Термическая обработка стали 20

Назначение страницы. Дать технологам и металлургам полный, практико-ориентированный обзор по термообработке стали 20 (углеродистая качественная по ГОСТ 1050): базовые режимы (отжиг, нормализация, снятие напряжений), цементация с последующей закалкой и отпуском, локальное ТВЧ-упрочнение, контроль качества, предотвращение дефектов и рекомендации для конструкторской документации.

1. Краткая характеристика марки и критические точки

Сталь 20 — низкоуглеродистая конструкционная сталь с хорошей свариваемостью и низкой прокаливаемостью. Используется для валов, пальцев, зубчатых элементов малой и средней нагруженности, втулок, осей, деталей общего машиностроения. Традиционные операции: нормализация/отжиг для подготовки под мехобработку и химико-термическое упрочнение (цементация) для пар трения.

Параметр	Диапазон/значение (типично для стали 20)	Примечания
Химсостав, мас. %	C 0,17–0,24; Mn 0,35–0,65; Si 0,17–0,37; S ≤ 0,035; P ≤ 0,035	По ГОСТ 1050; точные пределы зависят от категории/плавки
Критические точки	Ac₁ ≈ 735 °C; Ac₃ ≈ 850 °C; Ar₁ ≈ 680 °C; Ar₃ ≈ 835 °C	Ориентиры для назначения температур нагрева
Плотность	~7,85 г/см³	Справочно для расчёта тепловых режимов

2. Где оправдана термообработка и какие цели преследуем

Отжиг/нормализация. Выравнивание структуры после ковки/штамповки, снижение твердости, увеличение пластичности, подготовка под мехобработку.
Снятие напряжений. После сварки, грубого фрезерования/правки — стабилизация размеров перед чистовыми операциями.
Цементация + закалка + низкий отпуск. Поверхностная твердость HRC 57–63 при вязком ядре (HB ~180–250) — для износостойких поверхностей и пар трения.
Локальное ТВЧ-упрочнение. Глубина упрочнения 0,8–3 мм (выше по требованию), твердость 50–60 HRC — минимизация коробления при упрочнении отдельных зон.

3. Режимы термической обработки (производственные ориентиры)

3.1. Базовые операции (без химико-термической обработки)

Операция	Назначение	Температура нагрева, °C	Выдержка	Охлаждение	Ожидаемое состояние
Полный отжиг	Смягчение, выравнивание структуры, снижение твердости	~850–880 (выше Ac₃)	По сечению (ориентир 1–1,5 мин/мм эффективной толщины)	В печи до 500–600, далее на воздухе	Феррит-перлит, HB ~130–170
Нормализация	Дробление зерна, повышение однородности	~880–910	По сечению	На воздухе	Мелкоперлитная структура, HB ~140–180
Снятие напряжений	Стабилизация размеров после сварки/мехобработки	~500–650	1–3 часа	На воздухе	Снижение остаточных напряжений
Объёмная закалка (редко)	Повышение прочности без высоких требований к износу	~800–820	По сечению	Масло/вода (по форме и точности)	Ограниченный эффект из-за низкой прокаливаемости

3.2. Цементация и последующая термообработка

Для стали 20 оптимальна газовая или твердая цементация с последующей закалкой и низким отпуском. Ниже приведена типовая маршрутная карта.

Этап	Режим	Цель	Контроль
Цементация	~910–950 °C; время — из расчёта ~0,10–0,12 ч на 0,1 мм слоя (для 1,0 мм ~10 ч)	Насыщение поверхности до ~0,8–1,1% C	Потенциал углерода/углеродный эквивалент атмосферы; масса прироста
Диффузионный отжиг (опц.)	~860–900 °C	Сглаживание градиента C, снятие сетки цементита	Микроструктура по шлифам
Закалка слоя	~780–820 °C; охлаждение в масле	Максимальная твердость поверхностного слоя	HRC поверхности; отсутствие карбидной сетки
Закалка сердцевины (по требованию)	~860–880 °C; масло	Задать прочность ядра при вязкости HB ≤ ~250	HB сердцевины по сечению
Низкий отпуск	~150–200 °C; 1–2 часа	Стабилизация размеров и твердости, снятие хрупкости	HRC 57–63 поверхности; CHD по заданию

3.3. ТВЧ-упрочнение (локально, без цементации)

Нагрев локальных зон до аустенитного интервала (~800–860 °C) с последующим интенсивным охлаждением (спрей-насадка, полимер/вода, масло по задаче).
Типовой результат: твердость 50–60 HRC на глубину 0,8–3 мм (возможны и бóльшие значения при выборе частоты и мощности).
Преимущества: минимальное коробление, адресное упрочнение рабочих поясков, резкое сокращение припусков на шлифование.

