20# против 45# – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто выбирают между 20# и 45# при спецификации углеродных сталей для валов, шестерен, крепежных деталей и общих механических частей. Решение обычно балансирует между возможностью производства (сварка, формуемость и обработка), необходимыми механическими характеристиками (прочность, твердость и ударная вязкость) и ограничениями по стоимости.
Основное техническое различие между двумя марками заключается в их содержании углерода и в результате различиях в механическом поведении и реакции на термообработку. Поскольку 45# содержит значительно больше углерода, чем 20#, он достигает большей прочности и закаливаемости после термообработки, но жертвует пластичностью и становится более требовательным к сварке и некоторым операциям формовки. Эти компромиссы делают две марки взаимодополняющими для различных классов применения и маршрутов обработки.
1. Стандарты и обозначения
- Китайский GB/T: 20# и 45# (обычно используемые отечественные обозначения).
- JIS: S20C (≈ 20#) и S45C (≈ 45#).
- AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) и AISI 1045 (≈ 45#).
- EN: C20 и C45 (семейство EN 10083; обратите внимание, что подробная спецификация зависит от формы продукта и термообработки).
Классификация: как 20#, так и 45# являются углеродными сталями (не легированными/низколегированными углеродными сталями), не нержавеющими, HSLA или инструментальными сталями. Они обычно поставляются в горячекатаном, нормализованном, отожженном или закаленном и отпускном состоянии в зависимости от применения.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: Типичные диапазоны химического состава (вес.%) для 20# и 45#. Значения являются представительными диапазонами, используемыми для сравнения спецификаций; для точной химии следует обращаться к фактическим сертификатам поставщиков.
| Элемент | 20# (типичный вес%) | 45# (типичный вес%) |
|---|---|---|
| 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 (следы) | ≤ 0.30 (следы) |
| Ni | ≤ 0.30 (следы) | ≤ 0.30 (следы) |
| Mo | ≤ 0.08 (следы) | ≤ 0.08 (следы) |
| V | ≤ 0.03 (следы) | ≤ 0.03 (следы) |
| Nb | ≤ 0.03 (следы) | ≤ 0.03 (следы) |
| Ti | ≤ 0.03 (следы) | ≤ 0.03 (следы) |
| B | ≤ 0.001 (редкие) | ≤ 0.001 (редкие) |
| N | ≤ 0.012 (типично) | ≤ 0.012 (типично) |
Стратегия легирования и эффекты: - Углерод (C) является основным контролем прочности и закаливаемости. Более высокий C увеличивает достижимую твердость и прочность после закалки, но снижает пластичность и свариваемость. - Марганец (Mn) увеличивает закаливаемость и прочность на растяжение и противодействует хрупкости от серы; 45# обычно имеет более высокий Mn для улучшения прочности и закаливаемости. - Кремний (Si) является деоксидизатором и умеренно способствует прочности. - Следовые легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, V) обычно минимальны в этих марках, но, если присутствуют, увеличивают закаливаемость, прочность и иногда ударную вязкость.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- 20#: В обычных состояниях после прокатки или нормализации микроструктура в основном состоит из феррита + перлита (грубая или мелкая в зависимости от охлаждения и нормализации). Низкое содержание углерода приводит к большему количеству феррита и относительно низкому содержанию перлита. Нормализация/очистка уменьшает расстояние между перлитом и улучшает однородность и прочность умеренно.
- 45#: В состояниях после прокатки или нормализации микроструктура состоит из феррита + перлита с более высоким содержанием перлита и более мелким интердендритным расстоянием по сравнению с 20#. Из-за более высокого углерода и Mn, 45# имеет большую закаливаемость и может образовывать мартенсит или бейнит при закалке, за которым следует отпуск для получения закаленных и отпущенных микроструктур (отпущенный мартенсит) с значительно большей прочностью и износостойкостью.
