Как закалить сталь 12хн3а
Обновлено: 03.05.2024
Задачи работы: практическое ознакомление с методами разработки технологического процесса обработки стальных деталей сельскохозяйственных машин, приобретение навыков самостоятельной работы со справочной литературой.
Содержание работы
I. Расшифровка стали…………………………………………………..4-6
II. Влияние углерода и легирующих элементов……………………. 6-8
III. Последовательность операций ТО, включая процесс изготовления детали…………………………………………………………………. 9-11
IV. Режимы ТО…………………………………………………………12-13
V. Графическая часть………………………………………………….14-18
VI. Список использованной литературы……………………………..19
Содержимое работы - 1 файл
курсовик по материалам.doc
Легирующие элементы этой стали изменяют вид С-образных кривых, таким образом что она распадается на две части, образуя С-кривую до температуры~500°С и ниже С-кривую. Легированную сталь можно закаливать на воздухе или в масле, что способствует уменьшению деформации детали и возможности образования трещин. Критические точки на линиях Мн и Мк, снижаются, приводит к увеличению остаточного аустенита в структуре закаленной стали
Легирующие элементы в совокупности устанавливают следующие температуры критических точек (С):
A1 =715 °С; А 3(Ас т ) = 773 °С ; Мн = 659 °С; Мк = 380 °С
По сравнению с углеродистой сталью где Ac1 = 727°С, легирующие элементы стали 12ХНЗА в совокупности понижают значение критической точки Ac1.
Прокаливаемость и закаливаемость стали
Закаливаемость стали – способность стали приобретать повышенную твердость при закалке. Закаливаемость стали зависит от содержания углерода, а в данной стали содержится 0,12% углерода и легирующие элементы незначительно влияют на закаливаемость, поэтому эта сталь при закалке приобретет незначительную повышенную твердость.
Прокаливаемость стали - это способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость стали тем выше, чем больше устойчивость переохлажденного аустенита и меньше критическая скорость закалки. В данной стали легирующие элементы повышают устойчивость аустенита, уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость стали.
III. Выбор и обоснование последовательности операций предварительной и окончательной ТО
Последовательность операций термической обработки червяка руля, изготовленного из стали 12ХН3А выглядит следующим образом.
В первую очередь для данной детали проводят штамповку, после этого отжиг, черновую механическую обработку, следующим процессом идет цементация, закалка, после всего этого идет низкий отпуск и чистовая механическая обработка.
Условия работы и термическая обработка детали
Последовательность операций обработки червяка руля, изготовленного из стали 12ХН3А :
Штамповка - Отжиг - механическая обработка - цементация - закалка - низкий отпуск - механическая обработка
Отжиг — вид термической обработки металлов и сплавов, главным образом сталей и чугунов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.
Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости. Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.
Закалка — вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (масле).К нашей стали применима не полная т.к. сталь является заэвтектоидной (концентрация углерода увеличилась после цементации и его значение больше 0,8%), а в этом случае сталь нужно нагреть выше точки Ас1 на 30-50°С, в нашем случае будем нагревать деталь до t 790°С.
Отпуск — технологический процесс, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенсит сплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация.Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. Является окончательной операцией термической обработки, заключается в медленно нагреве изделия до t°С ниже Ac1, выдержке при заданной температуре с последующих охлаждением – обычно на воздухе. В результате отпуска образуется более равновесная структура, полностью или частично снимают внутренние напряжения.
Выбор оборудования
Выбор оборудования производим в соответствии с назначенными видами и рассчитанными видами термической обработки.
Для закалки – шахтная электропечь сопротивления типа СШО 6.12/10
| Установленная мощность в кВт | 79 |
| Размеры рабочего пространства | 600*1200 |
| Номинальная температура в рабочем производстве | 1000 |
| Точность поддержания температуры | +-5 |
| Напряжение питающей сети, В | 380 |
| Номинальная частота, Гц | 50 |
| Число фаз | 3 |
Для низкого отпуска – шахтная электропечь сопротивления типа СШО 6.12/7
| Установленная мощность в кВт | 75 |
| Размеры рабочего пространства | 600*1200 |
| Номинальная температура в рабочем производстве | 600 |
| Точность поддержания температуры | +-5 |
| Напряжение питающей сети, В | 380 |
| Номинальная частота, Гц | 50 |
| Число фаз | 3 |
IV. Режимы ТО
Термическая обработка, проводимая для стали 12ХН3А состоит из нескольких процессов.
