Oceľ Q235 vs 45 Oceľ vs 40Cr oceľ

V inžinierskej praxi, výber ocele priamo ovplyvňuje výkon, vyrobiteľnosť, spoľahlivosť, a náklady na komponenty.

Tri bežne uvádzané ocele v čínskych a medzinárodných normách — Q235, 45 oceľ, a 40Cr — pokrývať široké spektrum konštrukčných požiadaviek, od základnej konštrukčnej podpory až po vysokopevnostné mechanické časti.

Hoci každý je založený na metalurgii železa a uhlíka, ich legovacích stratégií, mikroštrukturálne správanie, mechanický výkon, a optimálne aplikácie sa podstatne líšia.

Tento článok poskytuje mnohostranný pohľad, smerodajný, a hĺbkové porovnanie na usmernenie výberu materiálu a inžinierskeho rozhodovania.

1. Metalurgická identita a klasifikácia

Oceľ Q235

Q235 je a nízkouhlíková konštrukčná oceľ široko používané vo všeobecnom strojárstve a stavebníctve.

Je to najbežnejší Číňan uhlíková oceľ stupňa, ekvivalentné k ASTM A36 a A S235JR. Q235 ponúka a rovnováhu síl, ťažkosť, a zvárateľnosť, vďaka čomu je vhodný na mosty, budov, lodné konštrukcie, potrubia, a rámy strojov.

Vlastnosti

• Chemické zloženie: Uhlík ≤ 0,20 – 0,25 %, Mn 0,30 – 0,70 %, stopa S a P.
• Mechanické vlastnosti: Medza klzu ≈ 235 MPA, pevnosť v ťahu ≈ 375–500 MPa.
• Zvárateľný a tvarovateľný: Dá sa ľahko rezať, zvárané, a tvarované za studena.
• Nákladovo efektívny: Ekonomická možnosť pre všeobecné konštrukčné aplikácie.
• Žiadosti: Konštrukčné nosníky, konštrukčné rámy, stavba lodí, tlakové plavidlá.

45 Oceľ (známy aj ako C45 resp 1.1191)

45 oceľ je a stredne uhlíková oceľ široko používaný v Číne a medzinárodne mechanické časti vyžadujúce vyššiu pevnosť a tvrdosť ako nízkouhlíkové ocele.

Zodpovedá to zhruba Aisi 1045. Je vhodný pre šachty, ozubené kolesá, a spojovacích prvkov, ktoré sú mechanicky zaťažované a môžu byť tepelne spracované.

Vlastnosti

• Chemické zloženie: Uhlík ≈ 0,42–0,50 %, Mn 0,50 – 0,80 %, S/P <0.05%.
• Mechanické vlastnosti (žíhané): Pevnosť v ťahu ≈ 570–700 MPa, medza klzu ≈ 330–500 MPa.
• Tepelne spracovateľný: Môže byť kalený a temperovaný, aby sa dosiahla vyššia tvrdosť a odolnosť proti opotrebovaniu.
• Dobrá opracovateľnosť a stredná húževnatosť: Vyvažuje pevnosť a spracovateľnosť.
• Žiadosti: Hriadeľ, ozubené kolesá, skrutky, nápravy, spojovacie tyče, a mechanické časti pri miernom zaťažení.

40Cr oceľ (tiež známy ako 1.7035)

40Cr je a stredne uhlíkové, chróm-legovanej ocele široko používané v aplikáciách vyžadujúcich vyššia pevnosť, tvrdosť, a odolnosť proti opotrebeniu než bežné stredne uhlíkové ocele.

Chróm zlepšuje vytvrditeľnosť, odpor, a sila únavy. Je to zhruba ekvivalentné Aisi 5140.

