45# vs 40Cr – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen unlegierten Kohlenstoffen und niedriglegierten Stählen für rotierende Wellen, Zahnräder, Stifte und Maschinenkomponenten. 45# (häufig als mittelkohlenstoffhaltiger unlegierter Stahl bezeichnet) und 40Cr (ein chromlegierter mittelkohlenstoffhaltiger Stahl) werden häufig verglichen, da sie benachbarte Zusammensetzungsräume einnehmen, aber unterschiedliche Härtefähigkeit, Festigkeit und Wärmebehandlungsreaktionen liefern.
Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass die Chromzugabe von 40Cr die Härtefähigkeit und die erreichbare Festigkeit nach dem Härten und Anlassen erhöht, während 45# auf den Kohlenstoffgehalt und die Querschnittsgröße angewiesen ist, um Härte und Festigkeit zu erreichen. Dieser Unterschied beeinflusst die Auswahl, wenn Durchhärtung, Querschnittsdicke und mechanische Ziele nach der Wärmebehandlung entscheidend sind.
1. Normen und Bezeichnungen
- 45#: Oft als GB/T-Grad „45#“ (China) zu finden. Entsprechende westliche Grade: ungefähr AISI/SAE 1045 (mittelkohlenstoffhaltiger Stahl). Klassifiziert als unlegierter Kohlenstoffstahl (nicht legiert).
- 40Cr: In GB/T als „40Cr“ zu finden. Grobe Entsprechungen: AISI/SAE 5140/4140-Familie (niedriglegierter Chromstahl). Klassifiziert als niedriglegierter Stahl.
Andere relevante Normensysteme, die vergleichbare Stähle abdecken können: - ASTM/ASME: SAE/AISI-Serie (z. B. 1045, 4140). - EN: EN 8 / C45 (nächster für 45#); 40Cr ähnelt EN 19/42CrMo4-Varianten, abhängig von der genauen Chemie. - JIS: JIS zeigt ähnliche mittelkohlenstoffhaltige und legierte Stähle unter verschiedenen numerischen Codes. - GB: Chinesische GB/T-Spezifikationen für 45# und 40Cr.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%). Tatsächliche Spezifikationsgrenzen hängen von Norm und Werk ab.
| Element | 45# (typisch) | 40Cr (typisch) |
|---|---|---|
| C | 0.42–0.50 | 0.37–0.44 |
| 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 | — (Spur) | 0.80–1.20 |
| Ni | — (Spur) | ≤0.30 (kann fehlen) |
| Mo | — (Spur) | ≤0.08 (gering oder fehlt) |
| V, Nb, Ti, B, N | Spur/kontrolliert | Spur/kontrolliert |
Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Kohlenstoff: primäre Härtefähigkeit und Festigkeit bei Raumtemperatur; höherer C erhöht die erreichbare Härte, verringert jedoch Zähigkeit und Schweißbarkeit. - Chrom (in 40Cr): erhöht die Härtefähigkeit und die Anlasstemperaturbeständigkeit, verbessert die Festigkeit und die Verschleißfestigkeit nach dem Härten und Anlassen; verfeinert auch die Karbidstruktur. - Mangan und Silizium: Entgasung und Festigkeit; Mn trägt zur Härtefähigkeit bei. - Phosphor und Schwefel werden niedrig gehalten, um Zähigkeit und Bearbeitbarkeit zu erhalten.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - 45#: Im geglühten oder normalisierten Zustand besteht die Mikrostruktur aus Ferrit + Perlit mit mittlerem Perlitanteil, der mit ~0.45%C übereinstimmt. Härten + Anlassen erzeugt Martensit, der auf eine gewünschte Härte angelassen wird, aber da 45# starke legierende Elemente fehlen, ist seine Härtefähigkeit begrenzt – Kernmartensit ist nur in relativ kleinen Querschnitten erreichbar. - 40Cr: Im normalisierten Zustand, Ferrit + Perlit mit legierten Karbiden; nach dem Härten ist es in der Lage, in größeren Querschnitten Martensit zu bilden, verglichen mit 45#, aufgrund von Cr. Das Anlassen erzeugt angelassenen Martensit mit besserem Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis und verbesserter Anlasstemperaturbeständigkeit.
