4.2 45钢及50钢

4.2.1 45钢

1.性能特点

45钢是中碳结构钢。该钢冷塑性一般，正火、退火态比调质时稍好。具有较高的强度和较好的可加工性，经适当的热处理以后可以获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源广。适合于氢焊和氩弧焊，不太适合于气焊。焊前需预热，焊后应施以去应力退火。

正火可改善硬度小于160HBW毛坯的可加工性。45钢经调质处理后，其综合力学性能要优于其他中碳结构钢，但该钢的淬透性较低，水淬时的淬透直径为φ12～φ17mm，水淬开裂倾向较大，特别是φ7～φ11mm小件，不宜水淬。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表4-10）

表4-10 45钢化学成分、临界点及对应牌号

3.热处理工艺（见表4-11）

表4-11 45钢热处理工艺

4.力学性能

45钢等优质碳素结构钢力学性能见表4-12。

表4-12 45钢等优质碳素结构钢力学性能

注：试样尺寸：25mm。

5.淬透性

45钢的淬透性数据见表4-13；45钢淬透性曲线见图4-3；不同直径45钢淬火后截面硬度分布曲线见图4-4。

表4-13 45钢淬透性数据

6.应用

1）用于各种冷冲压模具楔块、螺钉、垫板等。

2）适用于制造强度要求较高，又要求一定硬度和韧性的各种扳手等工具。

3）用于热锻、压铸、热冲压等热作模具的零件。

4）45钢制塑料模强韧化处理。810℃×3h固体碳氮共渗，出炉空冷至室温，将工件表面清理干净，不得有污染，再装箱固体渗硼，最后盐浴加热淬火：800℃×0.4～0.5min/mm，水淬油冷，200～220℃×2h回火。

5）45钢制蒸发器冲管冲头氯化钙水溶液淬火。冲头外形尺寸为φ68mm×160mm。改静止盐水淬火为w（CaCl₂）5%水溶液；改320℃回火为230℃回火，冲头硬度由40～43HRC提高到50～55HRC；工艺改进后的冲头既不卷刃也不崩块，显示了优良的冲击性能。

图4-3 45钢淬透性曲线

图4-4 不同直径45钢淬火后截面硬度分布曲线

a）粗晶粒钢 b）细晶粒钢

注：试样淬火：φ12～15mm，800℃，水淬；φ25～φ75mm，830℃，水淬。

6）45钢制冷挤压模在流态炉中热处理。45钢制钢筋冷挤压模为上、下两个半圆形，共重4.5kg，中间为工作面，热处理硬度要求46～50HRC。在70kW流态炉中加热：830～850℃×30min，水淬油冷。回火在空气炉中进行，160℃×2h。经上述工艺处理的模具，表面光洁，无氧化，微脱碳，硬度均匀，大都在48HRC左右。模具寿命较常规热处理提高2～3倍。

7）45钢制浮动模固体镍硼共渗。镍硼共渗比单一的渗硼具有更好的综合性能。其工艺过程为化学镀镍，在金属表面形成一层致密光滑的镀层，再进行渗硼，由于Ni、B、Fe的相互扩散和渗透，可得到理想的渗层和过渡层，从而改善了渗层的性能，提高了结合强度、冷热疲劳性能、耐高温氧化性能和耐磨性，降低了渗硼层的脆性。

浮动模在不锈钢槽内经电解脱脂后，在电阻炉和陶瓷缸中进行化学镀镍；渗硼在箱式炉中进行。经化学镀镍和固体渗硼的浮动模，在盐浴炉中加热淬火：810℃加热，在160～180℃的碱液中冷却，于300～350℃×2h硝盐中回火，回火出炉后用热水清洗干净。

渗层厚度为0.125mm，表面硬度为1240HV，基体45钢的硬度为45～48HRC。

实践证明，镍硼共渗是一种先进的表面强化技术，45钢浮动模按上述工艺处理后，模具寿命比原T10A钢提高8倍以上，可达3万多件。

8）45钢制热切边模固体渗硼。用45钢固体渗硼代替Cr12MoV钢制叶片热切边模获得成功，热处理工艺如下：910～930℃×4h固体渗硼后，随炉冷至室温；盐浴炉重新加热淬火：820～840℃×0.5min/mm加热，淬入盐水；210～230℃×3h回火。表面硬度为1290～1700HV。

9）45钢冷镦模固体碳氮共渗。Q235钢半圆头销钉冷镦模，外形尺寸为φ50mm×60mm，内孔为φ22mm×20mm→φ10mm×40mm的通孔。寿命不太高。固体碳氮共渗处理工艺为：790～800℃×3h，碳氮共渗后炉冷至室温，再盐浴重新加热淬火：830～840℃×0.5min/mm，内孔喷10%NaCl（质量分数）水溶液冷却。按上述工艺处理的冷镦模，可获得0.6～0.7mm的碳氮共渗层，表面硬度为780～800HV，内孔变形量≤0.04mm。模具寿命较原CrWMn钢提高4～5倍。

