Stahl 45# (C45 / 1045 / S45C): Chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und technische Anwendungen

Im Maschinenbau gilt der Stahl 45# als der beste Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Weltweit ist er auch unter den Bezeichnungen AISI 1045, C45 oder S45C bekannt. Er ist seit langem beliebt, da er ein ausgewogenes Verhältnis der technischen Eigenschaften aufweist: Er ist fester als kohlenstoffarme Baustähle, lässt sich durch Wärmebehandlung zäh machen und ist sehr kostengünstig.

Der Name “45” leitet sich davon ab, dass er einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,451 TP17T Gewichtsanteilen aufweist. Dies ist der Faktor, der den größten Einfluss auf sein Verhalten hat. Bei einem so hohen Kohlenstoffgehalt lässt sich der Stahl durch Härten und Anlassen wesentlich fester und härter machen als Stähle wie Q235 oder 1018. Niedrigkohlenstoffstähle hingegen beziehen ihre Festigkeit hauptsächlich aus der Querschnittsgröße.

Für Wellen, Zahnräder, Pleuelstangen, Spindeln und andere mechanische Bauteile ist der Stahl 45# die gängigste Wahl. Er wird bevorzugt eingesetzt, wenn eine Durchhärtung oder Oberflächenhärtung erforderlich ist, legierte Stähle (wie 4140) jedoch überdimensioniert oder zu teuer wären.

Dieser Artikel befasst sich mit dem Stahl 45# als Konstruktionswerkstoff. Er behandelt Themen wie die chemische Zusammensetzung, das Verhalten bei der Wärmebehandlung, die Bearbeitbarkeit sowie die Auswahl des am besten geeigneten Werkstoffs für Ihr Projekt.

Was ist 45#-Stahl? In diesem Artikel werden die Regeln für die Bezeichnung dieses Stahls erläutert und ein Vergleich mit anderen Stahlsorten weltweit angestellt.

Um den Stahl 45# zu verstehen, müssen wir uns die Normen ansehen, auf denen er basiert. Er ist in der chinesischen nationalen Norm GB/T 699 definiert, die sich auf hochwertige Kohlenstoffbaustähle bezieht.

Die Namensgebungsregel

Die Regel ist einfach:

• “45”: Das bedeutet, dass der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt 0,45% beträgt.

• “#”: Ein gängiges Suffix im chinesischen Fachjargon, das “Nummer” oder “Güteklasse” bedeutet.”

Schulnoten, die in anderen Ländern gleich sind

Der Stahl 45# ist eine weltweit bekannte Stahlsorte mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Auch wenn diese Stähle chemisch ähnlich sind, hängen ihre endgültigen Eigenschaften davon ab, wie sie wärmebehandelt werden.

Tabelle 1: Äquivalente weltweit

Technische Erläuterung: “Äquivalent” bedeutet nicht, dass es sich um dasselbe handelt. Ein C45-Blech aus Deutschland kann andere Mangan-Grenzwerte aufweisen als eine 45#-Stange aus China. Überprüfen Sie bei wichtigen Anwendungen stets die jeweiligen Werkszeugnisse (MTRs).

Die chemische Zusammensetzung des Stahls 45# und ihre Bedeutung für die Metallurgie

Die auf Kohlenstoff ausgerichtete chemische Zusammensetzung des Stahls 45# bestimmt seine Leistungsfähigkeit. Kohlenstoff sorgt für Festigkeit, Mangan für die Härtbarkeit.

Tabelle 2: Typische chemische Zusammensetzung (Gew.-% %)

Die Funktion von Kohlenstoff (0.45%)

• Härtbarkeit: Dadurch bildet sich beim Abkühlen des Stahls Martensit, wodurch er härter wird. Die Oberfläche kann eine Härte von über 50 HRC erreichen, der Kern eine Härte von 20–30 HRC.

• Kompromiss: Je mehr Kohlenstoff enthalten ist, desto schwieriger ist das Schweißen. Es besteht eine reale Gefahr, dass die Wärmeeinflusszone (HAZ) Risse bildet.

Warum 45# keine Stahllegierung ist

Es enthält nicht genügend Chrom, Molybdän oder Vanadium. Seine Eigenschaften verdankt es dem Phasenübergang zwischen Eisen und Kohlenstoff. Das bedeutet, dass es dicke Querschnitte nicht wie 4140 härten kann, wodurch es weniger gut härtbar ist.

Mikrostruktur und Festigkeitsmechanismen

Die Mikrostruktur des Stahls 45# wirkt sich unmittelbar auf sein mechanisches Verhalten aus.

