45# vs 55# – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Einführung
Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner müssen häufig zwischen mittelkohlenstoffhaltigen Stählen wählen, bei denen ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Zähigkeit, Kosten und Verarbeitbarkeit erforderlich ist. Zwei häufig in diesem Bereich betrachtete Sorten sind die chinesischen Bezeichnungen 45# und 55# (die grob Stählen mit nominalen Kohlenstoffgehalten von etwa 0,45% bzw. 0,55% entsprechen). Typische Entscheidungskontexte umfassen Wellen- und Achsdesign, Schmiedeteile und Stanzteile, wärmebehandelte Komponenten und Situationen, in denen Schweißbarkeit gegen Festigkeit und Verschleißfestigkeit abgewogen werden muss.
Der wesentliche praktische Unterschied zwischen diesen beiden Sorten besteht darin, dass der höhere Kohlenstoffgehalt in 55# im Allgemeinen eine höhere erreichbare Festigkeit und Härtbarkeit auf Kosten der Duktilität und Schweißbarkeit erzeugt. Dieser Kompromiss ist der Grund, warum Designer diese Sorten vergleichen, wenn sie Komponenten spezifizieren, die eine höhere Durchhärtung oder Oberflächenhärte erfordern, im Vergleich zu Komponenten, die Zähigkeit, Formbarkeit und einfache Verbindung priorisieren.
1. Normen und Bezeichnungen
- GB/T (China): 45# und 55# sind gängige unlegierte Kohlenstoffstahlgüten in GB/T 699 und verwandten Normen für kohlenstoffhaltige Baustähle und mittelkohlenstoffhaltige Stähle.
- AISI/SAE-Äquivalente (ungefähr): 45# ≈ AISI/SAE 1045; 55# ≈ AISI/SAE 1055 (nominal).
- EN (Europäisch): Diese Sorten fallen in die Familie der unlegierten Kohlenstähle (z.B. C45-Familie in EN 10083) und nicht in die Klassen von legierten, Werkzeug-, rostfreien oder HSLA-Stählen.
- Klassifizierung: Beide sind unlegierte Kohlenstähle (nicht rostfrei, nicht HSLA, nicht Werkzeugstahl). Sie werden typischerweise als mittelkohlenstoffhaltige Stähle behandelt, die für Abschrecken und Anlassen oder Oberflächenhärtung geeignet sind.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typisch 45# (Gew%) | Typisch 55# (Gew%) |
|---|---|---|
| C | 0,42 – 0,50 | 0,52 – 0,60 |
| Mn | 0,50 – 0,80 | 0,50 – 0,90 |
| Si | ≤ 0,40 | ≤ 0,40 |
| 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, Nb, Ti, B, N | typischerweise nur Spur-/ppm-Niveaus, es sei denn, sie sind mikrolegiert | typischerweise nur Spur-/ppm-Niveaus, es sei denn, sie sind mikrolegiert |
Hinweise: - Die oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche sind repräsentativ für gängige kommerzielle 45#- und 55#-Sorten; genaue Grenzen hängen von der spezifischen nationalen Norm und dem Hersteller ab. - Beide Sorten sind hauptsächlich kohlenstoffverstärkt. Geringe Mengen an Mn und Si sind zur Entgasung und Verstärkung vorhanden; andere Elemente sind typischerweise auf Spurenniveau, es sei denn, der Stahl ist absichtlich mikrolegiert. - Legierungsstrategie: Erhöhung des Kohlenstoffs erhöht Festigkeit, Härte und Härtbarkeit (Fähigkeit, Martensit durch dickere Querschnitte zu bilden). Mangan trägt zur Zugfestigkeit und Härtbarkeit bei und hilft bei der Entgasung; Silizium unterstützt hauptsächlich die Festigkeit und Rückfederung, jedoch in geringen Mengen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Im gewalzten oder geglühten Zustand:
- Beide Sorten zeigen typischerweise eine Ferrit + Perlit-Mikrostruktur. 55# hat aufgrund des höheren Kohlenstoffs einen größeren Volumenanteil an Perlit, was zu höherer Härte und Festigkeit im gelieferten Zustand, aber zu geringerer Duktilität führt.
