Термическая обработка стали 45: режимы, свойства, контроль
Материал предназначен для технологов термических участков и металловедов. Ниже — практические режимы для стали 45 с привязкой к сечению и среде охлаждения, ориентиры по механическим свойствам после отпуска, контроль качества по ГОСТ и типовые риски.
Краткая справка о марке
Сталь 45 — конструкционная углеродистая качественная (~0,45% C). Применяется для валов, шестерён, пальцев, штоков, шпинделей, крепежа повышенной прочности. Свариваемость ограниченная: требуется подогрев и последующий высокий отпуск/нормализация. Технологичность в резании средняя, хорошо отвечает на улучшение (закалка + высокий отпуск).
Химический состав, мас. % (ориентиры по ГОСТ)
| C | Si | Mn | S ≤ | P ≤ | Cr ≤ | Ni ≤ | Cu ≤ | As ≤ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,42–0,50 | 0,17–0,37 | 0,50–0,80 | 0,035 | 0,035 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | 0,08 |
Боли заказчика и требования к ТО
- Стабильная твердость по партии и по сечению без «перекала» кромок и «недопревращения» в сердцевине.
- Минимальные деформации и отсутствие трещин после закалки, особенно у валов и длинных тонкостенных деталей.
- Подтверждаемые протоколами результаты: HRC/HB по ГОСТ, механика по образцам, контроль обезуглероживания.
- Предсказуемые сроки и повторяемость: маршрут, выдержки «по сечению», немедленный отпуск.
- Возможность поверхностного упрочнения (ТВЧ/пламя) с заданной глубиной и твердостью слоя.
Подготовка заготовок к ТО
- Оставляйте припуск под шлифование/доводку после ТО с учётом возможного «ведения» и обезуглероживания.
- Снимайте остаточные напряжения до закалки: 550–650 °C, выдержка 1–2 ч на каждые 50 мм сечения, охлаждение в печи до ~200 °C.
- Исключайте острые галтелии/концентраторы напряжений, обеспечивайте радиусы переходов и фаски.
- Поверхность очищайте от масел/оксидов; размещайте термопары на репрезентативной массе, контролируйте равномерность прогрева.
- Загрузка печи — с зазорами для циркуляции; массив — в «тёплых» зонах, подвес/укладка симметричная.
Режимы термообработки
Нормализация (выравнивание структуры, подготовка под закалку)
| Операция | T, °C | Выдержка | Охлаждение | Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Нагрев > Ac3 | 840–880 | ~1–1,5 ч/50 мм | На воздухе | Мелкозернистая феррито-перлитная структура, HB ~170–220 |
Отжиг под мехобработку
- Полный: 750–780 °C (выше Ac3), 1–2 ч/50 мм; охлаждение в печи до ~500 °C, дальше — воздух; HB ~150–190.
- Изотермический: аустенизация 800–830 °C → изотерма 680–700 °C, выдержка 1–2 ч; воздух. Равномерность твердости и структуры.
Закалка + высокий отпуск («улучшение»)
| Сечение детали | T закалки, °C | Среда охлаждения | T отпуска, °C | Ориентиры по свойствам |
|---|---|---|---|---|
| ≤15 мм | 830–860 | Масло 20–80 °C | 450–500 | Высокая прочность; HB ~200–240; ударная вязкость средняя |
| ~30–60 мм | 820–850 | Масло или вода→масло | 500–600 | Баланс прочности и вязкости; HB ~190–220 |
| >60 мм | 820–840 | Вода (интенсивная), далее немедленный отпуск | 520–600 | Компромисс по прокаливаемости; повышенные риски трещин/деформаций |
- Отпуск выполняйте без задержки после закалки, особенно при закалке в воде.
- Температуру и перемешивание охлаждающей среды стабильные; для масла контролируйте загрязнение/вспышку.
Низкий отпуск после поверхностной закалки
- Поверхностная закалка ТВЧ/пламенем: локальный нагрев ~840–880 °C, закалка спреем/водой/маслом; твердость слоя обычно 45–56 HRC при глубине ~1–3 мм.
- Низкий отпуск 160–220 °C, выдержка ~1 ч/каждые 20–25 мм условной толщины, охлаждение на воздухе.