Первоначально структура данной стали состоит из феррита и перлита (см. Рис.1, раздел I)
При термической обработке, для получения определенных, нужных нам свойств стали, будем изменять ее структуру.
Первоначальная ТО представляет собой отжиг. Нагреваем сталь до температуры 600˚С и выдерживаем, после охлаждаем сталь с печью.
Данный вид ТО производят для снятия внутренних напряжений, уменьшения твердости, перекристаллизации зерна стали и выравнивания химического состава по объему.
Окончательная ТО включает в себя 2 вида закалки и низкий отпуск.
При первичной закалке нагреваем сталь до температуры 860˚С, после выдерживаем 0,2- 0, 3 часа, охлаждаем после выдержки в масле.
Проводят закалку для приобретения сталью высокой твердости, прочности и вязкости, пластичность снижается.
Структура при закалке - это низкоуглеродистый мартенсит в смеси с нижним
бейнитом (α- раствор с карбидами)
Следующий вид окончательной ТО – это низкий отпуск. Нагреваем сталь до температуры 180-200˚С, выдерживаем в течение 0,7-1 часа, после охлаждаем на воздухе или в масле.
Низкий отпуск повышает ударную вязкость и пластичность. Структура стали после окончательной ТО примет вид мартенсит отпуска.
Структура сердцевины остается такой же, как и до закалки, но несколько изменяется. Твердость поверхности детали после ТО 58…60 HRC.
Эта деталь обладает высокой поверхностной твердостью, износо стойкостью и вязкой сердцевиной
Для получения высокой твердости данной стали, а именно поверхностного слоя и вязкой сердцевины детали проводят цементацию, а после червяк руля подвергают закалке и низкому отпуску.
После цементации, которую проводят при Т=930˚С (для данной стали) структура поверхностного слоя, содержащего около 1% углерода, состоит из перлита (П) и цементита (Ц)
В глубине цементируемой стали структура переходит в перлит (0,8%С) и в сердцевине состоит из перлита и феррита (Ф). Твердость сердцевины при цементации 25-40 НRC.
Данные легирующие элементы уменьшают теплопроводность стали и, поэтому, нагрев при отжиге, нормализации и закалке необходимо проводить с меньшей скоростью, чтобы избежать образования внутренних напряжений, возникающих в результате резкого перепада температур.
Сталь Х12МФ инструментальная штамповая
Сталь Х12МФ является высоколегированной (высокохромистой) инструментальной полутеплостойкой сталью высокой твердости с повышенной износостойкостью. Данная сталь широко применяется для изготовления холодных штампов и других инструментов, деформирующих металл в холодном или относительно невысоко нагретом состоянии. Большинство высокохромистых штампованных сталей содержат в среднем 12% хрома (Cr) и высокий процент углерода. Это приводит к образованию большого количества хромистых карбидов (Cr7C3).
Именно большое количество карбидной фазы (при всех режимах термической обработки) и делает сталь высокоизносоустойчивой.
Сталь Х12МФ также обладает хорошей ковкостью и шлифуемостью [1].
Необходимую высокую твердость стали типа Х12 можно получить, закаливая
ее от высоких температур (1150 °C) в масле и получая, следовательно, большое количество остаточного аустенита, а затем путем обработки холодом и отпуска
добиваться разложения остаточного аустенита и получать высокую твердость (>60 HRC).
Но чаще сталь типа X12 закаливают с температур, дающих наибольшую твердость
после закалки (от 1050-1075 °C) и последующего низкого отпуска (при 150-180 °C).
Твердость в обоих случаях одинаковая (61-63 HRC), но в первом случае сталь
обладает более высокой красностойкостью, а во втором — большей прочностью.
Твердость стали Х12МФ достигает максимального значения (61-63 HRC) после закалки с 980-1020 °C; сталь сохраняет при этом зерно балла 10 и 15-20 % аустенита (что больше, чем у многих нетеплостойких сталей) [1].
При еще большем увеличении температуры закалки твердость снижается с 50-55 HRC и ниже из-за резкого повышения количества аустенита. С повышением температуры нагрева >1000-1020 °C прочность также снижается, вследствие роста зерен и влияния аустенита [1].
Предел упругости стали Х12МФ (для твердости 56-57 HRC) ~1300 МПа.
