichen chemischen und mechanischen Zertifikate von Lieferanten und qualifizieren Sie Schweißverfahren basierend auf dem Kohlenstoffäquivalent und der Geometrie des Teils. Für kritische Komponenten führen Sie Wärmebehandlungsversuche und mechanische Tests durch, die repräsentativ für den endgültigen Fertigungsweg sind, um sicherzustellen, dass die ausgewählte Güte die funktionalen und Lebenszyklusanforderungen erfüllt.