1. Normalisiert oder geglüht (Ferrit-Perlit)

   • Die Struktur besteht sowohl aus weichem Ferrit als auch aus hartem Perlit, wenn das Material gewalzt oder normalisiert wird.

   • Ergebnis: Einfach zu bearbeiten, mittlere Festigkeit und gute Duktilität. So wird Stabstahl in der Regel geliefert.

2. geglüht und abgeschreckt (geglühter Martensit)

   • Nach dem Erhitzen wandelt sich die Struktur in gehärteten Martensit um.

   • Ergebnis: Fest, hart und widerstandsfähig, aber nicht zu widerstandsfähig. Das ist der Zustand, in dem sich fertige Wellen und Zahnräder befinden.

Physikalische und mechanische Eigenschaften des Stahls 45#

Je nach Wärmebehandlung können sich die Eigenschaften erheblich ändern. Ingenieure müssen den Zustand in der Zeichnung vermerken.

Bedingungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften

Tabelle 3: Gängige mechanische Eigenschaften

Anmerkung: Durch Induktionshärten lässt sich die Oberfläche auf eine Härte von bis zu 55 HRC bringen, der Kern ist jedoch in der Regel weicher.

Physikalische Merkmale

• Die Dichte: 7,85 g/cm³

• Elastizitätsmodul: 206 GPa (Die Steifigkeit bleibt unabhängig von der Temperatur unverändert).

• Thermische Ausdehnung: etwa 11,5 µm/m·°C.

Was passiert, wenn man 45#-Stahl einer Wärmebehandlung unterzieht?

Der wichtigste Werthebel für den Stahl 45# ist die Wärmebehandlung.

1. Normalisierung (Verfeinerung)

   • Prozess: Auf etwa 840 °C erhitzen und anschließend an der Luft abkühlen lassen.

   • Das Ziel: Verbessert die Korngröße nach dem Schmieden. Schafft eine einheitliche Ausgangsbasis für die maschinelle Bearbeitung.

2. Härten und Anlassen (zur Festigkeitssteigerung)

   • Prozess: Auf etwa 840 °C erhitzen, in Wasser oder Öl abkühlen lassen und anschließend bei 500 °C bis 600 °C anlassen.

   • Das Ziel: Machen Sie den Werkstoff widerstandsfähiger. Das Abschrecken mit Wasser ist riskant (es kann zu Rissen kommen), funktioniert aber bei 45#. Öl ist sicherer, macht das Metall jedoch nicht so hart.

3. Induktionshärten (Oberflächenverschleiß)

   • Prozess: Erwärmen Sie die Haut mit Hochfrequenz und besprühen Sie sie anschließend mit Wasser, um sie abzukühlen.

   • Das Ziel: Der Kern bleibt zäh und duktil, während die Oberfläche hart und verschleißfest ist (50–55 HRC). Ideal für gerade Zahnräder und Wellen.

Richtlinien zur Verarbeitung und Bearbeitbarkeit von CNC

Maschinen aus 45#-Stahl. Dieser Stahl ist fest, aber nicht so fest wie kohlenstoffarme Stähle wie 1018.

Eigenschaften der Zerspanbarkeit

• Normalisiert: Gute Zerspanbarkeit (etwa 55%). Durch den Perlitanteil brechen die Späne recht gut.

• Abschrecken Das erschwert die Bearbeitung erheblich. Nach dem Härten ist in der Regel eine Endbearbeitung oder ein Schleifen erforderlich.

CNC-Tipps

• Standardwerkzeuge ist mit einer Hartmetallbeschichtung (TiCN/AlTiN) versehen.

• Vorschub und Drehzahl: Nicht zu schnell. Eine aggressive Vorschubgeschwindigkeit fördert das Brechen der Späne.

• Oberfläche: Es lassen sich hervorragende Oberflächenqualitäten erzielen (Ra 1,6 µm oder besser), da es nicht so “klebrig” ist wie kohlenstoffarmer Stahl.

Steuerung der Schweißbarkeit und der Wärmeeinflusszone (HAZ)

Warnung: Der Stahl 45# lässt sich schweißen, gibt aber nicht so leicht nach.

Die Risiken beim Schweißen

Der Kohlenstoffgehalt von 0,45% führt dazu, dass Martensit in der Wärmeeinflusszone bei schneller Abkühlung spröde wird. Dies führt bei kalten Temperaturen zu Rissen.

