35# против 45# – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
35# и 45# — это два широко используемых сорта стали средней углеродности, встречающиеся в механических компонентах, валах, крепежах и кованых изделиях. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно взвешивают компромиссы между стоимостью, обрабатываемостью, свариваемостью и несущей способностью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают в себя приоритет более высокой прочности и износостойкости в готовом виде по сравнению с более легким формованием, меньшей чувствительностью к термообработке и более простыми процедурами соединения.
Основное различие между двумя сортами заключается в их содержании углерода и, как следствие, в более высокой прочности и твердости материала 45# по сравнению с 35#. Этот основной сдвиг в составе влияет на микроструктуру, реакцию на термообработку, закаливаемость и последующие операции — именно поэтому эти сорта часто сравниваются для компонентов, которые требуют баланса прочности, ударной вязкости и технологичности.
1. Стандарты и обозначения
- GB (Китай): 35# и 45# (распространенная номенклатура в китайских стандартах).
- EN / Европейский: C35, C45 (семейство EN 10083 для термообрабатываемых сталей).
- SAE/AISI: примерно эквивалентно 1035 (≈0.35%C) и 1045 (≈0.45%C).
- JIS (Япония): S35C, S45C.
- ASTM/ASME: нет прямого однозначного обозначения, но сопоставимо со сталями средней углеродности, охватываемыми более широкими спецификациями (прутки, кованые изделия).
Классификация: как 35#, так и 45# являются обычными углеродными сталями (не нержавеющими, не HSLA по умолчанию). Они могут поставляться как основные углеродные стали для термообработки; легирующие элементы, кроме C, Mn и Si, обычно минимальны, если продукт не указан как легированный или микро-легированный.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: типичные диапазоны состава (в.%). Это представительные диапазоны, используемые на практике для углеродных сталей с обозначениями 35 и 45. Фактический поставляемый материал должен быть проверен по сертификатам завода.
| Элемент | 35# (типичный, в%) | 45# (типичный, в%) |
|---|---|---|
| C | 0.32 – 0.38 | 0.42 – 0.50 |
| Mn | 0.25 – 0.65 | 0.50 – 0.80 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 (макс) | ≤ 0.035 (макс) |
| S | ≤ 0.035 (макс) | ≤ 0.035 (макс) |
| Cr | обычно ≤ 0.25 (следы) | обычно ≤ 0.25 (следы) |
| Ni | обычно ≤ 0.30 (следы) | обычно ≤ 0.30 (следы) |
| Mo | обычно ≤ 0.08 (следы) | обычно ≤ 0.08 (следы) |
| V, Nb, Ti | обычно не указаны (следы в некоторых маршрутах) | обычно не указаны (следы) |
| B, N | следовые уровни, если контролируются | следовые уровни, если контролируются |
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной фактор прочности и закаливаемости. Более высокий C (45#) увеличивает достигаемую твердость и прочность на разрыв после закалки и отпускания, но снижает пластичность и свариваемость. - Марганец: повышает закаливаемость и прочность на разрыв и противодействует хрупкости от серы; распространен в обоих сортах на умеренных уровнях. - Кремний: деоксидант и умеренно способствует прочности. - Следовые легирующие элементы (Cr, Mo, V): если присутствуют намеренно, улучшают закаливаемость, износостойкость и стабильность отпуска; но типичные 35#/45# не легируются до высоких уровней, если не указано.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В состоянии прокатки или нормализации: смесь феррита и перлита. 35# (низкий углерод) будет иметь большую долю феррита и более грубый перлит; 45# имеет более высокую долю перлита/цементита (более ламеллярный перлит) и может показывать некоторый проэутектоидный цементит в зависимости от охлаждения. - После закалки: образование мартенсита более выражено в 45# при одинаковой жесткости закалки из-за более высокого углерода. 35# будет образовывать мартенсит, но в меньшей степени (и может потребовать более глубокую закалку или легирование для эквивалентной твердости). - После отпуска: закаленный мартенсит, с реакциями отпуска, различающимися по углероду — стали с более высоким содержанием углерода сохраняют более высокую твердость при эквивалентных температурах отпуска.