- Normalisieren:
- Normalisieren verfeinert die Korngröße und erzeugt eine gleichmäßigere perlitisch/ferritische Struktur; beide Sorten reagieren gut, wobei 55# eine höhere Festigkeit behält.
- Abschrecken und Anlassen (Q&T):
- Abschrecken zur Bildung von Martensit und anschließendes Anlassen ist der Standardweg, um hohe Festigkeits-Zähigkeits-Kombinationen in beiden Sorten zu erreichen.
- 55# erreicht eine höhere Härte im abgeschreckten Zustand und eine tiefere Härtung für eine gegebene Abschreckschwere aufgrund des höheren Kohlenstoffs (und oft leicht höheren Mn), ist jedoch anfälliger für durch Abschrecken induzierte Risse und erfordert eine sorgfältige Anlasstemperatur, um die Zähigkeit wiederherzustellen.
- Thermomechanische Verarbeitung:
- Schmieden und kontrolliertes Walzen können die Mikrostruktur verfeinern und die Zähigkeit für beide Sorten verbessern; Mikrolegierung (V, Nb, Ti) würde die Reaktion erheblich ändern, wenn vorhanden.
- Härtbarkeit:
- Härtbarkeit ist eine Funktion von Kohlenstoff und Legierung; mit höherem Kohlenstoff und Mn hat 55# im Allgemeinen eine größere Härtbarkeit als 45#, was härtere Mikrostrukturen bei größeren Querschnitten ermöglicht.
4. Mechanische Eigenschaften
Die Tabelle zeigt typische Bereiche mechanischer Eigenschaften. Die Werte hängen stark von der nominalen Zusammensetzung, der Querschnittsgröße und der Wärmebehandlung ab.
| Eigenschaft (typische Bereiche) | 45# (normalisiert / typisches Q&T) | 55# (normalisiert / typisches Q&T) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | Normalisiert: 550 – 700; Q&T: 700 – 1000+ | Normalisiert: 650 – 820; Q&T: 800 – 1100+ |
| Streckgrenze (0,2% Offset, MPa) | Normalisiert: 320 – 430; Q&T: 500 – 900 | Normalisiert: 420 – 620; Q&T: 600 – 1000 |
| Dehnung (A%) | Normalisiert: 12 – 18%; Q&T: 8 – 16% | Normalisiert: 8 – 14%; Q&T: 6 – 12% |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, Raumtemp, J) | Variabel: 25 – 60 J (querschnittsabhängig) | Variabel: 15 – 45 J (querschnittsabhängig) |
| Härte (HB) | Normalisiert: ~160 – 210 HB; Q&T: ~200 – 320 HB | Normalisiert: ~190 – 240 HB; Q&T: ~240 – 350 HB |
Interpretation: - Festigkeit: 55# kann unter gleichen Bedingungen höhere Zug- und Streckgrenzen erreichen, aufgrund des höheren Kohlenstoffs (und größerer Perlit-/Martensitanteile). - Zähigkeit & Duktilität: 45# ist im Allgemeinen duktiler und zäher im normalisierten Zustand und ist weniger anfällig für Versprödung nach Abschrecken und Anlassen – insbesondere bei größeren Querschnitten oder unsachgemäßem Anlassen. - Härte: 55# wird im Allgemeinen höhere Härtewerte sowohl im gelieferten als auch im wärmebehandelten Zustand erzeugen. - Alle Werte hängen von der Wärmebehandlung (Abschreckschwere, Anlasstemperatur/-zeit), dem Querschnitt und der spezifischen Chemie ab.
5. Schweißbarkeit
- Kohlenstoffgehalt und Härtbarkeit sind die Hauptfaktoren für die Schweißbarkeit in unlegierten Kohlenstählen. Höherer Kohlenstoff und höhere Härtbarkeit erhöhen das Risiko, dass im wärmebeeinflussten Bereich (HAZ) hartes, sprödes Martensit entsteht, was zu Kaltverriss führen kann, es sei denn, es werden Vorwärmung/Nachwärmung und geeignete Füllmaterialien verwendet.