Vlastnosti

• Chemické zloženie: Uhlík ≈ 0,37–0,44 %, Chróm ≈ 0,80–1,10 %, Mn 0,50 – 0,80 %, S/P <0.035%.
• Mechanické vlastnosti (normalizované): Pevnosť v ťahu ≈ 745–930 MPa, medza klzu ≈ 435–600 MPa.
• Výborná vytvrditeľnosť: Môže byť kalený a temperovaný na dosiahnutie vysokej tvrdosti (až HRC 50) pre diely odolné voči opotrebovaniu.
• Dobrá odolnosť proti únave a húževnatosť: Vhodné pre kritické mechanické komponenty.
• Žiadosti: Hriadeľ, ozubené kolesá, kľukové hriadeľ, ťažké nápravy, vretená, a iné mechanické časti s vysokou pevnosťou.

2. Porovnanie chemického zloženia: Oceľ Q235 vs 45 Oceľ vs 40Cr oceľ

Chemické zloženie ocele priamo určuje jej správanie pri fázovej transformácii a mechanické vlastnosti.

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené štandardné rozsahy zloženia (podľa čínskych národných noriem) a funkčné mechanizmy kľúčových prvkov pre tri ocele:

Kľúčové rozdiely:

Q235 má nízky obsah uhlíka a žiadne zámerne legujúce prvky, so zameraním na spracovateľnosť; 45 oceľ má vyšší uhlík a prísnejšiu kontrolu nečistôt, umožňujúce tepelné spracovanie;

40Cr pridáva chróm na optimalizáciu kaliteľnosti a mechanických vlastností, preklenutie priepasti medzi uhlíkovou oceľou a vysokolegovanou oceľou.

3. Mikroštruktúrne charakteristiky: Od dodaného po tepelne spracované štáty

Mikroštruktúra je spojením medzi chemickým zložením a mechanickými vlastnosťami.

Tieto tri ocele vykazujú odlišné mikroštruktúry v rôznych stavoch, priamo ovplyvňuje ich výkon:

Stav pri dodaní (Valcované za tepla)

• Oceľ Q235: Pozostáva z feritu (a-Fe) + perlit (lamelárna zmes feritu a cementitu). Hlavnou fázou je ferit (70–80 %), zabezpečenie dobrej ťažnosti a zvariteľnosti.
  Obsah perlitu (20– 30 %) poskytuje strednú silu. Štruktúra je hrubozrnná vďaka nízkemu obsahu zliatiny a jednoduchému procesu valcovania za tepla.
• 45 Oceľ: Ferit + perlit, s vyšším obsahom perlitu (40–50 %) ako Q235 kvôli vyššiemu obsahu uhlíka.
  Štruktúra je jemnejšia a jednotnejšia (vysoko kvalitná oceľ), s menším počtom inklúzií, čo vedie k lepšej rovnováhe pevnosti a húževnatosti.
• 40Cr oceľ: Ferit + perlit + stopové karbidy bohaté na chróm. Chróm zjemňuje zrnitosť, čím sú perlitové lamely tenšie ako 45 oceľ.
  Prítomnosť karbidov chrómu (Cr₃C) vytvára základ pre následné spevnenie tepelným spracovaním.

Tepelne spracovaný stav (Zhasnutie + Temperovanie, Otázka&Tón)

• Oceľ Q235: Slabá vytvrditeľnosť; zhasnutie (chladenie vodou) vytvára martenzit iba v povrchovej vrstve, pričom jadro zostáva ferit-perlit.
  Tepelné spracovanie sa používa zriedka, pretože nemôže výrazne zlepšiť celkový výkon a môže spôsobiť deformáciu/prasknutie.
• 45 Oceľ: Po uhasení (840-860℃ chladenie vodou/olejom), štruktúra prechádza do lištového martenzitu (tvrdé, ale krehké).
  Temperovanie na 200-300 ℃ (nízke temperovanie) produkuje temperovaný martenzit, zlepšenie húževnatosti pri zachovaní vysokej tvrdosti.
  Temperovanie na 500-600 ℃ (stredné temperovanie) tvorí sorbit, dosiahnutie rovnováhy síl (σᵤ≥600 MPa) a ťažnosť (δ≥15 %).
• 40Cr oceľ: Výborná vytvrditeľnosť; chladenie oleja (namiesto vodného chladenia) môže dosiahnuť plnú transformáciu martenzitu aj pre obrobky s priemerom ≤50 mm.
  Po strednom temperovaní (520-560 ℃), štruktúra sa stáva temperovaným sorbitom (jemnozrnný sorbit + rozptýlené karbidy), s vyššou pevnosťou a húževnatosťou ako 45 oceľ. Chróm stabilizuje štruktúru martenzitu, zníženie popúšťacej krehkosti.