Эффекты термообработки: - Нормализация (воздушное охлаждение выше Ac3) очищает зерно и производит однородную ферритно-перлитную структуру; обе марки получают выгоду, но увеличение прочности более выражено в 45#. - Закалка и отпуск обычно применяются к 45# для достижения высокой прочности и усталостной стойкости. 20# имеет ограниченную закаливаемость — закалка приведет к низкому содержанию мартенсита и ограниченной выгоде. - Отжиг (полный отжиг) смягчает материал для обработки или формовки; 20# легко отжигается. 45# в отожженном состоянии обрабатывается, но все равно будет иметь большую прочность, чем нормализованный 20#.
4. Механические свойства
Таблица: Типичные диапазоны механических свойств по общему состоянию (представительные диапазоны; точные значения зависят от формы продукта и термообработки).
| Свойство | 20# (отожженный/нормализованный) | 45# (отожженный/нормализованный/закаленный–отпущенный) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ≈ 350–550 (отожженный→нормализованный) | ≈ 500–900 (отожженный→QT) |
| Предельная прочность (МПа) | ≈ 200–350 | ≈ 300–700 |
| Удлинение (A%) | ≈ 20–30% | ≈ 10–25% (уменьшается с закалкой) |
| Ударная вязкость (Charpy V) | Умеренная — хорошая при комнатной температуре, когда нормализована | Хорошая при правильном отпуске; ниже в закаленном состоянии, если не отпущен |
| Твердость (HB или HRC) | ≈ 120–200 HB (отожженный→нормализованный) | ≈ 150–300 HB (отожженный→QT в зависимости от отпуска) |
Интерпретация: - 45# предлагает значительно более высокую достижимую прочность на растяжение и твердость после соответствующей термообработки, благодаря более высокому углероду и закаливаемости. - 20# более пластична и прощает ошибки при формовке; удлинение и вязкость в 20# обычно выше для сопоставимой обработки. - Ударная вязкость сильно зависит от обработки — адекватный отпуск после закалки критически важен для 45#, чтобы избежать хрупкого поведения.
5. Свариваемость
Свариваемость углеродных сталей сильно зависит от содержания углерода и легирующих элементов через метрики эквивалента углерода. Общие индексы:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 20# (низкий C) обычно имеет низкий углеродный эквивалент, что обеспечивает хорошую свариваемость с низким предварительным подогревом и ограниченным риском водородного растрескивания или образования жесткого мартенсита в зоне термического влияния (HAZ). Постсварочная термообработка (PWHT) редко требуется для стандартных толщин в нормальных условиях. - 45# (более высокий C и немного более высокий Mn) дает больший углеродный эквивалент; сварочные процедуры часто требуют предварительного подогрева, контролируемых температур межпрохода и учета PWHT, особенно для толстых секций или ограниченных соединений. Вероятность закалки HAZ и холодного растрескивания увеличивается, если не используются надлежащие сварочные контролы.
Практика сварки: - Используйте соответствующие filler metals и подходящий предварительный подогрев/PWHT в соответствии с рекомендациями CE/Pcm. - Для критических сварных сборок из 45# рассмотрите возможность использования электродов с низким содержанием водорода и проведения PWHT для отпуска HAZ и снижения остаточных напряжений.
6. Коррозия и защита поверхности
- Как 20#, так и 45# являются не нержавеющими углеродными сталями и не обладают врожденной коррозионной стойкостью. Типичные методы защиты включают покраску, порошковую окраску, смазку, фосфатные обработки и оцинковку (горячее или электроцинкование) в зависимости от окружающей среды и требований к сроку службы.
- PREN (число эквивалента коррозионной стойкости) используется для нержавеющих сплавов и не применим к углеродным сталям. Пример формулы для оценки нержавеющих сталей:
$$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Для коррозионно-опасных сред выбирайте защитные покрытия или рассмотрите возможность использования нержавеющих или коррозионно-стойких сплавов вместо 20#/45#.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Формовка и изгиб: 20# легче холодно формовать и изгибать из-за его более низкой прочности и большей пластичности. 45# требует больше усилий и может потребовать отжига перед обширной формовкой.