- Gemeinsame prädiktive Indizes:
- International Institute of Welding Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Dearden–O’Neill (Pcm) zur Auswahl von Verbrauchsmaterialien: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Qualitative Interpretation:
- 55# wird ein höheres Kohlenstoffäquivalent als 45# aufweisen, hauptsächlich aufgrund des höheren Kohlenstoffs (und möglicherweise leicht höheren Mn), sodass 55# ohne Vorwärmung oder Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) weniger schweißbar ist.
- Für kritische geschweißte Strukturen sollten niedrigwasserstoffhaltige Verbrauchsmaterialien ausgewählt, Vorwärmung durchgesetzt, die Interpass-Temperatur kontrolliert und PWHT für 55# in Betracht gezogen werden, um Risse im HAZ zu vermeiden.
- 45# ist einfacher zu verbinden und kann in vielen Werkstattanwendungen mit moderater Vorwärmung und Standardverbrauchsmaterialien geschweißt werden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl 45# als auch 55# sind unlegierte Kohlenstähle; die intrinsische Korrosionsbeständigkeit ist gering.
- Typische Schutzstrategien:
- Feuerverzinkung für Außen-/Atmosphärenschutz.
- Organische Beschichtungen (Epoxid, Polyurethan) oder Farben für milde Umgebungen.
- Oberflächenbehandlungen wie Phosphatierung oder Ölen für Innen-, nicht kritische Teile.
- Für Verschleiß- oder Gleitflächen können Hartauftrag oder Einsatzhärtung (Karbonitrieren/Nitrieren gefolgt von Nachbearbeitung) angewendet werden – Karbonitrieren kann für 45# verwendet werden, ist jedoch für 55# aufgrund des bereits höheren Kohlenstoffs weniger verbreitet.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist nur für rostfreie Stähle relevant: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN ist nicht anwendbar auf unlegierte Kohlenstähle wie 45# und 55#.
7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit
- Zerspanbarkeit:
- Der höhere Kohlenstoffgehalt in 55# erhöht den Werkzeugverschleiß und verringert die Zerspanbarkeit im Vergleich zu 45#. Wo Bearbeitungsgeschwindigkeit und Werkzeuglebensdauer entscheidend sind, ist 45# günstiger.
- Die Härte nach der Wärmebehandlung verringert weiter die Zerspanbarkeit; unterbrechen Sie das Schneiden und verwenden Sie geeignete Werkzeuge für gehärtete Bedingungen.
- Formbarkeit und Kaltverformung:
- 45# hat aufgrund der geringeren Härtbarkeit und höheren Duktilität bessere Kaltformbarkeit, Biege- und Zieheigenschaften.
- 55# ist anfälliger für Risse während der Formgebung und erfordert geringere Verformungsdehnungen oder erhöhte Temperatur/Formmethoden.
- Schleifen, Bohren und Nachbearbeitung:
- Beide können auf hohe Toleranzen bearbeitet werden, aber die optimalen Schneidparameter hängen von der endgültigen Härte ab. Die Kosten für die Oberflächenbearbeitung steigen mit der Härte (55# wärmebehandelte Teile kosten mehr in der Nachbearbeitung).
- Beschränkungen der Wärmebehandlung:
- 55# erfordert eine sorgfältigere Kontrolle des Abschreckens und der Anlasstemperaturen, um Verformungen/Risse in Schmiedeteilen und großen Querschnitten zu vermeiden.