4. Ожидаемые свойства после обработки

Состояние	Поверхность	Сердцевина	Показатели
Нормализация	HB ~140–180	HB ~140–180	σ_в ~420–520 МПа; δ₅ ~18–25% (ориентиры)
Цементация + закалка + низкий отпуск	HRC ~57–63; CHD 0,8–1,2 мм (по ТЗ)	HB ~180–250	Высокая износостойкость при ударной вязкости ядра, ограничение склонности к сколам
ТВЧ-упрочнение	HRC ~50–60 на заданную глубину	Без изменений	Минимальные деформации, локальная обработка

5. Технологическая карта процесса

Входной контроль. Марка/плавка, размеры/дефекты, химсостав (спектр), исходная твердость HB (по ГОСТ на методы).
Подготовка. Обезжиривание/очистка, фиксация зон упрочнения, приспособления для минимизации коробления.
Преднагрев. Для массивных/сложных деталей — ступенчатый подъём (200–400 °C) для исключения термошоков.
Нагрев/выдержка. По режиму (см. табл.), пирометрический контроль, по возможности — регистрация атмосферы/потенциала C при цементации.
Охлаждение. Масло/полимер/вода по «карте деформаций» (геометрия, допуски, требуемая твердость).
Отпуск. Высокий (снятие напряжений) или низкий (после цементации) — на стабильность размеров/твердости.
Чистовые операции. Шлифование упрочненных поясков с контролем перегрева (искра/пережог недопустим).
Контроль качества. HRC/HB по сетке точек; CHD по микротвердости/шлифу; геометрия (биение/овальность/прямолинейность); микроструктура (зерно, отсутствие сетки цементита, перегрева).
Документация. Протокол термообработки: графики T–t, атмосфера, среда охлаждения, результаты контроля.

6. Типовые дефекты и профилактика

Риск/дефект	Причина	Профилактика/меры
Коробление после закалки	Неравномерный нагрев/охлаждение, тонкие стенки	Симметричная подвеска, масло/полимер вместо воды, ступенчатое охлаждение, правка с последующим низким отпуском
Декарбюризация	Окислительная атмосфера при нагреве	Защитная атмосфера/упаковка, припуски под шлифование, контроль продувки печи
Хрупкость цементованного слоя	Перенасыщение C, отсутствие низкого отпуска	Диффузионный отжиг при необходимости; обязательный отпуск 150–200 °C
Недобор твердости слоя	Низкий потенциал C/время цементации, недогрев при закалке	Корректировка потенциала и времени; поверка фактических Ac-точек по плавке; калибровка пирометрии
Шлифожог (перегрев зоны)	Агрессивные режимы шлифования	Охлаждение, правка круга, уменьшение съёма, контроль цвета побежалости и микротвердости

7. Рекомендации для КД и ТУ

Задавайте твердость и допуск (например, HRC 58±2) и глубину упрочнения (например, CHD 1,0±0,2 мм по методике предприятия).
Предусматривайте припуски на шлифование упрочненных зон (ориентир 0,10–0,30 мм/сторона для диаметров до 50 мм).
Для длинномерных и тонкостенных деталей — локальная ТВЧ вместо сплошной закалки (меньше деформаций).
При ударных нагрузках — ограничивайте поверхность до HRC 56–58 и контролируйте KCU сердцевины при +20 °C.

8. Ответы на частые возражения

«Можно просто закалить всю деталь?» Для стали 20 это дает умеренную твердость из-за низкой прокаливаемости. Цементация формирует высокоуглеродный поверхностный слой, который после закалки достигает HRC 57–63 при вязком ядре — оптимум для износостойких поверхностей.
«Боюсь трещин при охлаждении в воде» — используйте масло/полимер, корректируйте интенсивность омыва по геометрии, обязательно выполняйте отпуск.
«Как гарантировать глубину слоя?» Управляйте потенциалом углерода и временем цементации, подтверждайте CHD профилем микротвердости и оформляйте протокол контроля.

9. Наши производственные возможности (сталь 20)

Отжиг/нормализация поковок и штамповок; снятие напряжений после сварки.
Газовая/твердая цементация, диффузионный отжиг, закалка в масле/полимере, низкий отпуск; оформление протоколов HRC/HB, CHD, микроструктуры.
ТВЧ-упрочнение валов, роликов, зубчатых венцов с контролем геометрии и твердости.

10. Дисклеймер по режимам

Все температуры и выдержки приведены как производственные ориентиры. Точные параметры подбираются под габарит/массу, теплопроводность, требования КД/ТУ, тип печи/индуктора, атмосферу, среду охлаждения и допускаемую деформацию. Контроль — по методикам предприятия и применимым ГОСТ (испытания на растяжение, твердость HB/HRC, микротвердость, металлография).