- Обрабатываемость: обе марки хорошо обрабатываются в отожженном состоянии. 45# в отожженном состоянии обрабатывается предсказуемо и может обеспечить лучшее качество поверхности для определенных операций токарной/шлифовальной обработки благодаря более высокому углероду, улучшающему образование стружки; однако более твердый или закаленный-отпущенный 45# более труден в обработке и вызывает более быстрое износ инструмента. 20# предлагает меньший износ инструмента в общем механическом обработке.
- Обработка поверхности: 45# может быть закален и отшлифован до строгих допусков (например, для валов и износостойких поверхностей) после закалки и отпуска. 20# подходит там, где строгие допуски не связаны с высокими требованиями к твердости.
- Холодная обработка: 20# допускает более глубокую холодную вытяжку или холодное формование по сравнению с 45#, который может треснуть, если не отожжен.
8. Типичные применения
| 20# – Типичные применения | 45# – Типичные применения |
|---|---|
| Общие строительные компоненты, холодно-головочные крепежи, сварные сборки, валы с низкой нагрузкой, оси для легких нагрузок, формуемые штампованные детали | Валы, оси, шестерни, детали машин, требующие прочности закалки и отпуска, соединительные штанги, штифты, износостойкие компоненты, где требуются более высокая твердость и усталостная стойкость |
| Собранные рамы, кованые изделия общего назначения, где приоритетами являются свариваемость и формуемость | Термообработанные детали для передачи мощности, коленчатые валы в легких приложениях, закаленные штифты и посадочные места подшипников |
Обоснование выбора: - Выбирайте 20#, когда приоритетами являются свариваемость, формуемость и более низкая стоимость, и когда требования к прочности умеренные. - Выбирайте 45#, когда проект требует более высокой прочности на растяжение, твердости или усталостного ресурса и когда детали будут термообрабатываться для достижения этих свойств.
9. Стоимость и доступность
- Обе марки являются товарными сталями с широкой доступностью в виде прутков, плит и кованых изделий. 20# обычно имеет наименьшую стоимость сырья из-за более низкого содержания углерода и более простой обработки для многих применений.
- 45# имеет немного более высокую цену, в основном из-за более высокого углерода и более частого использования в термообработанных и шлифованных готовых продуктах. Общая стоимость компонента должна учитывать необходимые термообработки и механическую обработку — детали из 45# часто несут дополнительные затраты на обработку (закалка, отпуск, шлифовка).
- Сроки выполнения обычно короткие для стандартных форм; специальные формы или конкретные термообработки могут увеличить срок выполнения.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: Быстрое сравнение
| Атрибут | 20# | 45# |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная (низкий C, низкий CE) | Умеренная до сложной (высокий C, высокий CE) |
| Баланс прочности и вязкости | Умеренная прочность, высокая пластичность/вязкость | Более высокая достижимая прочность, сниженная пластичность при закалке |
| Стоимость | Низкая стоимость сырья; более простая обработка | Немного более высокая стоимость материала; часто более высокая стоимость обработки |
Окончательные рекомендации: - Выбирайте 20#, если: ваш проект требует хорошей свариваемости и формуемости, умеренная прочность достаточна, чувствительность к стоимости высока, или компоненты будут соединены сваркой с минимальным предварительным подогревом и PWHT. - Выбирайте 45#, если: деталь требует более высокой прочности, твердости или усталостной стойкости, достижимой путем закалки и отпуска (например, валы, шестерни, штифты), и вы можете учесть более строгие сварочные контролы, предварительный подогрев и возможные PWHT или дополнительные операции механической обработки.
Заключительная заметка: Всегда проверяйте фактические химические и механические сертификаты от поставщиков и квалифицируйте сварочные процедуры на основе эквивалента углерода и геометрии детали. Для критических компонентов проводите испытания термообработки и механические испытания, представляющие окончательный маршрут производства, чтобы убедиться, что выбранная марка соответствует функциональным и жизненным требованиям.