45# против 40Cr – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между углеродными сталями и низколегированными сталями для вращающихся валов, шестерен, штифтов и машинных компонентов. 45# (обычно обозначаемая как углеродная сталь средней прочности) и 40Cr (легированная хромом углеродная сталь средней прочности) часто сравниваются, поскольку они занимают соседние составные пространства, но обеспечивают разные закаливаемости, прочность и реакции на термообработку.
Основное различие заключается в том, что добавление хрома в 40Cr увеличивает закаливаемость и достигаемую прочность после закалки и отпускания, в то время как 45# полагается на содержание углерода и размер сечения для достижения твердости и прочности. Это различие определяет выбор, когда критически важны сквозная закалка, толщина сечения и механические цели после термообработки.
1. Стандарты и обозначения
- 45#: Часто встречается как стандарт GB/T "45#" (Китай). Эквивалентные западные марки: примерно AISI/SAE 1045 (углеродная сталь средней прочности). Классифицируется как углеродная сталь (нелегированная).
- 40Cr: В стандарте GB/T обозначается как "40Cr". Примерные эквиваленты: AISI/SAE 5140/4140 (низколегированная хромовая сталь). Классифицируется как низколегированная сталь.
Другие соответствующие системы стандартов, которые могут охватывать сопоставимые стали: - ASTM/ASME: серия SAE/AISI (например, 1045, 4140). - EN: EN 8 / C45 (ближайший для 45#); 40Cr приближен к EN 19/42CrMo4 в зависимости от точной химии. - JIS: JIS показывает аналогичные стали средней прочности и легированные стали под разными числовыми кодами. - GB: Китайские спецификации GB/T для 45# и 40Cr.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: типичные диапазоны состава (в.%). Фактические пределы спецификаций зависят от стандарта и завода.
| Элемент | 45# (типичный) | 40Cr (типичный) |
|---|---|---|
| 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 | — (следы) | 0.80–1.20 |
| Ni | — (следы) | ≤0.30 (может отсутствовать) |
| Mo | — (следы) | ≤0.08 (малое или отсутствует) |
| V, Nb, Ti, B, N | следы/контролируемые | следы/контролируемые |
Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основная закаливаемость и прочность при комнатной температуре; более высокий C увеличивает достижимую твердость, но снижает вязкость и свариваемость. - Хром (в 40Cr): повышает закаливаемость и сопротивление отпусканию, улучшает прочность и износостойкость после закалки и отпуска; также улучшает структуру карбидов. - Марганец и кремний: дегазация и прочность; Mn способствует закаливаемости. - Фосфор и сера должны быть низкими, чтобы поддерживать вязкость и обрабатываемость.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - 45#: В отожженном или нормализованном состоянии микроструктура состоит из феррита + перлита с средней долей перлита, соответствующей ~0.45%C. Закалка + отпуск приводит к образованию мартенсита, отпущенного до желаемой твердости, но поскольку 45# не имеет сильных легирующих элементов, его закаливаемость ограничена — ядро мартенсита достигается только в относительно малых сечениях. - 40Cr: В нормализованном состоянии феррит + перлит с легированными карбидами; после закалки способен образовывать мартенсит в больших сечениях по сравнению с 45# благодаря Cr. Отпуск приводит к образованию отпущенного мартенсита с лучшим балансом прочности и вязкости и улучшенным сопротивлением отпуску.
Эффекты обычной обработки: - Нормализация: оба сорта уточняют размер зерна и образуют предсказуемую микроструктуру феррит/перлит; 40Cr может образовывать более мелкие дисперсии карбидов. - Закалка и отпуск: 40Cr достигает более высокой прочности и вязкости в толстых сечениях; 45# может достичь сопоставимой твердости в малых сечениях, но потребует тщательного контроля, чтобы избежать хрупкого поведения. - Поверхностная закалка (индукция, цементация): оба сорта подходят; 40Cr предпочтителен, когда требуется прочное ядро с закаленной поверхностью, и его можно цементировать для повышения износостойкости поверхности.
4. Механические свойства
Примечание: механические свойства сильно варьируются в зависимости от термообработки и размера сечения. Значения ниже являются типичными диапазонами, используемыми для инженерного сравнения, а не окончательными значениями спецификаций.
| Свойство (типичные диапазоны) | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | 520–750 | 600–1100 |
| Устойчивость к текучести (МПа) | 300–500 | 400–950 |
| Удлинение (%) | 10–18 | 8–16 |
| Ударная вязкость (Charpy V, Дж) | 15–60 (в зависимости от термообработки) | 20–80 (лучше в отпущенном состоянии после закалки) |
| Твердость (HB или HRC) | HB 160–250 (HRC ~15–30) | HB 180–320 (HRC ~18–36) |
Интерпретация: - Прочность: 40Cr обычно может достигать более высоких пределов прочности на растяжение и текучести после закалки и отпуска благодаря повышенной закаливаемости и стабильности отпущенного мартенсита. - Вязкость: При правильном отпуске 40Cr часто обеспечивает лучший баланс прочности и вязкости в больших сечениях. В малых сечениях или в отожженном состоянии 45# может показывать сопоставимую вязкость. - Пластичность: 45# в отожженном состоянии, как правило, показывает немного большее удлинение; 40Cr после термообработок высокой прочности будет менее пластичным.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от содержания углерода, легирующих элементов и толщины (тенденция к закалке). Полезные индексы жесткости:
- Международный институт сварки эквивалент углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- параметр свариваемости (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 45#: С C ≈ 0.45% и очень низким содержанием легирующих элементов, $CE_{IIW}$ умеренный; рекомендуется предварительный подогрев и контролируемое охлаждение для толстых сечений, чтобы избежать трещин, но в целом свариваемость лучше, чем у легированных сталей той же твердости, поскольку имеется меньше элементов, способствующих закаливаемости. - 40Cr: Хром повышает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ за счет термина $(Cr+Mo+V)$; таким образом, 40Cr имеет более высокую тенденцию к образованию жесткой мартенситной зоны HAZ в толстых сечениях и обычно требует предварительного подогрева, контроля температуры между проходами или термообработки после сварки (PWHT). Рекомендуется использовать электроды с низким содержанием водорода и контролируемые процедуры сварки.