8. Typische Anwendungen
| 45# (Typische Anwendungen) | 55# (Typische Anwendungen) |
|---|---|
| Wellen, Achsen (mäßige Lasten), Kurbelwellen (wenn geschmiedet/gehärtet), Kupplungen, allgemeine mechanische Teile, die gute Zerspanbarkeit und angemessene Festigkeit erfordern | Schwerere Wellen, Stifte, einige Arten von Zahnradrohlingen, Verschleißteile, Komponenten, die höhere Durchhärtung oder höhere Gebrauchshärte erfordern |
| Geschmiedete und bearbeitete Komponenten, die normalisiert oder Q&T für moderate Festigkeit und gute Zähigkeit sein werden | Komponenten, die für höhere Härte nach Abschrecken & Anlassen vorgesehen sind, einschließlich einiger landwirtschaftlicher und Bauteile |
| Kaltgeformte Teile, bei denen Duktilität und Biegen erforderlich sind | Teile, die höheren Kontaktspannungen ausgesetzt sind oder bei denen höhere statische Festigkeit/Verschleißfestigkeit priorisiert wird |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie 45#, wenn Verarbeitungsfreundlichkeit, Schweißbarkeit und Zähigkeit Priorität haben und die Querschnittsgrößen moderat sind. - Wählen Sie 55#, wenn höhere Festigkeit oder tiefere Härtung erforderlich ist und der Produktionsprozess die strengeren Anforderungen an Wärmebehandlung, Schweißen und Bearbeitung bewältigen kann.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten:
- Beide Sorten sind Handelswaren unlegierte Kohlenstähle. 45# ist typischerweise etwas günstiger aufgrund der breiteren Verwendung und des etwas niedrigeren Kohlenstoffgehalts (und daher einfacher zu verarbeiten).
- 55# kann aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und möglicherweise strengerer Qualitätskontrollen für Wärmebehandlungsanwendungen geringfügig teurer sein.
- Verfügbarkeit:
- 45# ist äußerst verbreitet in Stab-, Platten- und Schmiedebeständen. 55# ist ebenfalls weit verbreitet, aber in einigen Märkten und Produktformen weniger allgegenwärtig als 45#.
- Lieferzeiten für wärmebehandelte, oberflächenbehandelte oder große Querschnittsteile aus 55# können aufgrund der Prozesspflege (Vorwärmzeiten, Anlassen, kontrolliertes Abkühlen) länger sein.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | 45# | 55# |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedriger CE) | Geringer (höherer CE; erfordert Vorwärmung/PWHT) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Gute Zähigkeit bei moderater Festigkeit | Höhere erreichbare Festigkeit, geringere Duktilität, wenn nicht korrekt angelassen |
| Kosten | Etwas niedriger, besser verfügbar | Etwas höher, möglicherweise strengere Anforderungen an die Wärmebehandlung |
Wählen Sie 45#, wenn: - Das Design Duktilität, Schlagzähigkeit, Zerspanbarkeit oder häufiges Schweißen betont. - Teile mittlere Querschnitte haben und eine wirtschaftliche Produktion und breite Verfügbarkeit erfordern. - Sie ein nachgiebiges Wärmebehandlungsfenster und einfachere Handhabung in der Werkstatt wünschen.
Wählen Sie 55#, wenn: - Höhere Härte im gelieferten Zustand, größere erreichbare Zug- und Streckgrenzen oder verbesserte Durchhärtung dickerer Querschnitte erforderlich sind. - Der Fertigungsplan kontrolliertes Abschrecken und Anlassen oder Oberflächenhärtung umfasst, bei der der Basiskohlenstoff vorteilhaft ist. - Sie zusätzliche Schweiß- und Bearbeitungsmaßnahmen sowie möglicherweise einen kleinen Aufpreis für Material- und Verarbeitungskosten akzeptieren.
Abschließende Anmerkung: Die Spezifikation sollte Geometrie, beabsichtigte Wärmebehandlung, erforderliche Oberflächenbeschaffenheit, Schweißanforderungen und Betriebsbelastungen berücksichtigen. Im Zweifelsfall fordern Sie Muster von wärmebehandelten Teststücken an oder führen Sie einen Härte-/Zähigkeitstest an repräsentativen Querschnitten durch, bevor Sie eine vollständige Produktionsreihe starten.