Влияние технологических маршрутов: - Нормализация (аустенитизация и воздушное охлаждение) уточняет размер зерна и производит относительно однородную матрицу феррит+перлит; 35# обычно становится более пластичным после этого. - Закалка и отпуск могут повысить прочность и ударную вязкость: 45# может достичь более высоких значений прочности/твердости, но требует тщательного отпуска, чтобы избежать хрупкости. - Термомеханическая обработка и добавление микро-легирующих элементов (V, Nb, Ti) могут уточнить размер зерна феррита и произвести более прочные матрицы феррит/перлит или bainitic, увеличивая прочность без единственного полагания на углерод; такие обработки обычно указываются, а не являются неотъемлемыми в стандартных 35#/45#.
4. Механические свойства
Таблица: типичные диапазоны механических свойств для общих условий (нормализованные или закаленные и отпущенные диапазоны перекрываются). Это представительные значения — проверьте с сертификатами завода и записями термообработки для проектирования.
| Свойство | 35# (типичный) | 45# (типичный) |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв (Rm) | ~500 – 700 МПа | ~600 – 800 МПа |
| Предельная прочность (Rp0.2 / Re) | ~300 – 500 МПа | ~350 – 600 МПа |
| Удлинение (A) | ~16 – 25% | ~10 – 18% |
| Ударная вязкость (Charpy V notch, как нормализованный) | умеренная; выше, чем 45# при той же термообработке | ниже, чем 35# при той же обработке; улучшается с отпуском |
| Твердость (HB) | ~150 – 220 HB | ~180 – 260 HB |
Интерпретация: - 45# сильнее и способен на более высокую твердость и износостойкость из-за более высокого углерода; обычно показывает сниженное удлинение и меньшую ударную вязкость в эквивалентных условиях. - 35# более пластичен и более прощает формование и термические циклы сварки; часто предпочтителен, когда важны ударная вязкость, изгиб или холодное формование. - Окончательные свойства сильно зависят от термообработки: закаленный и отпущенный 35# может приблизиться или превысить прочность нормализованного 45#, но твердость и способность к износостойкости остаются ограниченными содержанием углерода.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит в первую очередь от содержания углерода, эквивалента углерода (CE) и легирования. Два распространенных эмпирических индекса полезны для интерпретации относительной свариваемости:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
и
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 45# с более высоким углеродом будет иметь более высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, чем 35# (при прочих равных), что указывает на большую предрасположенность к образованию твердых мартенситных термически затронутых зон и более высокий риск холодных трещин. Это требует предварительного подогрева, контролируемых температур межпрохода и постсварочной термообработки (PWHT) чаще для 45#. - 35# более свариваем в типичной производственной практике: более низкие требования к предварительному подогреву, меньший риск деформации и меньше проблем с трещинами. - Когда присутствуют легирующие элементы (Cr, Mo), закаливаемость увеличивается, а свариваемость дополнительно снижается для обоих сортов; этот эффект усиливается в 45# из-за его более высокой базовой закаливаемости от углерода.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 35#, ни 45# не являются нержавеющими сталями; обе подвержены общей атмосферной коррозии и локализованным атакам в агрессивных средах.
- Распространенные защитные стратегии: горячее цинкование, электролитическое покрытие, конверсионные покрытия, системы покраски/грунтовки или полимерные покрытия. Выбор зависит от условий эксплуатации, геометрии и стоимости.
- PREN (эквивалентный номер сопротивления к коррозии) не применим к обычным углеродным сталям, так как используется для нержавеющих сплавов:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Используйте коррозионно-стойкие сплавы (нержавеющие стали) или покрытия, когда устойчивость к коррозии является требованием к проектированию; для обычных углеродных сталей сосредоточьтесь на методах барьерной и катодной защиты.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: 35# обычно обрабатывается легче, чем 45#, из-за более низкой твердости и меньшего износа инструмента; однако обрабатываемость зависит от термообработки и микроструктуры. Модификации для легкой резки (добавления серы) являются отдельной категорией.