4. Porovnanie mechanických vlastností — Q235 Oceľ vs 45 Oceľ vs 40Cr oceľ

5. Vlastnosti tepelného spracovania: Kalenie a procesná adaptabilita

Reakcia na tepelné spracovanie (kaliteľnosť, temperová stabilita) určuje rozsah použitia ocele. Tieto tri ocele sa v tomto smere výrazne líšia:

Kalenie

• Oceľ Q235: Veľmi slabá vytvrditeľnosť. Kritická rýchlosť chladenia je vysoká; len tenké obrobky (≤ 5 mm) môže po ochladení vodou vytvárať malé množstvo martenzitu, zatiaľ čo hrubé obrobky zostávajú feritovo-perlitové.
  Tepelné spracovanie nie je ekonomicky výhodné, takže sa používa v stave pri dodaní.
• 45 Oceľ: Stredná kaliteľnosť. Obrobky s priemerom ≤20 mm môžu dosiahnuť plný martenzit chladením vodou; pre hrubšie obrobky (20–40 mm), chladenie oleja vedie k neúplnému vytvrdnutiu (jadro je sorbit).
  Je vhodný pre stredne veľké, stredne zaťažené diely vyžadujúce tepelné spracovanie.
• 40Cr oceľ: Výborná vytvrditeľnosť. Chróm znižuje kritickú rýchlosť chladenia, umožňujúca úplnú transformáciu martenzitu v obrobkoch s priemerom ≤50 mm chladením oleja (zabránenie deformácii/praskaniu spôsobenej chladením vodou).
  Pre obrobky do 80 mm, kalenie vodou a olejom môže dosiahnuť rovnomerné vytvrdnutie, vďaka čomu je vhodný pre veľké, diely s vysokou záťažou.

Bežné procesy a účinky tepelného spracovania

• Žíhanie: Žíhanie Q235 (600-650 ℃) zmierňuje valivý stres; 45/40Žíhanie Cr zjemňuje zrná a znižuje tvrdosť pre obrábanie. 40Žíhaním Cr sa rozpúšťajú aj karbidy chrómu, príprava na kalenie.
• Normalizácia: Normalizácia Q235 (880-920 ℃) zlepšuje jednotnosť štruktúry; 45/40Normalizácia Cr zvyšuje pevnosť a húževnatosť, používa sa ako predúprava zložitých dielov.
• Zhasnutie + Temperovanie: Základný proces pre 45/40Cr. 45 oceľ používa kalenie vodou + stredné temperovanie; 40Cr používa kalenie oleja + stredné temperovanie, dosiahnutie lepšieho komplexného výkonu a nižšej deformácie.
• Povrchové kalenie: 45/40Cr môže prejsť indukčným kalením alebo nauhličovaním (45 oceľ) na zlepšenie tvrdosti povrchu (HRC 50–60) pre diely odolné voči opotrebovaniu.
  40Obsah chrómu zvyšuje účinok vytvrdzovania povrchu a odolnosť proti opotrebovaniu.