Wichtige Bestandteile einer Schweißverfahrensanweisung (WPS)

• Vorheizen: Sehr wichtig: Erwärmen Sie das Werkstück vor dem Schweißen auf eine Temperatur zwischen 150 und 250 Grad Celsius, um den Abkühlungsprozess zu verlangsamen.

• Halten Sie das Werkstück zwischen den Durchgängen warm.

• Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT): Um zu verhindern, dass die Schweißnaht im Einsatz Risse bildet, wird dringend empfohlen, sie zu entspannen oder anzulassen.

• Füllstoff: Sie müssen Elektroden mit geringem Wasserstoffgehalt verwenden.

Fazit für Ingenieure: Wenn eine Konstruktion stark verschweißt ist, wie beispielsweise ein komplexer Rahmen, sollten Sie möglicherweise Q235 oder Q345 (niedriglegiert) anstelle von 45# verwenden, um das Rissrisiko zu verringern.

Ein Leitfaden zur Wahl von Stahl der Sorte 45# gegenüber anderen gängigen Stahlsorten

Um den richtigen Stahl auszuwählen, muss man ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Kosten und Verarbeitbarkeit finden.

Tabelle 4: 45# im Vergleich zu anderen Marken

Wie man wählt

• Verwendung 45# wenn Sie etwas benötigen, das fester ist oder verschleißfester ist (Härten). Verwenden Sie Q235 zum Schweißen und zum Bauen von Dingen, die sich nicht bewegen.

• Wenn das Bauteil dick ist (mehr als 50 mm) und durchgehend hart sein muss, verwenden Sie 4140. 45# wird nur in der Nähe der Oberfläche härter.

Häufige Anwendungsbereiche für den Stahl 45# im Maschinenbau

Die Maschinenbauindustrie setzt am stärksten auf 45#.

• Antrag: Linearwellen, Führungsstangen und Spindeln.

• Kraftübertragung: Zahnräder, Kettenräder, Kurbelwellen und Pleuelstangen.

• Verschlüsse: Schrauben mit hoher Festigkeit (Grundwerkstoff entspricht der Güteklasse 8.8).

• Werkzeuge: Vorrichtungen, Stanzwerkzeuge und Formaufbauten.

• Hydraulik: Zylinderkolben, die verchromt und induktiv gehärtet wurden.

Zusammenfassung – Was Ingenieure gelernt haben

Der Stahl 45# ist ein kostengünstiger und vielseitiger Werkstoff für den Maschinenbau.

Wichtige Punkte:

• Einstellbar: Es kann weich (geglüht) oder hart (abgeschreckt) sein.

• Oberflächenhärtbar: Ideal für die Induktionshärtung (ca. 55 HRC).

• Maschinenlesbar: Sowohl die Standzeit als auch die Oberflächengüte sind gut.

• Seien Sie beim Schweißen vorsichtig: Sie müssen das Material vor- und nachwärmen, um Risse zu vermeiden.

Ingenieure können robuste, langlebige mechanische Bauteile für deutlich weniger Geld als aus legiertem Stahl herstellen, wenn sie wissen, was mit einer Wärmebehandlung möglich ist und was nicht.

FAQ

F: Ist Stahl der Sorte 1045 dasselbe wie 45#?
A: Ja. Was ihre Funktionsweise angeht, sind sie identisch. Die chinesische GB-Norm lautet 45#, die amerikanische AISI/SAE-Norm 1045. Bei beiden handelt es sich um Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,45%.

F: Rostet der Stahl 45#?
A: Ja. Es handelt sich um einfachen Kohlenstoffstahl ohne Chromanteil. Er muss durch Öl, Lack, Beschichtung oder Schwärzung geschützt werden.

F: Lässt sich Stahl der Sorte 45# schweißen?
A: Ja, aber man muss es zuerst erwärmen, damit es keine Risse bekommt. Es lässt sich nicht so gut schweißen wie Q235 oder 1018.

A: Wie hart kann der Stahl 45# werden?
A: Durch Abschrecken kann die Oberflächenhärte etwa 55 HRC erreichen. Der Kern dicker Werkstücke bleibt hingegen weicher, da er sich nicht gut härten lässt.

F: Wann sollte ich 4140 anstelle von 45# verwenden?
A: Verwenden Sie 4140, wenn ein dickwandiges Bauteil durchgehend sehr fest sein muss (Durchhärtung) oder wenn das Bauteil starken Belastungen oder Stößen ausgesetzt ist. 4140 ist fester und zäher, kostet aber auch mehr.