Сталь Х12МФ мало деформируются при закалке, а при применении термической доводки деформацию можно свести практически к нулю. Поэтому эту сталь следует рекомендовать для инструмента сложной формы, для которого деформация при закалке недопустима.
Молибден и ванадий в стали Х12МФ — необходимые добавки; они способствуют сохранению мелкого зерна и повышают прочность и вязкость [1].
Примерное назначение инструментальной легированной стали Х12МФ (ГОСТ 5950-2000)
- Для холодных штампов высокой устойчивости против истирания (преимущественно с рабочей частью округлой формы), не подвергающихся сильным ударам и толчкам;
- для волочильных досок и волок;
- глазки для калибрования пруткового металла под накатку резьбы;
- гибочные и формовочные штампы;
- сложные секций кузовных штампов, которые при закалке не должны подвергаться значительным объемным изменениям и короблению;
- матрицы и пуансоны вырубных и просечных штампов;
- штамповки активной части электрических машин и электромагнитных систем электрических аппаратов;
- для профилировочных роликов сложных форм;
- сложные дыропрошивочные матрицы при формовке листового металла;
- эталонные шестерени;
- накатные плашеки;
- волоки;
- матрицы и пуансоны вырубных, просечных штампов (в том числе совмещенных и последовательных) со сложной конфигурацией рабочих частей.
Температура критических точек, °C [4]
Химический состав, % (ГОСТ 5950-2000)
| Марка стали | Массовая доля элемента, % | |||||||
| углерода | кремния | марганца | хрома | вольфрама | наладим | молибдена | никеля | |
| Х12МФ | 1,45-1,65 | 0,10-0,40 | 0,15-0,45 | 11,00-12,50 | — | 0,15-0,30 | 0,40-0,60 | — |
Температура закалки стали Х12МФ [1]
| Закалка на первичную твердость | Закалка на вторичную твердость | |||||||||
| t, °C | твердость, HRC | t, °C | твердость, HRC | |||||||
| 990-1010 * | 62-63 | 1080-1100 | 54-56 | |||||||
Режимы термической обработки стали Х12МФ [4]
- I — обычный режим;
- II — применяют, если обработка по режиму I не обеспечивает необходимой вязкости:
- III -для режущих инструментов, когда требуется износостойкость;
- IV — используют тогда, когда требуется неизменность размеров.
Режимы окончательной термической обработки [4]
Обработка холодом [1]
Такая обработка с охлаждением до -70 °C повышает твердость на 1-3 HRC и сопротивление пластической деформации, но снижает вязкость. Возрастание износостойкости при этом незначительно. Обработка холодом используется сравнительно редко для повышения предела выносливости, но при условии выполнения длительного отпуска, в большей степени снимающего создающиеся дополнительные напряжения.
Сталь 20ХН3А конструкционная легированная
Согласно ГОСТ 4543-2016 цифра 20 в обозначении стали указывает среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента, т.е. углерода в стали 20ХН3А около 0,2%
Буква Х указывает что в стали содержится хром, отсутствие цифр за буквой указывает, что хрома в стали содержится до 1,5%.
Буква Н указывает что в стали содержится никель, цифра 3 за буквой указывает, что никеле в стали содержится примерно до 3%.
Буква А в конце обозначения марки стали указывает, что сталь 20ХН3А является высококачественной, т.е. с повышенными требованиями к химическому составу и макроструктуре металлопродукции из нее по сравнению с качественной сталью.
Вид поставки
- Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88.
- Калиброванный пругок ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73.
- Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76.
- Поковка и кованая заготовка ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70. Труба ОСТ 14-21-77.
Характеристики и применение
Сталь 20ХН3А относится к стали высокой прокаливаемости. Наряду с высокой прокаливаемостью, обладает очень высокими механическими свойствами. Преимщества этой стали
по сравнению с менее легированными проявляется лишь в изделиях диаметром или толщиной более 75-100 мм.
Сталь 20ХН3А применяется для изготовления деталей (в том числе цементуемых деталей) к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.
- шестерни,
- валы,
- втулки,
- силовые шпильки,
- болты,
- муфты,
- червяки и другие цементируемые детали
В нефтеной, нефтехимической и газовой промышленности сталь 20ХН3А применяется после цементации для изготовления высоконагруженных деталей, работающих при больших скоростях и ударных нагрузках:
- шестерен,
- кулачковых муфт,
- силовых шпилек,
- валиков,
- втулок,
- зубчатых,
- колес тяжелонагруженных и быстроходных зубчатых передач буровых установок,
- собачек роторных клиньев,
- сухарей трубных ключей и т. д.