6. Výkon spracovania: Odlievanie, Kovanie, Zváranie, a Obrábanie

Výkon spracovania priamo ovplyvňuje efektivitu výroby a náklady, a je kľúčovým faktorom pre výber materiálu v hromadnej výrobe:

Castingový výkon

• Oceľ Q235: Slabá zlievateľnosť. Nízky obsah uhlíka a zliatin vedie k zlej tekutosti roztavenej hmoty a vysokej rýchlosti zmršťovania, náchylné na zmršťovacie dutiny a pórovitosť. Málo používané na odlievanie; hlavne na valcovanie a tvarovanie.
• 45 Oceľ: Stredná zlievateľnosť. Vyšší obsah uhlíka zlepšuje tekutosť v porovnaní s Q235, ale stále náchylné na praskanie za tepla. Používa sa pre malé až stredne veľké odlievané diely s nízkymi požiadavkami na presnosť.
• 40Cr oceľ: Lepšia zlievateľnosť ako 45 oceľ. Chróm zušľachťuje štruktúru odliatku, zníženie zmršťovania a tendencie k praskaniu za tepla.
  Vhodné pre presné liate diely vyžadujúce tepelné spracovanie, ale náklady na odlievanie sú vyššie ako na valcovanie.

Výkon kovania

• Oceľ Q235: Vynikajúci výkon kovania. Teplotný rozsah kovania (1150-850 ℃) je široký, s dobrou plasticitou a nízkou odolnosťou proti deformácii. Vhodné na kovanie jednoduchých tvarov za tepla (Napr., skrutky, zátvorky).
• 45 Oceľ: Dobrý kovací výkon. Teplota kovania (1100-800 ℃); vyžaduje rovnomerné zahrievanie, aby nedošlo k prasknutiu. Kované diely majú rafinované zrná, zlepšenie účinku tepelného spracovania.
• 40Cr oceľ: Stredný výkon kovania. Chróm zvyšuje odolnosť proti deformácii, vyžadujúce vyššiu kovaciu silu a prísnejšiu kontrolu teploty (1100-820 ℃).
  Žíhanie po kovaní je potrebné na odstránenie vnútorného napätia a prípravu na tepelné spracovanie.

Výkon zvárania

• Oceľ Q235: Vynikajúci zvárací výkon. Nízky obsah uhlíka zabraňuje tvorbe martenzitu v tepelne ovplyvnenej zóne (HAZ), bez predhrievania alebo tepelného spracovania po zváraní (Pwht) potrebné pre tenké obrobky. Kompatibilné so všetkými metódami zvárania (SMAW, Zaniknúť, Gtaw).
• 45 Oceľ: Slabý zvárací výkon. Vysoký obsah uhlíka vedie k tvrdému martenzitu v HAZ, náchylné na praskanie za studena.
  Predhrievanie (150-200 ℃) a PWHT (temperovanie na 600-650 ℃) sú povinné. Zváranie sa používa iba na opravu, nie pre nosné zvary.
• 40Cr oceľ: Horší zvárací výkon ako 45 oceľ. Chróm zvyšuje vytvrditeľnosť HAZ, zvyšuje pravdepodobnosť praskania za studena a popúšťacej krehkosti.
  Prísne predhrievanie (200-300 ℃), zváranie s nízkym príkonom tepla, a PWHT sú povinné. Zváraniu sa spravidla vyhýba; mechanické spájanie (skrutkovanie, strhujúci) je preferovaný.

Obrábanie Výkonnosť

• Oceľ Q235: Vynikajúci výkon pri obrábaní. Nízka tvrdosť a dobrá plasticita uľahčujú rezanie, s nízkym opotrebovaním nástroja.
  Vhodné pre vysokorýchlostné obrábanie a automatizované výrobné linky (Napr., obrábanie konzol, taniere).
• 45 Oceľ: Dobrý výkon obrábania v stave pri dodaní (HBW 190–230). Po tepelnom spracovaní (tvrdosť ＞ HRC 30), zvyšuje sa náročnosť obrábania, vyžadujúce nástroje z tvrdej zliatiny. Ide o typickú „obrobiteľnú tepelne upravenú oceľ“.
• 40Cr oceľ: Stredný výkon obrábania v stave pri dodaní. Chróm zvyšuje odolnosť proti rezu, takže opotrebovanie nástroja je vyššie ako 45 oceľ.
  Po Q&Tón (HBW 280–320), obrábanie vyžaduje vyššiu reznú rýchlosť a riadenie rýchlosti posuvu, s nákladmi na obrábanie o 15–20 % vyššími ako 45 oceľ.