10）45钢制蜂窝煤机煤钎半快速加热。蜂窝煤机上的煤钎用45钢制造，按常规处理，由于煤中的石头及硬质点较多，煤钎很容易折断，如果降低硬度，又容易打弯，采用半快速加热，使煤钎的寿命大大提高。

加热温度比常规高50～60℃，加热时间根据炉型、工件大小、装炉量多少而定。本例中的φ14mm煤钎在75kW盐浴炉中加热，一炉放3挂，每挂24件，加热系数取8～10s/mm（经500℃空气炉预热过），加热温度取875～880℃，加热时间由原7.5min缩短至2.5min，淬火冷却介质由原盐水改为流动的自来水。生产率提高2倍，节能、畸变小、质量好。

11）45钢制模具渗硼处理。45钢制无缝钢管冷拔模、硅棒模具、釉面砖模板等模具，采用液体或固体渗硼，模具的寿命都有很大的提高。

无缝钢管冷拔模液体渗硼工艺：450～500℃×2～3h空气炉预热，940～960℃×5h渗硼，淬入盐水，160～180℃×1.5h×2次回火。

45钢硅棒模经960℃×10h膏剂渗硼处理，渗硼后不进行二次加热淬火，而是进行正火处理，直接出炉，开箱取出，空冷。模具表面硬度为2200HV，平均寿命为1250件，比原45钢常规处理寿命提高3倍多。

釉面砖成形模板一般用Cr12MoV钢制造，寿命不高，改用45钢渗硼，有效地解决了问题。采用市售的粒状渗硼剂，渗硼工艺为900～920℃×4～6h。渗硼结束后，渗硼箱随炉冷至100℃左右出炉，开箱取模。渗层厚度为95～200μm，金相组织为Fe₂B，硬度为1500～1800HV，使用寿命较Cr12MoV提高6倍。

12）45钢冲头化学沉积Ni-P合金。角钢和板材的冷冲模用45钢制作冲头和下模，经830℃加热淬火，低温回火，硬度为50～54HRC，使用寿命比较低，失效的主要形式是头部倒角处断裂和冲头头部严重拉毛。仍选用45钢制作冲头，经上述热处理后的冲头，再进行Ni-P合金沉积，沉积层厚度为25～30μm，表面硬度达1000HV，冲头使用寿命达到6000多件，平均寿命提高2倍。

13）45钢制冷镦模内孔复合渗强化处理。45钢制方头帽冷镦模，在服役时冲击频率为150～200次/min，主要失效形式是崩裂、磨损、塌陷、拉毛和变形等。为此，要求模具有足够的变形抗力、摩擦抗力、疲劳强度、断裂抗力和抗咬合能力。45钢不进行强化处理显然不能胜任。曾选用CrWMn钢制作，整体淬硬，虽然耐磨，但脆性很大。改用45钢，先经调质处理，再对内孔进行碳氮共渗+渗硼处理，模具的寿命较CrWMn钢提高9倍。

14）45钢制丝锥、板牙。20世纪八九十年代，应外商要求，浙江有几家生产外贸45钢丝锥、板牙，用于切削塑料、铜、铝等软材料。要求整体淬火，硬度为53.5～60HRC。

45钢丝锥、板牙热处理并不像高速钢产品那样容易，说它难主要体现在三个方面：易变形开裂（存在一个临界淬火危险尺寸问题）、质量稳定性差、易生锈。经过实践，作者及其同仁解决了淬火夹具和淬火冷却介质两大难题，其他问题就迎刃而解了。

淬火加热温度不能太高，一般用820～830℃，装炉量不能太多太密，冷却不能用盐水，更不能用油，而是选定两硝水溶液，即25%NaNO₂+25%NaNO₃+50%水（质量分数），使用温度<70℃。淬火后硬度如低于53HRC，应认真找出原因再试验。回火在硝盐中进行：150～160℃×1h×1次。产品经磷化后出厂，出口多年，外商满意。

15）45钢制砂轮割刀复相强韧化处理。该刀有效厚度约2mm，要求热处理硬度为52～56HRC，淬火后不允许有椭圆、扭曲变形及裂纹。复相强韧化处理工艺：650℃×8min预热，770℃×4min盐浴加热，出炉后在空气中预冷3～4s，立即淬入盐水，水冷5s出水空冷。组织中含5%～8%铁素体（体积分数），有较好的强韧性配合。合格率为100%，经济效益好，用户满意。

16）45钢制手摇绞肉机十字刀。技术要求刀刃锋利，不得有氧化皮，热处理硬度要求48～53HRC。成熟的工艺为：820～830℃×3min盐浴加热，出炉后空冷几秒钟，淬入质量分数为10%NaCl水溶液中，淬火冷却介质的温度控制在30～40℃。

17）45钢制千分尺微分筒体。该产品外形尺寸为φ17mm×46mm，硬度要求170～207HBW。热处理工艺：用铁丝扎成串，870～890℃×10min盐浴加热，出炉后吹风冷却，正火后硬度在200HBW左右。