Эту сталь используют также для изготовления шарошек, и лап буровых долот.
Цементация этой стали проводится при температуре 930-960 °C. После цементации рекомендуется проводить двойную закалку с низким отпуском. Первая закалка обычно производится с цементационного нагрева в масле, вторая закалка с температуры 750-790°С, отпуск — при температуре 180-200°С.
Для уменьшения количества остаточного аустенита в цементованном слое после первой закалки рекомендуется проводить высокий отпуск при температуре 630-650°С.
Температура критических точек, °С
Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)
| C | Mn | Si | Cr | Ni | Р | S | Cu |
| не более | |||||||
| 0,17-0,24 | 0,30-0,60 | 0,17-0,37 | 0,60-0,90 | 2,75-3,15 | 0,025 | 0,025 | 0,30 |
Химический состав (ГОСТ 4543-2016)
| Массовая доля элементов,% | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Al | Ti | V | B |
| 0,17-0,24 | 0,17-0,37 | 0,30-0,60 | 0,60-0,90 | 2,75-3,15 | — | — | — | — | — |
ПРИМЕЧАНИЯ: В стали всех марок, за исключением легированных вольфрамом, молибденом, ванадием и титаном, допускается массовая доля остаточных элементов, не более:
- вольфрама — 0,20 %,
- молибдена — 0,11 %,
- ванадия — 0,05 %
- остаточного или преднамеренно введенного титана — не более 0,03 %.
- Для цементуемых сталей допускается введение алюминия, при этом массовая доля общего алюминия должна быть не менее 0,020 %.
Применение стали 20ХН3А для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 32569-2013)
| Технические требования | Допустимые параметры эксплуатации | Назначение | |
| Температура стенки, °С | Давление среды, МПа (кгс/см2), не более | ||
| СТП 26.260.2043 | От -70 до +425 | 16(160) | Шпильки, болты, гайки |
Применение стали 20ХН3А для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 33259-2015)
| Стандарт или ТУ на материал | Параметры применения | |||
| Болты, шпильки | Гайки | |||
| Температура рабочей среды, ºС | РN, кгс/cм 2 ,не более | Температура рабочей среды, ºС | РN, кгс/cм 2 ,не более | |
| ГОСТ 4543 | От –70 до 425 | PN 250 | От –70 до 425 | PN 250 |
Условия применения стали 20ХН3А для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора,изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)
| НД на поставку | Температура рабочей среды(стенки), °С | Дополнительные указания по применению |
| Сортовой прокат ГОСТ 4543. Поковки ГОСТ 8479 | От -70 до 450 | Для несварных узлов арматуры,эксплуатируемой в макроклиматическом районе с холодным климатом |
Условия применения стали 20ХН3А для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)
| Стандарт или ТУ на материал | Параметры применения | |||||
| Болты, шпильки, винты | Гайки | Плоские шайбы | ||||
| Температура среды, ºС | Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм 2 ) | Температура среды, ºС | Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм 2 ) | Температура среды, ºС | Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм 2 ) | |
| ГОСТ 4543 | От -70 до 425 | Не регламентируется | От -70 до 425 | Не регламентируется | От -70 до 450 | Не регламентируется |
Применение стали 20ХН3А для шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)
| НД на поставку | Температура рабочей среды (стенки), °С | Дополнительные указания по применению |
| Сортовой прокат ГОСТ 4543, ГОСТ 1051 | От -70 до 450 | Применяется для арматуры, эксплуатируемой в макроклиматическом районе с холодным климатом, после улучшающей термообработки (закалка и высокий отпуск) |
Твердость стали 20ХН3А по Бринелю
| Марка стали | Твердость в отожженном или отпущенном состоянии, НВ | |
| Диаметр отпечатка в мм, не менее | Число твердости, не более | |
| 20ХНЗА | 3,9 | 241 |
Термообработка
Сталь 20ХН3А может подвергаться улучшению. Закалка стали этой марки производится в масле с температуры 820 — 860 °C с последующим отпуском при температуре 550-650 °C, иногда с низким отпуском при температуре 200-220 °C.