Зависимость свойств от температуры отпуска (ориентиры)
| T отпуска, °C | σ0.2, МПа | σв, МПа | δ5, % | KCU, кДж/м² | HB |
|---|---|---|---|---|---|
| 450 | ~830 | ~980 | ~10 | ~60 | ~200–220 |
| 500 | ~730 | ~830 | ~12 | ~80 | ~200 |
| 550 | ~640 | ~780 | ~16 | ~100 | ~190 |
| 600 | ~590 | ~730 | ~25 | ~120 | ~180 |
Выбор среды охлаждения по сечению
| Условное сечение/масса | Рекомендуемая среда | Замечания |
|---|---|---|
| Тонкие/мелкие детали (до ~15 мм) | Масло | Минимизирует трещины/деформации; обеспечить перемешивание |
| Средние сечения (~30–60 мм) | Масло или вода→масло | Ступенчатое охлаждение повышает прокаливаемость при контроле риска |
| Крупные/массивные (>60 мм) | Вода, затем немедленный отпуск | Только при требовании сердцевинной прочности; высокий риск трещин |
Контроль качества после ТО
- Твердость: HB (Бринелль) для нормализованного/улучшенного состояния; HRC (Роквелл, шкала C) — для закалки/поверхностной закалки. Соблюдайте требования к минимальной толщине и шероховатости площадок.
- Механические испытания: растяжение (σв, σ0.2, δ5, ψ) и ударная вязкость (KCU) по плану контроля партии/серии.
- Обезуглероживание: контролируйте глубину слоя и корректируйте припуск на шлифование.
- Неразрушающий контроль: магнитопорошковая/капиллярная дефектоскопия ответственных деталей после закалки и шлифования.
- Документирование: маршрутная карта ТО, параметры нагрева/охлаждения, результаты замеров и испытаний.
Типовые дефекты и профилактика
- Трещины закалки — избыточно жёсткая среда (вода), задержка с отпуском, острые переходы. Профилактика: масло/ступенчатое охлаждение, радиусирование, немедленный отпуск.
- Деформации — несимметричная укладка/подвес, неравномерный прогрев, отсутствие перемешивания среды. Профилактика: симметрия, технологические подвесы, контроль циркуляции.
- Недопревращение (низкая твердость) — недогрев/недовыдержка, «мягкая» среда для крупного сечения. Профилактика: корректировать T/время, перейти на воду→масло, пересчитать загрузку.
- Перекал/крупное зерно — перегрев выше диапазона закалки. Профилактика: поверка приборов/термопар, выдержка «по стали», калибровка печи.
Пример производственного маршрута
- Приёмка/маркировка, проверка сертификатов и припусков.
- Нормализация 860 °C → воздух (по необходимости для выравнивания структуры).
- Закалка: 840 °C, выдержка по сечению → масло (до ~60 мм) или вода→масло (крупнее).
- Высокий отпуск 520–580 °C с выдержкой, охлаждение на воздухе.
- Контроль твердости; при необходимости — повторный отпуск для стабилизации.
- Чистовая мехобработка/шлифование; НК на ответственных поверхностях.
FAQ по возражениям
Можно обеспечить 50–55 HRC «на толщину»?
На малых сечениях — да. Для крупных сечений ограниченная прокаливаемость стали 45 не гарантирует сплошной мартенсит по сердцевине — решается ступенчатым охлаждением, корректировкой конструкции или выбором легированных марок.
Почему ведёт вал после ТО?
Сумма факторов: остаточные напряжения, несимметричная укладка, вода как среда. Решения: снятие напряжений до закалки, симметричный подвес, масло/ступень, немедленный отпуск, правка в нужном интервале.
Какие ориентиры по твёрдости после улучшения?
Для типовых сечений HB порядка 180–220 в зависимости от температуры отпуска; при необходимости повышенной поверхностной износостойкости — поверхностная закалка с низким отпуском (обычно 45–56 HRC слоя).
Источники
- ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия.
- ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
- ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.
- Сталь 45: характеристики, термообработка, свойства (производственные справочные материалы).
- Справочные ориентиры по режимам/свойствам для стали 45 (профильные обзоры и материалы поставщиков проката).