4.2 45鋼及50鋼

4.2.1 45鋼

1.性能特點

45鋼是中碳結構鋼。該鋼冷塑性一般，正火、退火態比調質時稍好。具有較高的強度和較好的可加工性，經適當的熱處理以后可以獲得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源廣。適合于氫焊和氬弧焊，不太適合于氣焊。焊前需預熱，焊后應施以去應力退火。

正火可改善硬度小于160HBW毛坯的可加工性。45鋼經調質處理后，其綜合力學性能要優于其他中碳結構鋼，但該鋼的淬透性較低，水淬時的淬透直徑為φ12～φ17mm，水淬開裂傾向較大，特別是φ7～φ11mm小件，不宜水淬。

2.化學成分、臨界點及對應牌號（見表4-10）

表4-10 45鋼化學成分、臨界點及對應牌號

3.熱處理工藝（見表4-11）

表4-11 45鋼熱處理工藝

4.力學性能

45鋼等優質碳素結構鋼力學性能見表4-12。

表4-12 45鋼等優質碳素結構鋼力學性能

注：試樣尺寸：25mm。

5.淬透性

45鋼的淬透性數據見表4-13；45鋼淬透性曲線見圖4-3；不同直徑45鋼淬火后截面硬度分布曲線見圖4-4。

表4-13 45鋼淬透性數據

6.應用

1）用于各種冷沖壓模具楔塊、螺釘、墊板等。

2）適用于制造強度要求較高，又要求一定硬度和韌性的各種扳手等工具。

3）用于熱鍛、壓鑄、熱沖壓等熱作模具的零件。

4）45鋼制塑料模強韌化處理。810℃×3h固體碳氮共滲，出爐空冷至室溫，將工件表面清理干凈，不得有污染，再裝箱固體滲硼，最后鹽浴加熱淬火：800℃×0.4～0.5min/mm，水淬油冷，200～220℃×2h回火。

5）45鋼制蒸發器沖管沖頭氯化鈣水溶液淬火。沖頭外形尺寸為φ68mm×160mm。改靜止鹽水淬火為w（CaCl₂）5%水溶液；改320℃回火為230℃回火，沖頭硬度由40～43HRC提高到50～55HRC；工藝改進后的沖頭既不卷刃也不崩塊，顯示了優良的沖擊性能。

圖4-3 45鋼淬透性曲線

圖4-4 不同直徑45鋼淬火后截面硬度分布曲線

a）粗晶粒鋼 b）細晶粒鋼

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

6）45鋼制冷擠壓模在流態爐中熱處理。45鋼制鋼筋冷擠壓模為上、下兩個半圓形，共重4.5kg，中間為工作面，熱處理硬度要求46～50HRC。在70kW流態爐中加熱：830～850℃×30min，水淬油冷。回火在空氣爐中進行，160℃×2h。經上述工藝處理的模具，表面光潔，無氧化，微脫碳，硬度均勻，大都在48HRC左右。模具壽命較常規熱處理提高2～3倍。

7）45鋼制浮動模固體鎳硼共滲。鎳硼共滲比單一的滲硼具有更好的綜合性能。其工藝過程為化學鍍鎳，在金屬表面形成一層致密光滑的鍍層，再進行滲硼，由于Ni、B、Fe的相互擴散和滲透，可得到理想的滲層和過渡層，從而改善了滲層的性能，提高了結合強度、冷熱疲勞性能、耐高溫氧化性能和耐磨性，降低了滲硼層的脆性。

浮動模在不銹鋼槽內經電解脫脂后，在電阻爐和陶瓷缸中進行化學鍍鎳；滲硼在箱式爐中進行。經化學鍍鎳和固體滲硼的浮動模，在鹽浴爐中加熱淬火：810℃加熱，在160～180℃的堿液中冷卻，于300～350℃×2h硝鹽中回火，回火出爐后用熱水清洗干凈。