- Формуемость и изгиб: 35# имеет более высокую пластичность и лучшую холодную формуемость. 45# может быть холодно сформован, но имеет сниженное допустимое напряжение перед трещинами; может потребоваться горячее формование или отжиг для жестких изгибов.
- Шлифовка, отделка и упрочнение поверхности: 45# лучше реагирует на процессы упрочнения поверхности (индукционное упрочнение, цементация с последующей закалкой и отпуском при сочетании с соответствующими углеродными профилями) для улучшения износостойкости.
- Размерная стабильность: оба сорта требуют внимания к остаточным напряжениям, возникающим при обработке и термообработке; 45# может потребовать отжиг для снятия напряжений в зависимости от конечного применения.
8. Типичные применения
| 35# — Типичные применения | 45# — Типичные применения |
|---|---|
| Валы и оси для умеренных нагрузок, штифты, шпильки и болты, где важны пластичность и ударная вязкость | Сильно нагруженные валы, шестерни, коленчатые валы, распределительные валы, тяжелые болты, износостойкие детали, требующие более высокой твердости |
| Кованые изделия и компоненты, которые будут подвергнуты отпуску для умеренной прочности и хорошей ударной вязкости | Компоненты, требующие более высокой прочности после закалки и отпуска и устойчивости к износу поверхности |
| Части, которые часто свариваются или требуют более агрессивного формования | Части, требующие более высокой усталостной прочности и износостойкости; компоненты, подвергающиеся изгибной усталости |
Обоснование выбора: - Выбирайте 35#, когда формование, легкость сварки и ударная вязкость являются приоритетами или когда стоимость является ограничением. - Выбирайте 45#, когда более высокая прочность в готовом виде, твердость поверхности и износостойкость являются основными факторами проектирования и когда процесс изготовления может учитывать более высокую закаливаемость стали.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 35# обычно немного дешевле, чем 45# на основе килограмма из-за более низкого содержания углерода и схожих производственных маршрутов; разница незначительна. Затраты на термообработку и отделку могут превышать разницу в цене материала.
- Доступность: оба сорта широко распространены в виде прутков, плит и кованого материала. 45# может чаще храниться для тяжелонагруженных компонентов и приложений, требующих поставок после закалки и отпуска, в то время как 35# распространен для деталей общего назначения.
- Формы продукции: оба сорта широко доступны в виде горячекатаных прутков, холоднотянутых прутков, кованых изделий и плит. Специально микро-легированные или контролируемые по химическому составу варианты производятся под заказ.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Аспект | 35# | 45# |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкий CE) | Более чувствителен (высокий CE) |
| Баланс прочности и ударной вязкости | Более пластичен, лучшая ударная вязкость при равной термообработке | Более высокая достигаемая прочность/твердость; меньшая пластичность при чрезмерной закалке |
| Стоимость | Немного ниже (стоимость материала) | Немного выше (стоимость материала + потенциальная обработка) |
Рекомендации: - Выбирайте 35#, если: - Вам нужна лучшая пластичность в готовом виде, более простые процессы сварки и сниженный риск трещин. - Часть будет подвергаться значительному формованию или требовать более высокой ударной вязкости при проектных нагрузках. - Стоимость и простота производства имеют приоритет над максимальной твердостью или износостойкостью.
- Выбирайте 45#, если:
- Требуется более высокая прочность, больший потенциал твердости или улучшенная износостойкость (например, сильно нагруженные валы, шестерни).
- Процесс производства может включать соответствующий предварительный подогрев/PWHT и контролируемую закалку/отпуск для управления ударной вязкостью.
- Срок службы при усталостных нагрузках, твердость поверхности через индукционное упрочнение или свойства после закалки и отпуска являются факторами проектирования.
Заключительная заметка: как 35#, так и 45# являются углеродными сталями общего назначения. Лучший выбор зависит от нагрузки на готовый компонент, маршрута изготовления и ограничений по стоимости. Для критических приложений указывайте требуемую термообработку, целевые механические свойства и приемочные испытания (УЗ/МТ, картирование твердости, испытания на ударную вязкость) в документах на закупку, чтобы гарантировать, что завод и маршрут термообработки обеспечивают требуемую производительность.