7. Odpor

Všetky tri ocele sú uhlíkové/legované konštrukčné ocele bez zámerných legujúcich prvkov odolných voči korózii (Obsah Cr v 40Cr je príliš nízky na vytvorenie pasívneho filmu), takže ich odolnosť proti korózii je vo všeobecnosti nízka, s malými rozdielmi:

• Oceľ Q235: Slabá odolnosť proti korózii. Vysoký obsah nečistôt (Siež, P) a nízky obsah zliatin urýchľuje atmosférickú a sladkovodnú koróziu, s rýchlosťou korózie 0,1–0,3 mm/rok v priemyselnej atmosfére. Musí byť chránený (maľba, galvanizácia) pre vonkajšiu službu.
• 45 Oceľ: O niečo lepšia odolnosť proti korózii ako Q235. Nižší obsah nečistôt a jemnejšia štruktúra redukujú miesta iniciácie korózie.
  Rýchlosť korózie je v priemyselnej atmosfére 0,08–0,25 mm/rok, stále vyžadujú ochranu pre dlhodobú službu.
• 40Cr oceľ: Najlepšia odolnosť proti korózii spomedzi troch. Chróm vytvára na povrchu tenký oxidový film, inhibícia korózie.
  Rýchlosť korózie je v priemyselnej atmosfére 0,05–0,20 mm/rok, a má lepšiu odolnosť voči miernym kyselinám/zásadám ako Q235 a 45 oceľ.
  Však, stále trpí jamkovou koróziou v médiách s vysokým obsahom chloridov, vyžadujúce antikoróznu úpravu (chrómovanie, maľba).

8. Aplikačné scenáre Q235 Oceľ vs 45 Oceľ vs 40Cr oceľ

Použitie týchto troch ocelí je prísne založené na ich výkone a nákladoch, pokrýva rôzne priemyselné oblasti:

Oceľ Q235

Nízkonákladové, konštrukčná oceľ na všeobecné použitie. Aplikácie zahŕňajú:

• Stavebníctvo a výstavba: Oceľové rámy, trámy, stĺpce, oceľové dosky, a armovacie tyče pre bežné budovy, mosty, a workshopy.
• Mechanická výroba: Nenosné časti (zátvorky, základne, kryty), skrutky, orechy, a podložky pre zariadenia s nízkym zaťažením.
• Potrubie a kontajner: Nízkotlakové vodovodné potrubia, skladovacie nádrže, a držiaky pre nekorozívne médiá.

45 Oceľ

Stredne pevný, tepelne spracovateľná uhlíková oceľ. Aplikácie zahŕňajú:

• Mechanické časti: Prevodové hriadele, spojovacie tyče, kľukové hriadeľ, skrutky, a matice pre stredne zaťažené zariadenia (Napr., malé motory, čerpadlá, a poľnohospodárske stroje).
• Komponenty nástroja: Čepele, údery, a zomrie pre nízku rýchlosť, nástroje s nízkym opotrebovaním (po povrchovom vytvrdnutí).
• Automobilový priemysel: Nekritické časti (Napr., brzdové pedály, kĺby riadenia) pre vozidlá nižšej kategórie.

40Cr oceľ

Vysoká pevnosť, legovaná konštrukčná oceľ. Aplikácie zahŕňajú:

• Časti mechanickej prevodovky: Vysoko zaťažené prevodové hriadele, hnacie hriadele, ozubené kolesá, a ložiská pre ťažké stroje (Napr., strojárske stroje, obrábacie stroje).
• Automobilový a kozmonautika: Kritické časti (Napr., kľukové hriadele motora, vačkové hriadeľ, prevodové stupne) pre špičkové vozidlá a ľahké lietadlá.
• Petrochemický priemysel: Vysokotlakové potrubné príruby, ventily, a hriadele čerpadiel pre strednú koróziu, prostredia s vysokou záťažou.