滲層厚度為0.125mm，表面硬度為1240HV，基體45鋼的硬度為45～48HRC。

實踐證明，鎳硼共滲是一種先進的表面強化技術，45鋼浮動模按上述工藝處理后，模具壽命比原T10A鋼提高8倍以上，可達3萬多件。

8）45鋼制熱切邊模固體滲硼。用45鋼固體滲硼代替Cr12MoV鋼制葉片熱切邊模獲得成功，熱處理工藝如下：910～930℃×4h固體滲硼后，隨爐冷至室溫；鹽浴爐重新加熱淬火：820～840℃×0.5min/mm加熱，淬入鹽水；210～230℃×3h回火。表面硬度為1290～1700HV。

9）45鋼冷鐓模固體碳氮共滲。Q235鋼半圓頭銷釘冷鐓模，外形尺寸為φ50mm×60mm，內孔為φ22mm×20mm→φ10mm×40mm的通孔。壽命不太高。固體碳氮共滲處理工藝為：790～800℃×3h，碳氮共滲后爐冷至室溫，再鹽浴重新加熱淬火：830～840℃×0.5min/mm，內孔噴10%NaCl（質量分數）水溶液冷卻。按上述工藝處理的冷鐓模，可獲得0.6～0.7mm的碳氮共滲層，表面硬度為780～800HV，內孔變形量≤0.04mm。模具壽命較原CrWMn鋼提高4～5倍。

10）45鋼制蜂窩煤機煤釬半快速加熱。蜂窩煤機上的煤釬用45鋼制造，按常規處理，由于煤中的石頭及硬質點較多，煤釬很容易折斷，如果降低硬度，又容易打彎，采用半快速加熱，使煤釬的壽命大大提高。

加熱溫度比常規高50～60℃，加熱時間根據爐型、工件大小、裝爐量多少而定。本例中的φ14mm煤釬在75kW鹽浴爐中加熱，一爐放3掛，每掛24件，加熱系數取8～10s/mm（經500℃空氣爐預熱過），加熱溫度取875～880℃，加熱時間由原7.5min縮短至2.5min，淬火冷卻介質由原鹽水改為流動的自來水。生產率提高2倍，節能、畸變小、質量好。

11）45鋼制模具滲硼處理。45鋼制無縫鋼管冷拔模、硅棒模具、釉面磚模板等模具，采用液體或固體滲硼，模具的壽命都有很大的提高。

無縫鋼管冷拔模液體滲硼工藝：450～500℃×2～3h空氣爐預熱，940～960℃×5h滲硼，淬入鹽水，160～180℃×1.5h×2次回火。

45鋼硅棒模經960℃×10h膏劑滲硼處理，滲硼后不進行二次加熱淬火，而是進行正火處理，直接出爐，開箱取出，空冷。模具表面硬度為2200HV，平均壽命為1250件，比原45鋼常規處理壽命提高3倍多。

釉面磚成形模板一般用Cr12MoV鋼制造，壽命不高，改用45鋼滲硼，有效地解決了問題。采用市售的粒狀滲硼劑，滲硼工藝為900～920℃×4～6h。滲硼結束后，滲硼箱隨爐冷至100℃左右出爐，開箱取模。滲層厚度為95～200μm，金相組織為Fe₂B，硬度為1500～1800HV，使用壽命較Cr12MoV提高6倍。

12）45鋼沖頭化學沉積Ni-P合金。角鋼和板材的冷沖模用45鋼制作沖頭和下模，經830℃加熱淬火，低溫回火，硬度為50～54HRC，使用壽命比較低，失效的主要形式是頭部倒角處斷裂和沖頭頭部嚴重拉毛。仍選用45鋼制作沖頭，經上述熱處理后的沖頭，再進行Ni-P合金沉積，沉積層厚度為25～30μm，表面硬度達1000HV，沖頭使用壽命達到6000多件，平均壽命提高2倍。