При проведении термической обработки необходимо учитывать значительную склонность этой стали к отпускной хрупкости, в связи в чем изделия из стали 20ХН3А при высоком отпуске следует охлаждать быстро (например, в масле). Кроме того, необходимо иметь в виду, что после нормального отжига не достигается достаточного понижения твердости и сталь 20ХН3А характеризуется плохой обрабатываемостью, поэтому в качестве предварительной термической обработки рекомендуется изотермический отжиг или длительная выдержка при температуре 640-650 °С.
Механические свойства
| Источник | Состояние поставки | Сечение, мм | КП | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||||
| ГОСТ 4543-71 | Пруток. Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 500 °С, охл. в воде или масле | 15 | — | 735 | 930 | 12 | 55 | 108 | — |
| ГОСТ 8479-70 | Поковка. Закалка+отпуск | До 100 | 590 685 | 590 685 | 735 835 | 14 13 | 45 42 | 59 59 | 235-277 262-311 |
| Цементация при 920-950 °С; нормализация при 870-890 °С, охл. на воздухе *1 ; отпуск при 630-660°С, охл. на воздухе *2 ; закалка с 790-810°С в масле; отпуск при 180-200°С, охл. на воздухе | 100 | — | 690 | 830 | 11 | 50 | 69 | 240 *2 HRCэ 57-63 *3 | |
- *1 Операции применяются для ответственных деталей сложной конфигурации с целью понижения устойчивости остаточного аустенита в цементационном слое,получение более высокой и равномерной твердости с поверхности после закалки и низкого отпуска и уменьшения деформации.
- *2 Сердцевина
- *3 Поверхность
Механические свойства в зависимости от сечения
| Сечение, мм | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HRCэ поверхности |
| Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 200 °С, охл. на воздухе | ||||||
| 5 | 1220 | 1420 | 12 | 55 | 86 | 44 |
| 15 | 1180 | 1370 | 13 | 65 | 76 | 44 |
| 20 | 1080 | 1270 | 13 | 65 | 89 | 44 |
| Закалка с 880 °С в масле; отпуск при 600 °С, охл. на воздухе | ||||||
| 30 | 700 | 800 | 20 | 70 | 167 | — |
| 50 | 610 | 730 | 19 | 71 | 167 | — |
| 80 | 580 | 700 | 23 | 68 | 167 | — |
| 220 | 510 | 660 | 14 | 51 | 167 | — |
| 220 *1 | 570 | 690 | 23 | 67 | 157 | — |
ПРИМЕЧАНИЕ: *1 Место вырезки образца — край.
Механические свойства в зависимости от температуры отпуска
| tотп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HRCэ |
| 200 | 1270 | 1510 | 15 | 60 | 73 | 43 |
| 300 | 1260 | 1370 | 12 | 62 | 54 | 42 |
| 400 | 1180 | 1260 | 13 | 64 | 59 | 39 |
| 500 | 960 | 1000 | 19 | 66 | 83 | 32 |
| 600 | 720 | 780 | 24 | 73 | 162 | 22 |
ПРИМЕЧАНИЕ: Нормализация при 860°С, охл. на воздухе; закалка с 810 °С в масле.
Механические свойства металлопродукции (ГОСТ 4543-2016)
| Режим термической обработки | Механические свойства, не менее | Размер сечения заготовок для термической обработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм | ||||||||
| Закалка | Отпуск | Предел текучести στ, Н/мм 2 | Временное сопротивление σδ, Н/мм 2 | Относительное | Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 | |||||
| Температура,°С | Среда охлаждения | Температура,°С | Среда охлаждения | Удлинение, δ5,% | Cужение, ψ,% | |||||
| 1-й закалки или нормализации | 2-й закалки | |||||||||
| 820 | — | Масло | 500 | Вода или масло | 735 | 930 | 12 | 55 | 108 | 15 |
- При термической обработке заготовок или образцов по режимам, указанным в настоящей таблице, допускаются следующие отклонения по температуре нагрева:
- при закалке, нормализации ±15 °С;
- при низком отпуске ±30 °С;
- при высоком отпуске ±50 °С.
- Металлопродукцию сечением менее указанного в настоящей таблице подвергают термической обработке в полном сечении.
- Допускается проводить термическую обработку на готовых образцах.
- Допускается перед закалкой проводить нормализацию. Для металлопродукции, предназначенной для закалки токами высокой частоты (ТВЧ), нормализацию перед закалкой проводят с согласия заказчика.
