Термическая обработка стали 09Г2С

Сталь 09Г2С — низколегированная конструкционная марка с повышенной холодостойкостью и хорошей свариваемостью. В поставке чаще всего идёт после нормализующей прокатки или нормализации, однако в реальном производстве возникает потребность в дополнительной термообработке: снятие сварочных напряжений, выравнивание структуры после интенсивной деформации, повышение однородности свойств перед механической обработкой, а также «улучшение» для поковок и деталей с повышенной ответственностью. Ниже — системный разбор режимов, технологических окон и контроля качества, рассчитанный на технологов и металлургов.

Краткая справка по марке и нормативной базе

Назначение: сварные и несварные конструкции общего и низкотемпературного назначения, трубопроводы, балки, рамы, сосуды и металлоконструкции.
Норматив: прокат повышенной прочности, включающий 09Г2С и варианты исполнения; допускается контролируемая (нормализующая) прокатка и ускоренное охлаждение для достижения требуемых классов прочности.
Типичный состав (ориентиры): C ≤ 0,12%; Mn ~1,3–1,7%; Si ~0,5–0,8%; S, P — сниженные; возможна микролегирующая обработка Al/Ti/Nb для измельчения зерна.

Критические точки и технологические окна

Параметр	Значение, °C	Назначение/пояснение
Ac1	≈ 725	Начало аустенитизации
Ac3	≈ 860	Полная аустенитизация феррито-перлитной матрицы
Ar1 / Ar3	≈ 625 / 780	Обратные критические точки при охлаждении
Ковка (начало/конец)	≈ 1250 / 850	Рабочее окно горячей деформации

Механические свойства и классы прочности зависят от толщины/сечения, состояния поставки и технологии (обычная или нормализующая прокатка). Для листа 09Г2С в «нормализованном» состоянии характерны ориентиры: σ_0.2 порядка 265–345 МПа, σ_в порядка 430–510 МПа при δ ≥ 21% (уточняются по актуальной таблице для конкретного вида проката и толщины).

Где и зачем применяют термообработку 09Г2С

Снятие сварочных и технологических напряжений после сборки крупных рам и сосудов — для стабилизации геометрии и минимизации последующего «ползучего» коробления.
Выровнять структуру после интенсивной деформации (гибка, профилирование, глубокая вытяжка) перед чистовой обработкой и контролем.
Повышение однородности и вязкости при переменных нагрузках или низких температурах — нормализация с контролем зерна.
Улучшение (закалка + высокий отпуск) — преимущественно для поковок и ответственных деталей, где нужна повышенная прочность при достаточной вязкости; для массовых сварных листовых конструкций обычно избыточно.

Цель	Нагрев	Выдержка*	Охлаждение	Ожидаемый результат	Типовые применения
Нормализация	900–930 °C (выше Ac3 на 40–70 °C)	По сечению: тонкий лист — укороченная; массив — 1–2 ч	Воздух	Мелкозернистый феррит-перлит, выравнивание свойств, рост ударной вязкости	Лист и профили после деформации; подготовка под сварку и мехобработку
Снятие напряжений	540–600 °C	0,5–2 ч (по толщине, жёсткости узла)	Воздух (или с печью)	Снижение остаточных напряжений без захода в межкритический диапазон	Рамы, балки, сосуды, узлы с протяжёнными швами
Улучшение	Закалка 930–950 °C → отпуск 640–680 °C	Закалка — по сечению; отпуск 1–3 ч	Закалка — вода/масло; после отпуска — воздух	Повышение σ_0.2/σ_в при сохранении пластичности и ударной вязкости	Поковки, оснастка, ответственные детали
Рекристаллизационный отжиг	500–600 °C	0,5–1,5 ч	Воздух	Снятие наклёпа, рекристаллизация холоднодеформированного металла	Холодногнутые элементы, лист под чистовую мехобработку

Сварка и зона термического влияния (ЗТВ)

Свариваемость — хорошая, для обычных толщин преднагрев не требуется; при больших толщинах и высокой жёсткости узла преднагрев назначают расчётно.
После многопроходной сварки крупногабаритных рам допустим низкотемпературный отпуск 540–600 °C для снятия остаточных напряжений, чтобы не заходить в межкритический диапазон (700–800 °C), ухудшающий ударную вязкость.
Контроль качества сварки: УЗК/радиография, карта твёрдости (металл шва/ЗТВ/осн. металл), визуально-измерительный контроль деформаций.