13）45鋼制冷鐓模內孔復合滲強化處理。45鋼制方頭帽冷鐓模，在服役時沖擊頻率為150～200次/min，主要失效形式是崩裂、磨損、塌陷、拉毛和變形等。為此，要求模具有足夠的變形抗力、摩擦抗力、疲勞強度、斷裂抗力和抗咬合能力。45鋼不進行強化處理顯然不能勝任。曾選用CrWMn鋼制作，整體淬硬，雖然耐磨，但脆性很大。改用45鋼，先經調質處理，再對內孔進行碳氮共滲+滲硼處理，模具的壽命較CrWMn鋼提高9倍。

14）45鋼制絲錐、板牙。20世紀八九十年代，應外商要求，浙江有幾家生產外貿45鋼絲錐、板牙，用于切削塑料、銅、鋁等軟材料。要求整體淬火，硬度為53.5～60HRC。

45鋼絲錐、板牙熱處理并不像高速鋼產品那樣容易，說它難主要體現在三個方面：易變形開裂（存在一個臨界淬火危險尺寸問題）、質量穩定性差、易生銹。經過實踐，作者及其同仁解決了淬火夾具和淬火冷卻介質兩大難題，其他問題就迎刃而解了。

淬火加熱溫度不能太高，一般用820～830℃，裝爐量不能太多太密，冷卻不能用鹽水，更不能用油，而是選定兩硝水溶液，即25%NaNO₂+25%NaNO₃+50%水（質量分數），使用溫度<70℃。淬火后硬度如低于53HRC，應認真找出原因再試驗。回火在硝鹽中進行：150～160℃×1h×1次。產品經磷化后出廠，出口多年，外商滿意。

15）45鋼制砂輪割刀復相強韌化處理。該刀有效厚度約2mm，要求熱處理硬度為52～56HRC，淬火后不允許有橢圓、扭曲變形及裂紋。復相強韌化處理工藝：650℃×8min預熱，770℃×4min鹽浴加熱，出爐后在空氣中預冷3～4s，立即淬入鹽水，水冷5s出水空冷。組織中含5%～8%鐵素體（體積分數），有較好的強韌性配合。合格率為100%，經濟效益好，用戶滿意。

16）45鋼制手搖絞肉機十字刀。技術要求刀刃鋒利，不得有氧化皮，熱處理硬度要求48～53HRC。成熟的工藝為：820～830℃×3min鹽浴加熱，出爐后空冷幾秒鐘，淬入質量分數為10%NaCl水溶液中，淬火冷卻介質的溫度控制在30～40℃。

17）45鋼制千分尺微分筒體。該產品外形尺寸為φ17mm×46mm，硬度要求170～207HBW。熱處理工藝：用鐵絲扎成串，870～890℃×10min鹽浴加熱，出爐后吹風冷卻，正火后硬度在200HBW左右。

18）45鋼制作彈簧夾頭。45鋼一般不作彈簧夾頭使用，但有時就地取材采用45鋼制造。失效分析發現約有85%的彈簧夾頭是淬裂，裂源位于圓角過渡區，呈45°角斜邊過渡，屬疲勞斷裂。成功的熱處理工藝：820～840℃×6min鹽浴加熱，在170～180℃的硝鹽中分級4min，390～400℃×1h硝鹽回火。彈簧夾頭平均壽命達2.6萬～3萬件，較常規處理壽命提高3倍多。

4.2.2 50鋼

1.性能特點

50鋼的強度高，彈性好，冷變形塑性低，可加工性中等，焊接性差，無回火脆性，淬透性較低，水淬時臨界淬火直徑為φ13～φ30mm；易產生裂紋。多在正火、淬火及回火或高頻感應淬火后使用。