Auswirkungen der gängigen Verarbeitung: - Normalisieren: Beide Grades verfeinern die Korngröße und erzeugen eine vorhersehbare Ferrit/Perlit-Mikrostruktur; 40Cr kann feinere Karbiddispersionen bilden. - Härten & Anlassen: 40Cr erreicht höhere Festigkeit und Zähigkeit in dickeren Querschnitten; 45# kann vergleichbare Härte in kleinen Querschnitten erreichen, erfordert jedoch sorgfältige Kontrolle, um sprödes Verhalten zu vermeiden. - Oberflächenhärtung (Induktion, Aufkohlen): Beide Grades sind geeignet; 40Cr wird bevorzugt, wenn ein zäher Kern mit einer gehärteten Oberfläche erforderlich ist, und kann zum besseren Oberflächenverschleißschutz aufgekohlt werden.
4. Mechanische Eigenschaften
Hinweis: Die mechanischen Eigenschaften variieren stark mit der Wärmebehandlung und der Querschnittsgröße. Die folgenden Werte sind typische Bereiche, die für den technischen Vergleich verwendet werden, und keine definitiven Spezifikationswerte.
| Eigenschaft (typische Bereiche) | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 520–750 | 600–1100 |
| Streckgrenze (MPa) | 300–500 | 400–950 |
| Dehnung (%) | 10–18 | 8–16 |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, J) | 15–60 (von der Wärmebehandlung abhängig) | 20–80 (besser im angelassenen gehärteten Zustand) |
| Härte (HB oder HRC) | HB 160–250 (HRC ~15–30) | HB 180–320 (HRC ~18–36) |
Interpretation: - Festigkeit: 40Cr kann typischerweise höhere Zug- und Streckgrenzen nach dem Härten & Anlassen erreichen, aufgrund der durch Cr verbesserten Härtefähigkeit und der Stabilität des angelassenen Martensits. - Zähigkeit: Wenn richtig angelassen, bietet 40Cr oft ein besseres Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis in größeren Querschnitten. In kleinen Querschnitten oder im geglühten Zustand kann 45# vergleichbare Zähigkeit zeigen. - Duktilität: 45# geglüht zeigt tendenziell eine etwas höhere Dehnung; 40Cr nach hochfesten Wärmebehandlungen wird weniger duktil sein.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt, den legierenden Elementen und der Dicke (Härtetendenz) ab. Nützliche Schwereindizes:
- International Institute of Welding Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Austenitischer Schweißbarkeitsparameter (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - 45#: Mit C ≈ 0.45% und sehr niedrigem Legierungsgehalt ist das $CE_{IIW}$ moderat; Vorwärmen und kontrolliertes Abkühlen werden für dickere Querschnitte empfohlen, um Rissbildung zu vermeiden, aber insgesamt ist die Schweißbarkeit besser als bei legierten Stählen mit derselben Härte, da es weniger Elemente gibt, die die Härtefähigkeit fördern. - 40Cr: Das Chrom erhöht die $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Beiträge über den $(Cr+Mo+V)$-Term; daher hat 40Cr eine höhere Tendenz zu hartem, martensitischem HAZ in dickeren Querschnitten und erfordert typischerweise Vorwärmung, Temperaturkontrolle zwischen den Schweißdurchgängen oder Nachschweißwärmebehandlung (PWHT). Der Einsatz von wasserstoffarmen Elektroden und kontrollierten Schweißverfahren wird empfohlen.
Empfehlung: Für kritische Schweißnähte oder dicke Querschnitte wählen Sie Verfahren, die die höhere Härtefähigkeit von 40Cr berücksichtigen; für kleine Komponenten oder wenn das Schweißen gelegentlich ist, ist 45# einfacher zu schweißen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder 45# noch 40Cr sind rostfrei oder korrosionsbeständig aufgrund der chemischen Zusammensetzung. Die Korrosionsbeständigkeit ist im Großen und Ganzen ähnlich, es sei denn, es sind spezifische Legierungen (z. B. höherer Cr oder Mo) vorhanden.
- Übliche Schutzmaßnahmen: Lackieren, Ölen, Phosphatieren und Verzinken für atmosphärische Exposition; Beschichtungen oder Überzüge für Verschleiß-Korrosionsumgebungen. Für 40Cr-Teile, die wärmebehandelt werden, wählen Sie Beschichtungen, die mit der Nachwärmebehandlung kompatibel sind.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar; zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ aber dieser Index ist nur für rostfreie Legierungen mit signifikantem Cr, Mo und N relevant.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: 45# (1045) im geglühten Zustand lässt sich vernünftig gut bearbeiten; höherer Kohlenstoff erhöht den Werkzeugverschleiß beim Schneiden von gehärtetem Material. 40Cr neigt dazu, zäher zu sein und kann beim Härten abrasiver auf Werkzeuge wirken; im normalisierten oder geglühten Zustand ist die Bearbeitung handhabbar.