- Допускается проводить испытания металлопродукции из стали всех марок после одинарной закалки, при условии соблюдения норм, приведенных в настоящей таблице.
- Для металлопродукции круглого сечения испытание на ударный изгиб проводят, начиная с диаметра 12 мм и более.
- Для металлопродукции с нормируемым временным сопротивлением не менее 1180 Н/мм 2 допускается понижение норм ударной вязкости на 9,8 Дж/см 2 при одновременном повышении временного сопротивления не менее чем на 98 Н/мм 2 .
- Нормы механических свойств, указанные в настоящей таблице, относятся к образцам отобранным от металлопродукции диаметром или толщиной до 80 мм включительно.
- При контроле механических свойств металлопродукции диаметром или толщиной свыше 80 до 150 мм включительно допускается понижение относительного удлинения на 2 абс. %, относительного сужения на 5 абс. % и ударной вязкости на 10 %. При контроле механических свойств металлопродукции диаметром
Предел выносливости при n=10
| Термообработка | σ-1, МПа | τ-1, МПа |
| Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 200 °С; σв = 960 МПа | 382 | — |
| Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 500 °С; σв = 730 МПа | 338 | 225 |
| Закалка с 800 °С в масле; отпуск при 500 °С;σв = 940 МПа | 421 | — |
Ударная вязкость прутков KCU
| Сечение заготовки, мм | Термообработка | KCU, Дж/см 2 при температуре, °С | |||
| +20 | -20 | -40 | -50(-60) | ||
| 10 | Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 200 °С | 86 | — | 85 | 64 |
| 30 | Закалка с 880 °С в масле; отпуск при 560 °С | 167 | — | 69 | 64 |
| 50 | То же | 167 | — | 83 | 73 |
| 80 | Закалка с 810°С в масле; отпуск при 600°С | 196 | 122 | 100 | (86) |
| 220 | Закалка с 880°С в масле; отпуск при 630°С | 167 | — | 118 | 78 |
Технологические свойства
- Температура ковки, °С: начала 1220, конца 800. Заготовка сечением до 100 мм охлаждается на воздухе, сечения 101-300 мм — в яме.
- Свариваемость — ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом.
- Обрабатываемость резанием — Kv б.ст. = 0,95 в горячекатаном состоянии при НВ 177 и σв=610 МПа.
- Склонность к отпускной хрупкости — склонна.
- Флокеночувствительность — чувствительна.
Прокаливаемость (ГОСТ 4543-71)
Полоса прокаливаемости стали 20ХНЗА после нормализации при 850 °С и закалки с 830 °С приведена на рисунке.
Сталь марки 12ХН3А
Расшифровка марки стали 12ХН3А: цифра 12 перед маркой стали говорит о том, что в ней содержится 1,2% углерода, Х - свидетельствует о небольшом содержании хрома менее 1,5%, а Н3 - о том что имеется никель в количестве 3%, буква А на конце обозначение сообщает, что это высококачественная чистая сталь с содержанием вредных серы и фосфора менее 0,025%. Таким образом перед нами легированная высококачественная сталь.
Цементация изделий из стали 12ХН3А в кипящем слое: на образцах из сталей 12ХН3А и 18Х2Н4ВА, цементированных по оптимальному режиму, были исследованы режимы дальнейшей термической обработки в целях создания полного цикла обработки в кипящем слое. По существующей технологии детали из этих сталей подвергают после цементации высокому отпуску, закалке и низкому отпуску.
Были изучены: 1) непосредственная закалка с цементационного нагрева в холодный (20° С) кипящий слой; 2) закалка в холодный кипящий слой с предварительным подстуживанием от температуры цементации 950 до 800° С; 3) закалка как отдельная операция после высокого отпуска.
Первые два режима не дали положительных результатов вследствие недопустимо большого количества остаточного аустенита: по первому режиму 70-75 и 16-18%, а по второму 19-25 и 7-9% соответственно для сталей 18Х2Н4ВА и 12ХНЗА. Поэтому более подробно был исследован третий режим.