2.化學成分、臨界點及對應牌號（見表4-14）

表4-14 50鋼化學成分、臨界點及對應牌號

注：45鋼和50鋼有一個共同的碳含量區間：0.47%～0.50%。

3.熱處理工藝（見表4-15）

表4-15 50鋼熱處理工藝

4.力學性能

50鋼的力學性能見表4-12。

5.淬透性

50鋼淬透性數據見表4-16，淬透性曲線見圖4-5。

表4-16 50鋼的淬透性數據

6.應用

1）用于制造一般沖頭時，批量小于1000件，被沖材料為較軟的低碳鋼，材料厚度<1mm，所用的凹模為鋅基合金。

2）50鋼制八角錘的強韌化處理。要求熱處理后錘擊面硬度為48～56HRC，裝木柄孔部硬度低于35HRC，淬硬層深度≥3mm。目前國內大多數單位采用噴水淬火+低溫回火的工藝。錘子的硬度雖然達到技術要求，但使用1個月左右，錘擊面就產生剝落，甚至開裂。采用馬氏體-貝氏體強韌化處理新工藝，930～950℃奧氏體化后預冷淬火+260～280℃等溫處理，得到馬氏體-貝氏體的混合組織，具有較高的強韌性，與回火馬氏體相比其錘擊破壞壽命提高10倍以上；馬氏體-貝氏體混合組織的強韌性與兩者的比例有關，一般下貝氏體量控制在25%～30%（體積分數）時，錘子的性能最佳；八角錘的表面硬化層深度一般控制在3～5mm（即從表面到硬度為45HRC左右為止的深度）內。

圖4-5 50鋼的淬透性曲線

采用強韌化處理的八角錘打擊次數趕上甚至超過美國T牌同類產品。

3）50鋼制鯉魚鉗。QT/T 2442.4—2007規定用50鋼制造，鉗刃部分硬度為46～56HRC，其余部分硬度為25～35HRC。浙江某廠為嚴把質量關，將刃部硬度內控在48～54HRC，保證出口產品硬度都合格。比較經濟適用的熱處理工藝為：鹽浴爐淬火加熱，選用淬火夾具非常重要。每掛夾具裝工件16～20件（視規格而變），鉗口朝下，800～820℃×4.5～5min，鹽浴正好淹過圓孔，出爐前浸柄（整體入浴）5～6s，出爐后整體淬入硝鹽水溶液中，300～320℃×2h回火。

如前所述，45鋼和50鋼的碳含量有一個共同的區間（質量分數為0.47%～0.50%），根據作者多年處理45鋼刀具的經驗體會，當碳的質量分數在0.45%～0.50%區間時，Ac₃會出現突變，即出現一個低谷，它不遵循隨著碳含量的增加臨界點下降的規律。這給熱處理工藝的編制和熱處理操作帶來難度，稍有疏忽，就可能出現批量報廢。

50鋼和45鋼一樣，危險淬火尺寸都是5～11mm。當工件的有效尺寸落在此范圍內，淬火時極易出現縱向開裂。為減少或避免淬裂，可采取以下措施：①對原材料實施科學管理，從鋼廠直接進貨，按爐號堆放、投料、淬火；②適當降低淬火加熱溫度；③淬火后及時回火；④選擇理想的淬火冷卻介質，不可以淬鹽水。

4）50鋼制花腮鉗。50鋼制花腮鉗刃口硬度偏低一直是國內生產的老大難問題。成熟的工藝是：網帶爐加熱，熱油淬火、回火，再高頻感應淬火，不回火。這樣，一是有利刃口硬度的控制，即使碳含量偏低，硬度也可達到56～63HRC的技術要求；二是高頻感應淬火后表面呈現壓應力，有利于提高刃口的疲勞壽命；三是鉗體油淬回火的金相組織為馬氏體+少量托氏體，與高頻感應淬火層的金相組織比體積差少，因此過渡區應力小，不易產生裂紋。

采用新工藝淬火的花腮鉗刃口硬度為58～61HRC，合格率為100%。

5）50鋼制木工麻花鉆。50鋼制木工麻花鉆有兩種成形及熱處理工藝：軋制后利用軋制余熱進行形變熱處理，淬火冷卻介質為兩硝水溶液；也可軋后加工成成品再鹽浴加熱淬火；二是銑制、鹽浴加熱淬火，850～860℃×0.4min/mm，出爐空冷，淬入兩硝水溶液，于210～230℃回火，硬度為46～50HRC，符合技術要求。

6）50鋼鋸齒鐮刀。要求硬度為55～60HRC。鹽浴加熱，810～820℃水淬油冷，160～200℃空氣爐回火。