40Cr vs 45Cr – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
40Cr und 45Cr sind zwei häufig spezifizierte vergütete Legierungs-/Kohlenstoffstähle, die für Wellen, Zahnräder, Achsen und andere mechanische Komponenten verwendet werden. Ingenieure und Beschaffungsexperten wägen häufig die Kompromisse zwischen höherem Legierungsgehalt (für Härte und Vergütungsbeständigkeit) und höherem Kohlenstoffgehalt (für die Härte und Festigkeit im vergüteten Zustand) ab. Typische Entscheidungskontexte umfassen, ob ein Teil durchgehärtet oder oberflächengehärtet sein muss, ob Schweißbarkeit oder Zähigkeit Priorität hat und die zulässigen Material- und Verarbeitungskosten.
Der Hauptunterschied zwischen diesen Güten besteht darin, dass 40Cr mit absichtlich zugesetztem Chrom formuliert ist, um die Härtbarkeit und das Vergütungsverhalten zu verbessern, während 45Cr einen höheren Kohlenstoffgehalt (und manchmal leicht unterschiedliche Cr-Gehalte) betont, um nach der Wärmebehandlung eine höhere Festigkeit zu erreichen. Daher werden sie häufig verglichen, wenn Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit alle Designfaktoren sind.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche nationale/industrielle Standards und Äquivalente (informativ, prüfen Sie den Vertrag/die Spezifikation für genaue Grenzen):
- GB/T (China): 40Cr (Legierungsbaustahl), 45Cr (höherer Kohlenstoff-Chromstahl in einigen Katalogen) — viele Lieferanten beziehen sich auf GB-Güten.
- AISI/SAE: 40Cr ≈ AISI 5140 Familie; 45Cr ≈ AISI 5145 Familie (Äquivalente variieren je nach Lieferant).
- EN (Europäisch): kein genaues direktes numerisches Äquivalent — am nächsten kommen mittlere Legierungsstähle wie 41Cr4/42CrMo-Varianten; prüfen Sie die EN-Spezifikation auf chemische Grenzen.
- JIS: Ähnliche Familienstähle existieren in japanischen Normen; genaue Bezeichnung überprüfen.
- Klassifikation: Beide Güten sind legierte Kohlenstoffstähle (nicht rostfrei). Sie werden als Baustähle/Legierungsstähle verwendet, die für die Wärmebehandlung geeignet sind; sie sind weder rein Kohlenstoffstähle noch HSLA im strengen Sinne.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
- Tabelle: typische nominale Zusammensetzungsbereiche (ausgedrückt in Gewicht %; tatsächliche Spezifikationsgrenzen variieren je nach Norm und Werk). Überprüfen Sie immer das Werkszertifikat auf Vertragskonformität.
| Element | Typisches 40Cr (nominal) | Typisches 45Cr (nominal) |
|---|---|---|
| C | 0.37–0.44 | 0.42–0.50 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.80–1.10 | 0.20–0.80 (variiert je nach Lieferant) |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.08 | ≤0.08 |
| V, Nb, Ti, B, N | typischerweise Spuren oder kontrolliert als Verunreinigungen | typischerweise Spuren oder kontrolliert als Verunreinigungen |
Hinweise: - Die Tabelle gibt repräsentative Bereiche an: 40Cr enthält konventionell etwa 0.8–1.1% Cr, um die Härtbarkeit und Vergütungsbeständigkeit zu erhöhen. Die Formulierungen von „45Cr“ können variieren — einige Lieferanten positionieren 45Cr nahe einem höherlegierten Chromstahl (C ≈ 0.45%), jedoch mit geringerem Chromgehalt als 40Cr; andere behandeln 45Cr als eine chromhaltige Version von 45# (0.45%C) Stahl. Bestätigen Sie immer das genaue chemische Zertifikat für die Charge, die Sie kaufen. - Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: Ein Anstieg des C-Gehalts erhöht die erreichbare Härte und Festigkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit. Chrom erhöht die Härtbarkeit, verbessert die Eindringtiefe in dickeren Abschnitten und verbessert die Vergütungsbeständigkeit und Verschleißleistung.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Typische Mikrostrukturen:
- Im heißgewalzten oder normalisierten Zustand: Ferrit + Perlit-Mikrostruktur; 40Cr kann feinere Perlit- und mehr erhaltene Karbiddispersion aufgrund von Cr zeigen.
- Nach dem Härten: Martensit (plus erhaltenes Austenit bei sehr hohem C); 45Cr (höherer C) bildet einen härteren, spröderen Martensit, wenn es auf das gleiche Härtelevel gehärtet wird.
-
Nach dem Vergüten: vergüteter Martensit; Cr-haltige Stähle (40Cr) entwickeln im Allgemeinen Vergütungsbeständigkeit — sie behalten die Festigkeit bei höheren Vergütungstemperaturen und bieten ein günstiges Zähigkeits-Festigkeits-Verhältnis.
-
Wärmebehandlungswege:
- Normalisieren: verfeinert das Korn und entfernt Bänder; wird häufig als Zwischenschritt für beide Güten verwendet.