18）45钢制作弹簧夹头。45钢一般不作弹簧夹头使用，但有时就地取材采用45钢制造。失效分析发现约有85%的弹簧夹头是淬裂，裂源位于圆角过渡区，呈45°角斜边过渡，属疲劳断裂。成功的热处理工艺：820～840℃×6min盐浴加热，在170～180℃的硝盐中分级4min，390～400℃×1h硝盐回火。弹簧夹头平均寿命达2.6万～3万件，较常规处理寿命提高3倍多。

4.2.2 50钢

1.性能特点

50钢的强度高，弹性好，冷变形塑性低，可加工性中等，焊接性差，无回火脆性，淬透性较低，水淬时临界淬火直径为φ13～φ30mm；易产生裂纹。多在正火、淬火及回火或高频感应淬火后使用。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表4-14）

表4-14 50钢化学成分、临界点及对应牌号

注：45钢和50钢有一个共同的碳含量区间：0.47%～0.50%。

3.热处理工艺（见表4-15）

表4-15 50钢热处理工艺

4.力学性能

50钢的力学性能见表4-12。

5.淬透性

50钢淬透性数据见表4-16，淬透性曲线见图4-5。

表4-16 50钢的淬透性数据

6.应用

1）用于制造一般冲头时，批量小于1000件，被冲材料为较软的低碳钢，材料厚度<1mm，所用的凹模为锌基合金。

2）50钢制八角锤的强韧化处理。要求热处理后锤击面硬度为48～56HRC，装木柄孔部硬度低于35HRC，淬硬层深度≥3mm。目前国内大多数单位采用喷水淬火+低温回火的工艺。锤子的硬度虽然达到技术要求，但使用1个月左右，锤击面就产生剥落，甚至开裂。采用马氏体-贝氏体强韧化处理新工艺，930～950℃奥氏体化后预冷淬火+260～280℃等温处理，得到马氏体-贝氏体的混合组织，具有较高的强韧性，与回火马氏体相比其锤击破坏寿命提高10倍以上；马氏体-贝氏体混合组织的强韧性与两者的比例有关，一般下贝氏体量控制在25%～30%（体积分数）时，锤子的性能最佳；八角锤的表面硬化层深度一般控制在3～5mm（即从表面到硬度为45HRC左右为止的深度）内。

图4-5 50钢的淬透性曲线

采用强韧化处理的八角锤打击次数赶上甚至超过美国T牌同类产品。

3）50钢制鲤鱼钳。QT/T 2442.4—2007规定用50钢制造，钳刃部分硬度为46～56HRC，其余部分硬度为25～35HRC。浙江某厂为严把质量关，将刃部硬度内控在48～54HRC，保证出口产品硬度都合格。比较经济适用的热处理工艺为：盐浴炉淬火加热，选用淬火夹具非常重要。每挂夹具装工件16～20件（视规格而变），钳口朝下，800～820℃×4.5～5min，盐浴正好淹过圆孔，出炉前浸柄（整体入浴）5～6s，出炉后整体淬入硝盐水溶液中，300～320℃×2h回火。

如前所述，45钢和50钢的碳含量有一个共同的区间（质量分数为0.47%～0.50%），根据作者多年处理45钢刀具的经验体会，当碳的质量分数在0.45%～0.50%区间时，Ac₃会出现突变，即出现一个低谷，它不遵循随着碳含量的增加临界点下降的规律。这给热处理工艺的编制和热处理操作带来难度，稍有疏忽，就可能出现批量报废。

50钢和45钢一样，危险淬火尺寸都是5～11mm。当工件的有效尺寸落在此范围内，淬火时极易出现纵向开裂。为减少或避免淬裂，可采取以下措施：①对原材料实施科学管理，从钢厂直接进货，按炉号堆放、投料、淬火；②适当降低淬火加热温度；③淬火后及时回火；④选择理想的淬火冷却介质，不可以淬盐水。

4）50钢制花腮钳。50钢制花腮钳刃口硬度偏低一直是国内生产的老大难问题。成熟的工艺是：网带炉加热，热油淬火、回火，再高频感应淬火，不回火。这样，一是有利刃口硬度的控制，即使碳含量偏低，硬度也可达到56～63HRC的技术要求；二是高频感应淬火后表面呈现压应力，有利于提高刃口的疲劳寿命；三是钳体油淬回火的金相组织为马氏体+少量托氏体，与高频感应淬火层的金相组织比体积差少，因此过渡区应力小，不易产生裂纹。

采用新工艺淬火的花腮钳刃口硬度为58～61HRC，合格率为100%。

5）50钢制木工麻花钻。50钢制木工麻花钻有两种成形及热处理工艺：轧制后利用轧制余热进行形变热处理，淬火冷却介质为两硝水溶液；也可轧后加工成成品再盐浴加热淬火；二是铣制、盐浴加热淬火，850～860℃×0.4min/mm，出炉空冷，淬入两硝水溶液，于210～230℃回火，硬度为46～50HRC，符合技术要求。

6）50钢锯齿镰刀。要求硬度为55～60HRC。盐浴加热，810～820℃水淬油冷，160～200℃空气炉回火。