- Formbarkeit/Biegen: 45# geglüht ist formbarer; 40Cr im normalisierten Zustand wird weniger duktil sein als geglühtes 45# und erfordert größere Biegeradien oder Vorwärmung für die Formgebung, wenn es sich im gehärteten Zustand befindet.
- Oberflächenveredelung: Beide reagieren gut auf Schleifen, Drehen und Polieren, wenn sie richtig wärmebehandelt sind; die Auswahl der Schnittgeschwindigkeiten und Werkzeugmaterialien muss die Härte und das Anlassen berücksichtigen.
8. Typische Anwendungen
| 45# (typische Anwendungen) | 40Cr (typische Anwendungen) |
|---|---|
| Wellen, Achsen, Bolzen, Stifte, Kurbelkomponenten in niedriger bis moderater Beanspruchung | Stark belastete Wellen, Zahnräder, Kurbelwellen, hochfeste Stifte, Zahnradrohlinge |
| Allgemeine bearbeitete Teile, bei denen moderate Festigkeit erforderlich ist und die Kosten eine Rolle spielen | Teile, die tiefere Härtung und höhere Ermüdungsfestigkeit in größeren Querschnitten erfordern |
| Schrauben und gefräste Komponenten nach Härten/Anlassen in kleinen Querschnitten | Geschmiedete Komponenten, aufgekohlte/gehärtete Komponenten für Verschleißfestigkeit |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 45#, wenn Kosten, moderate Festigkeit und einfachere Wärmebehandlung oder Schweißen Priorität haben und die Querschnitte klein sind. - Wählen Sie 40Cr, wenn höhere Durchhärtung, bessere Anlasstabilität und höhere Tragfähigkeit – insbesondere für größere Querschnitte – erforderlich sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: 45# ist typischerweise pro Tonne günstiger als 40Cr, da es keine legierenden Zusätze hat. 40Cr hat einen Aufpreis für den Cr-Gehalt und dafür, dass es als legierter Stahl spezifiziert ist.
- Verfügbarkeit: Beide Grades sind weltweit häufig in Stangen, Platten, Schmiedeteilen und Rundmaterial erhältlich. 45# ist allgegenwärtig für allgemeine Lagerbestände; 40Cr wird häufig für technische Anwendungen vorrätig gehalten und wird üblicherweise in normalisierten, gehärteten & angelassenen und geschmiedeten Zuständen angeboten.
- Lieferzeiten: Standardmetrische Stangen und Schmiedeteile sind leicht verfügbar; spezielle Chemien oder eng tolerierte Schmiedeteile können die Lieferzeit verlängern.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (hochgradig qualitativ):
| Merkmal | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (mit Vorwärmung für dicke Querschnitte) | Herausfordernder (höhere Vorwärmung/PWHT oft erforderlich) |
| Festigkeit–Zähigkeit (nach HT) | Moderat | Höher (bessere Durchhärtung & Ansprechverhalten beim Anlassen) |
| Kosten | Niedriger | Höher |
Wählen Sie 45#, wenn: - Sie einen kostengünstigen mittelkohlenstoffhaltigen Stahl für kleine bis moderate Querschnitte benötigen. - Schweißfreundlichkeit und einfachere Wärmebehandlungsverfahren Priorität haben. - Anwendungen angemessene Festigkeit mit guter Bearbeitbarkeit und Formbarkeit (nach Glühen oder Normalisieren) erfordern.
Wählen Sie 40Cr, wenn: - Sie höhere Härtefähigkeit und größere Festigkeit/Zähigkeit nach Härten & Anlassen benötigen, insbesondere in größeren Querschnitten. - Teile höheren Ermüdungsbelastungen, schwereren Einsätzen ausgesetzt sind oder einen zäheren Kern mit einer gehärteten Oberfläche erfordern. - Sie Komponenten spezifizieren, bei denen vorhersehbare Leistung nach der Wärmebehandlung und bessere Anlasstemperaturbeständigkeit wichtig genug sind, um höhere Materialkosten zu rechtfertigen.
Abschließende Anmerkung: Die endgültige Auswahl sollte von den erforderlichen mechanischen Zielen, der Querschnittsdicke, der Wärmebehandlungsfähigkeit, den Schweißanforderungen und den Gesamtkosten im Lebenszyklus bestimmt werden. Im Zweifelsfall spezifizieren Sie die erforderlichen mechanischen Eigenschaften und den Wärmebehandlungszustand, anstatt nur die Klasse; ein Werkstoffingenieur kann dann die wirtschaftlichste Klasse und den Prozess auswählen, um diese Ziele zu erreichen.