- Härten und Vergüten (Q&T): der Hauptverfestigungsweg. 40Cr erreicht eine tiefere Härtung bei der gleichen Abschreckschwere aufgrund von Cr; 45Cr erreicht eine höhere Kernhärte in dünneren Abschnitten hauptsächlich aufgrund des höheren Kohlenstoffs.
- Thermomechanische Verarbeitung: kontrolliertes Walzen und beschleunigte Kühlung können die Mikrostruktur weiter verfeinern und die Festigkeit/Zähigkeit verbessern; die Vorteile gelten für beide, aber der Legierungsgehalt bestimmt die erreichbare Härtbarkeit.
4. Mechanische Eigenschaften
- Die folgenden sind typische Eigenschaftsrichtungen (tatsächliche Werte hängen von der Wärmebehandlung, der Abschnittsgröße und dem Prüfstandard ab). Verwenden Sie den Prüfbericht des Werks für Beschaffungsentscheidungen.
| Eigenschaft (typischer Zustand) | 40Cr (normalisiert / Q&T) | 45Cr (normalisiert / Q&T) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | Moderat bis hoch; breites Spektrum abhängig von Q&T | Leicht höhere maximal erreichbare Festigkeit bei gleicher Abschreckschwere (aufgrund von C) |
| Streckgrenze (MPa) | Moderat; gute Vergütungsstabilität | Allgemein höhere Streckgrenze bei gleicher Härte aufgrund von höherem C |
| Dehnung (%) | Gute Zähigkeit bei normalisiertem/angemessen vergütetem Zustand | Leicht niedrigere Dehnung bei gleicher Festigkeit aufgrund von höherem C |
| Schlagzähigkeit (J, Charpy) | Typischerweise bessere Zähigkeit bei gleicher Härte, da Cr die Vergütungseigenschaften verbessert | Geringere Zähigkeit als 40Cr bei gleichem Härtegrad, es sei denn, es wird angemessen vergütet |
| Härte (HRC oder HB) | Gute Härtbarkeit; kann hohe Härte mit Q&T erreichen | Höheres Härtepotenzial im vergüteten Zustand (höheres C), kann jedoch spröder sein |
Erklärung: - Festigkeit: Der höhere Kohlenstoffgehalt von 45Cr ermöglicht höhere Festigkeit/Härte bei gleicher Wärmebehandlung; jedoch ermöglicht das Vorhandensein von Chrom in 40Cr eine bessere Härtbarkeit für größere Abschnitte und verbessert die Zähigkeit nach dem Vergüten. - Zähigkeit: Die Legierung (Cr) hilft, die Zähigkeit bei höheren Festigkeiten aufrechtzuerhalten, da sie die Sprödigkeit während des Vergütens verringert. - Zähigkeit: Höherer Kohlenstoff reduziert typischerweise die Zähigkeit, sodass für Anwendungen, die Dehnung oder Ermüdungsbeständigkeit erfordern, 40Cr bei einem bestimmten Festigkeitsniveau vorzuziehen sein kann.
5. Schweißbarkeit
- Schlüsselfaktoren: Kohlenstoffgehalt und Kohlenstoffäquivalente bestimmen Vorwärm-/Nachwärm- und Verbraucherauswahl. Härte und Risiko von Kaltverzug steigen mit höherem C und hochhärtbaren Legierungen.
- Übliche Formeln für Kohlenstoffäquivalente zur Bewertung der Schweißbarkeit:
- IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Internationales Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretation:
- 45Cr (höherer C) zeigt typischerweise höhere CE und Pcm, was größere Vorwärm- und Interpass-Temperaturanforderungen und eine höhere Anfälligkeit für wasserstoffinduzierte Kaltverzüge impliziert.
- Das hinzugefügte Chrom von 40Cr erhöht CE etwas (da Cr im Zähler der CE-Formel erscheint), aber seine Härtbarkeit bedeutet, dass dicke Abschnitte eine sorgfältige Kontrolle des Schweißverfahrens erfordern. In der Praxis erfordern beide Güten angemessenes Vorwärmen, kontrollierte Interpass-Temperaturen, wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien und eine Nachbehandlung (PWHT) je nach Dicke und endgültigen Betriebsbedingungen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Diese Stähle sind nicht rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt. Schutzoptionen:
- Beschichtung, Pulverbeschichtung, Ölen oder Feuerverzinkung zum allgemeinen Korrosionsschutz.
- Für Komponenten, die in extremen Umgebungen betrieben werden sollen, sollten Oberflächenbehandlungen wie Nitrieren, Karbonisieren (für Verschleißflächen) oder Beschichten in Betracht gezogen werden.