9. Porovnanie nákladov a efektívnosti nákladov

Náklady sú kľúčovým faktorom pri výrobe vo veľkom meradle. Relatívna cena (brať Q235 ako základnú líniu) a nákladová efektívnosť týchto troch ocelí sú nasledovné:

10. Záver

Porovnávacia analýza Oceľ Q235, 45 oceľ, a ocele 40Cr zdôrazňuje ako obsahu uhlíka, legovanie, a tepelným spracovaním ovplyvniť mechanický výkon, vyrobiteľnosť, a vhodnosti aplikácie.

• Oceľ Q235 je a nízkouhlíková konštrukčná oceľ s vynikajúcou ťažnosťou, zvárateľnosť, a formovateľnosť.
  Jeho nákladová efektívnosť ho robí ideálnym pre všeobecné konštrukčné a výrobné aplikácie, ale má obmedzenú pevnosť a vyžaduje ochranu proti korózii.
• 45 oceľ je a stredne uhlíkové, tepelne spracovateľná oceľ ponúka vyššiu pevnosť a tvrdosť ako Q235.
  Kedy kalené a temperované, dosahuje výrazne zlepšenú pevnosť v ťahu a odolnosť proti opotrebovaniu, čo je vhodné pre mechanické časti, ako sú hriadele, ozubené kolesá, a nápravy.
• 40Cr oceľ je a stredne uhlíková chrómlegovaná oceľ určený pre aplikácie s vysokou pevnosťou a odolnosťou voči únave.
  Svoj hlboká kaliteľnosť a odolnosť proti opotrebovaniu umožňujú jej výkon pri veľkom cyklickom zaťažení, ako je vidieť v kľukové hriadeľ, spojovacie tyče, a vysoko zaťažené strojové komponenty.

Zrátané a podčiarknuté: Výber materiálu by mal byť vyvážený sila, tvrdosť, machináovateľnosť, zvárateľnosť, a náklady proti servisným požiadavkám.
Q235 je vhodný pre konštrukčné aplikácie a aplikácie s nízkym zaťažením, 45 oceľové kryty stredne zaťažených mechanických častí, a 40Cr oceľ vyniká vysokou pevnosťou, vysoká únava, a komponenty kritické voči opotrebovaniu.

 

Časté otázky

Aký je hlavný rozdiel medzi Q235, 45, a ocele 40Cr?

• Q235 je nízkouhlíková konštrukčná oceľ; 45 oceľ je stredne uhlíková a tepelne spracovateľná; 40Cr je stredne uhlíková chrómlegovaná oceľ s vysokou pevnosťou a prekaliteľnosťou.

Môže byť oceľ Q235 tepelne spracovaná na zlepšenie pevnosti?

• Nie, Nízky obsah uhlíka Q235 obmedzuje vytvrdzovanie tepelným spracovaním. Vylepšenia pevnosti sa spoliehajú na prácu za studena alebo optimalizáciu dizajnu.

Ktorá oceľ je najlepšia pre hriadele a ozubené kolesá?

• 45 oceľ je vhodná pre stredne zaťažené hriadele a prevody; 40Cr je preferovaný pre vysokú pevnosť, vysoká únava, a mechanické komponenty odolné voči opotrebovaniu.

Oceľ 40Cr je odolná voči korózii?

• Nie vo svojej podstate. Ochranné nátery, pokovovanie, alebo sú potrebné konštrukčné úvahy pre korozívne prostredia.

Ako ovplyvňuje tepelné spracovanie 45 a ocele 40Cr?

• Kalenie a popúšťanie výrazne zlepšujú pevnosť v ťahu, tvrdosť, a únavový odpor, vďaka čomu sú vhodné pre mechanicky náročné komponenty.