Рекомендация: Для критических сварных соединений или толстых сечений выбирайте процедуры, которые учитывают более высокую закаливаемость 40Cr; для мелких компонентов или когда сварка происходит время от времени, 45# легче сваривать.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни 45#, ни 40Cr не являются нержавеющими или коррозионно-стойкими по химическому составу. Коррозионная стойкость схожа в массовом объеме, если не присутствует специфическое легирование (например, более высокий Cr или Mo).
- Общие защиты: покраска, смазка, фосфатирование и оцинковка для атмосферного воздействия; покрытие или покрытия для условий износ-коррозии. Для деталей из 40Cr, которые подвергались термообработке, выбирайте покрытия, совместимые с обработкой после термообработки.
- PREN (эквивалентный номер сопротивления к образованию ямок) не применим к этим нелегированным сталям; для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ но этот индекс актуален только для нержавеющих сплавов с значительным содержанием Cr, Mo и N.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: 45# (1045) в отожженном состоянии обрабатывается достаточно хорошо; более высокий углерод увеличивает износ инструмента при резке закаленного материала. 40Cr, как правило, более прочен и может быть более абразивным для инструментов при закалке; в нормализованном или отожженном состоянии обработка управляемая.
- Формуемость/сгибание: 45# в отожженном состоянии более формуемая; 40Cr в нормализованном состоянии будет менее пластичным, чем отожженный 45# и требует больших радиусов изгиба или предварительного подогрева для формовки, если находится в закаленном состоянии.
- Обработка поверхности: оба сорта хорошо реагируют на шлифовку, токарную обработку и полировку при правильной термообработке; выбор скоростей резания и материалов инструмента должен учитывать твердость и отпуск.
8. Типичные применения
| 45# (типичные применения) | 40Cr (типичные применения) |
|---|---|
| Валы, оси, шпильки, штифты, компоненты кривошипа в условиях низкой и средней нагрузки | Сильно нагруженные валы, шестерни, коленчатые валы, высокопрочные штифты, заготовки шестерен |
| Общие обработанные детали, где требуется умеренная прочность и важна стоимость | Детали, требующие более глубокой закалки и более высокой усталостной прочности в больших сечениях |
| Гайки и компоненты с нарезкой после закалки/отпуска в малых сечениях | Кованые компоненты, цементированные/закаленные компоненты для износостойкости |
Обоснование выбора: - Выбирайте 45#, если приоритетами являются стоимость, умеренная прочность и более простая термообработка или сварка, а сечения небольшие. - Выбирайте 40Cr, если требуется более высокая сквозная закалка, лучшая стабильность отпуска и большая несущая способность — особенно для больших сечений.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 45# обычно дешевле за тонну, чем 40Cr, поскольку не имеет легирующих добавок. 40Cr имеет надбавку за содержание Cr и за то, что он указан как легированная сталь.
- Доступность: Оба сорта обычно доступны по всему миру в виде прутков, листов, кованых изделий и круглых заготовок. 45# широко используется для общего назначения; 40Cr широко хранится для инженерных приложений и обычно предлагается в нормализованном, закаленном и отпущенном, а также кованом состояниях.
- Сроки поставки: стандартные метрические прутки и кованые изделия доступны; специальные химические составы или кованые изделия с жесткими допусками могут увеличить сроки поставки.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (высокоуровневое качественное):
| Характеристика | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая (с предварительным подогревом для толстых сечений) | Более сложная (часто требуется более высокий подогрев/PWHT) |
| Прочность–Вязкость (после термообработки) | Умеренная | Выше (лучше сквозная закалка и реакция на отпуск) |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Выбирайте 45#, если: - Вам нужна экономически эффективная углеродная сталь средней прочности для малых и средних сечений. - Легкость сварки и более простые процедуры термообработки являются приоритетами. - Применения требуют разумной прочности с хорошей обрабатываемостью и формуемостью (после отжига или нормализации).
Выбирайте 40Cr, если: - Вам требуется более высокая закаливаемость и большая прочность/вязкость после закалки и отпуска, особенно в больших сечениях. - Детали подвергаются более высоким усталостным нагрузкам, тяжелым условиям эксплуатации или требуют более прочного ядра с закаленной поверхностью. - Вы указываете компоненты, где предсказуемая производительность после термообработки и лучшее сопротивление отпуску имеют значение, достаточное для оправдания более высокой стоимости материала.
Заключительная заметка: Окончательный выбор должен основываться на требуемых механических целях, толщине сечения, возможностях термообработки, требованиях к сварке и общей стоимости жизненного цикла. В случае сомнений указывайте требуемые механические свойства и состояние термообработки, а не только марку; инженер-материаловед сможет выбрать наиболее экономичную марку и процесс для достижения этих целей.