- PREN (Pitting-Beständigkeitsäquivalentzahl) ist nicht anwendbar auf nicht rostfreie legierte Baustähle, aber die Beispiel-Formel ist: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Praktischer Punkt: Geringe Cr-Gehalte in 40Cr/45Cr machen sie nicht korrosionsbeständig; Chrom dient hier metallurgischen — nicht korrosiven — Zwecken.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- Höherer Kohlenstoffgehalt (45Cr) reduziert im Allgemeinen die Bearbeitbarkeit aufgrund höherer Härte nach der Wärmebehandlung; im geglühten Zustand ist die Bearbeitbarkeit akzeptabel, aber schlechter als bei niedriglegierten Stählen.
- 40Cr mit leicht niedrigerem C und höherem Cr verhält sich ähnlich; Bearbeitungsqualitäten erfordern oft einen weicheren (geglühten) Zustand und entsprechendes Werkzeug.
- Formbarkeit und Biegen:
- Im geglühten/normalisierten Zustand können beide Güten geformt werden; höherer Kohlenstoff reduziert die Zähigkeit — planen Sie Formoperationen im weicheren Zustand.
- Oberflächenbearbeitung:
- Oberflächenfinish und Schleifen: Beide Güten können geschliffen und poliert werden; Chrom kann den abrasiven Verschleiß von Werkzeugen beeinflussen.
- Verzerrung durch Wärmebehandlung: Beide werden während des Abschreckens Verzerrungen erfahren; die höhere Härtbarkeit von 40Cr kann Verzerrungen in dickeren Abschnitten reduzieren, wenn sie richtig abgeschreckt werden.
8. Typische Anwendungen
| 40Cr (häufige Anwendungen) | 45Cr (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Wellen, Zahnräder, Nockenwellen, schwere Achsen, wo Durchhärtung in dickeren Abschnitten erforderlich ist | Wellen, Stifte, Schrauben, Kurbelwellen, Zahnräder, wo höhere lokale Festigkeit oder Härte erforderlich ist und die Abschnitte moderat sind |
| Schlüsselbauteile und stark belastete Befestigungen, die gute Vergütungsbeständigkeit erfordern | Komponenten, die für höhere Oberflächen- oder Kernhärte nach dem Härten ausgelegt sind |
| Maschinenbauteile, die eine gute Verschleißbeständigkeit und Zähigkeitsbalance erfordern | Schmiedeteile und Bauteile, bei denen kostengünstiger höherer Kohlenstoffstahl mit entsprechender Wärmebehandlung ausreicht |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 40Cr, wenn Sie eine bessere Härtbarkeit für dickere Abschnitte, verbesserte Vergütungsstabilität und ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit benötigen. - Wählen Sie 45Cr, wenn der höhere Kohlenstoffgehalt (höhere erreichbare Härte und Festigkeit) in moderaten Abschnittsgrößen Priorität hat und akzeptable Kompromisse in Zähigkeit/Schweißbarkeit verwaltet werden.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relative Kosten: Materialkosten variieren je nach Werk und Markt, aber:
- 40Cr ist typischerweise etwas teurer als äquivalente rein Kohlenstoffstähle aufgrund der Legierung (Cr) und der damit verbundenen Verarbeitung.
- Der höhere Kohlenstoffgehalt von 45Cr kann ähnlich oder geringfügig niedriger sein als die Kosten von 40Cr, abhängig von den Chromgehalten; die Verfügbarkeit beider Güten in gängigen Stab-/Schmiedemaßen ist von großen Stahlwerken gut.
- Produktformen: Beide sind weit verbreitet als Rundstäbe, Schmiedeteile und kaltbearbeitete Stäbe erhältlich. Lieferzeiten und Preisvolatilität hängen von der Chromversorgung und den globalen Stahlmarktbedingungen ab.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 40Cr | 45Cr |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (qualitativ) | Besser bei moderatem CE, wenn C kontrolliert wird; erfordert dennoch Schweißvorkehrungen | Niedriger (höherer C) — größere Vorwärm-/PWHT-Anforderungen wahrscheinlich |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Gut; bessere Vergütungsbeständigkeit für Dicke | Höhere Härte/Festigkeit im vergüteten Zustand, aber geringere Zähigkeit bei gleicher Härte |
| Kosten (relativ) | Moderat (Legierungskostenaufschlag) | Vergleichbar bis leicht niedriger, abhängig vom Cr-Gehalt |
Empfehlung: - Wählen Sie 40Cr, wenn Sie gute Durchhärtung in größeren Abschnitten, verbesserte Vergütungsbeständigkeit und ein besseres Zähigkeits-Festigkeits-Verhältnis für stark belastete Komponenten benötigen. - Wählen Sie 45Cr, wenn Ihr Design maximierte Festigkeit/Härte in moderaten Abschnitten erfordert und Sie die Kompromisse in der Schweißbarkeit und Zähigkeit akzeptieren können (oder diese mit geeigneter Wärmebehandlung und Verarbeitung mindern können).
Letzte Anmerkung: Exakte chemische und mechanische Grenzen variieren zwischen Normen und Lieferanten. Für Beschaffung und Design geben Sie immer die Norm an (Werkszertifikat erforderlich), den erforderlichen Wärmebehandlungsweg und die relevanten mechanischen/Eigenschaftsannahmekriterien.