Ориентиры по свойствам после ТО

Состояние	HB (ориентир)	σ_0.2, МПа	σ_в, МПа	δ, %	Комментарий
Нормализованное	≈ 150–190	~265–345	~430–510	≥ 21	Базовое состояние для листового проката и профилей
Улучшенное (закалка+высокий отпуск)	≈ 240–280	повышенные	повышенные	достаточные	Применять по расчёту для поковок и деталей
Стресс-релив 540–600 °C	без существенного роста	без существенного снижения	без существенного снижения	—	Основная цель — снижение остаточных напряжений и стабилизация формы

При эксплуатации в средах, содержащих CO₂, режим «закалка + отпуск» в ряде исследований давал лучшую стойкость по сравнению с «нормализацией с прокатного нагрева»; решение принимают по условиям среды, экономике и доступности печей.

Технологические карты и практика

Подготовка и загрузка

Дегазация/обезжиривание, исключение графитовых меток и цинковых покрытий в печи.
Разреженная укладка, прокладки с высокой теплопроводностью для равномерного прогрева.
Обязательная термометрия: минимум две термопары на критических сечениях, регистрация графиков нагрева/охлаждения.

Нагрев и выдержка

Выход на полку — не менее 30–60 мин для тонких листов, 1–2 ч для массивных деталей (уточняется расчётно).
Избегать перегрева: для нормализации — не подниматься существенно выше Ac3 + (40–70) °C; для отпуска — удерживаться в окне 540–600 °C при снятии напряжений и 640–680 °C для высокого отпуска после закалки.

Охлаждение

Нормализация — на воздухе; не допускать сквозняков и локального переохлаждения кромок.
Закалка — вода/масло/полимер по расчёту критической скорости охлаждения; для массивных деталей предпочтительно масло/полимер для снижения риска трещин.
Стресс-релив — охлаждение с печью до ~300–350 °C, далее на воздухе для минимизации коробления.

Контроль качества термообработки

Твёрдость (HB/HV) — карта измерений по сетке; сопоставление с контрольными образцами партии.
Ударная вязкость (KCU/KCV) — при требуемой температуре эксплуатации; отдельный отбор для холодостойких исполнений.
Металлография — проверка размера зерна, равномерности феррит-перлитной структуры/сорбита отпуска, отсутствие перегрева/пережога.
НК сварных соединений — УЗК/РК, ВИК; контроль деформаций (стрелы прогиба, раскручивание поясных листов).
Документирование — протокол ТО с графиками нагрева/охлаждения, маршрутные листы, отметки ОТК.

Типовые ошибки и как их избежать

Перегрев при нормализации → укрупнение зерна, падение вязкости. Решение: калиброванные термопары, равномерная укладка, контроль температурного поля.
Длительная выдержка в межкритическом диапазоне (МКИТ) → ухудшение ударной вязкости ЗТВ. Решение: либо стресс-релив 540–600 °C, либо полноценная нормализация.
Жёсткая фиксация при охлаждении → коробление и остаточные напряжения. Решение: технологические подкладки, компенсационные прихватки, контролируемое охлаждение.
Неверный выбор закалочной среды для массивных деталей → трещины от термоудара. Решение: масло/полимер, пилотные образцы, расчёт скорости охлаждения.

Ответы на частые вопросы заказчиков

Нужен ли подогрев при сварке 09Г2С? Для обычных толщин — нет; для толстостенных и жёстких узлов — по расчёту тепловложений и требованиям к вязкости ЗТВ.
Имеет ли смысл повторная нормализация листа «Н»? Только при доказанной неоднородности после интенсивной деформации или для стабилизации размеров перед чистовой обработкой.
Стоит ли «улучшать» листовые конструкции? Обычно избыточно; режим «закалка + отпуск» целесообразен для поковок и деталей с повышенной ответственностью или специфической средой эксплуатации.

Источники (без ссылок)

ГОСТ 19281-2014. Прокат повышенной прочности. Общие технические условия.
Справочные карточки по 09Г2С: критические точки, ковка, свариваемость.
Справочные данные по механическим свойствам 09Г2С при разных температурах и после разных режимов.
Исследования влияния режимов ТО на стойкость 09Г2С в CO₂-средах.
Работы о нетиповой термообработке с выдержкой в межкритическом интервале и влиянии МКИТ.

Примечание: приведённые режимы — технологические рекомендации. Окончательные параметры назначаются по техпроцессу предприятия с учётом размеров, состояния поставки, требуемых свойств и имеющегося оборудования.