Отпуск образцов стали 18Х2Н4ВА после цементации при 950° С в кипящем слое (4 ч) и керосином в печи Ц-105 (12 ч) проводили при 650° С в трех различных средах одинаковыми партиями по 30 шт.: в электропечи, в кипящем слое (на полупромышленной установке Турбомоторного завода) и в свинцовой ванне. Исследовали количество остаточного аустенита (на магнитометре Штейнберга), ударную вязкость и твердость в зависимости от времени выдержки. Распределение углерода после цементации в обоих случаях было практически одинаковым. С увеличением времени выдержки количество остаточного аустенита понижается, причем наиболее интенсивно в первые три часа отпуска. Ударная вязкость незначительно повышается, а твердость вначале несколько увеличивается в связи С распадом остаточного аустенита, а затем снижается. При повторном отпуске твердость, так же как и количество остаточного аустенита, снижаются с увеличением времени отпуска.
Наиболее интересные данные получены при изучении влияния среды отпуска на количество остаточного аустенита. После отпуска в кипящем слое количество аустенита такое же, как и после отпуска в свинцовой ванне, и приблизительно вдвое меньше, чем после отпуска в электропечи.
Сталь 18Х2Н4ВА после цементации в кипящем слое и высокого отпуска при 650° С в течение 3 ч в кипящем слое и в электропечи. Охлаждение осуществляли после отпуска на воздухе. Остаточный аустенит при отпуске в кипящем слое претерпевает больший распад, чем при отпуске в электропечи.
Более интенсивный распад остаточного аустенита после отпуска в кипящем слое по сравнению с отпуском в электропечи можно объяснить скоростным нагревом. Как и при нагреве в свинце, напряженное состояние, характеризуемое дефектами кристаллического строения, в процессе нагрева сохраняется до более высоких температур, чем при нагреве в электропечи. Дефекты кристаллической решетки служат зародышевыми центрами для выделения карбидной фазы, которых в случае скоростного нагрева в кипящем слое и в свинце больше, чем при нагреве в электропечи. В процессе отпуска в кипящем слое выделяется больше карбидов, что обедняет остаточный аустенит углеродом. Это вызывает повышение мартенситной точки и более полный распад остаточного аустенита при последующем охлаждении. Кроме того, при скоростном нагреве не успевают завершиться процессы перераспределения легирующих элементов. В частности, никель, не входящий в состав карбидов, сосредоточивается при медленном нагреве в твердом растворе, и, обогащенный никелем остаточный аустенит характеризуется большей устойчивостью, чем при быстром нагреве в кипящем слое.
Сравнительные эксперименты показали, что при охлаждении отпущенных образцов на воздухе количество остаточного аустенита оказывается на 20-30% меньше, чем при охлаждении в масле. Быстрое охлаждение в масле ведет к мартенситному превращению части обедненного остаточного аустенита, которое в свою очередь не идет до конца, в то время как замедленное охлаждение на воздухе стимулирует развитие бейнитного превращения, протекающего полнее, чем мартенситное.
По полученным данным был выбран режим высокого отпуска в кипящем слое при 650° С в течение трех часов с последующим охлаждением на воздухе.
После отпуска детали нагревали до 820° С в электропечи (2 ч) или в кипящем слое (20 мин) и закаливали как в холодный кипящий слой частиц корунда 120 мкм, так и в масло. Предварительно были сняты термограммы охлаждения шестерен двух различных размеров (с толщиной стенки или полуразностью наружного и внутреннего диаметров 18 и 30 мм). В диапазоне температур 820-250° С шестерня охлаждается в масле несколько быстрее, чем в кипящем слое, а при более низких температурах - медленнее. Время охлаждения до 220-250° С в обеих средах одинаково и для меньшей и большей шестерен равно соответственно 1,5 и 2,5 мин. Твердость и структуру после закалки изучали непосредственно на шестернях. Механические свойства сталей 18Х2Н4ВА и 12ХНЗА определяли на образцах длиной 170 мм диаметром соответственно 25 и 21 мм, прошедших весь описанный выше цикл термообработки. При закалке по исследованным четырем вариантам они оказались практически одинаковыми. Количество остаточного аустенита при нагреве в кипящем слое было меньше, чем при нагреве в электропечи, а при одинаковых условиях нагрева закалка в кипящем слое давала меньше остаточного аустенита, чем закалка в масле. Структура после закалки в кипящем слое и масле была практически одинаковой: цементированный слой состоит из мелкоигольчатого мартенсита, карбидов и остаточного аустенита, а сердцевина - из перлита и феррита (сталь 12ХН3А) или бейнита (сталь 18Х2Н4ВА).
В результате был выбран наиболее быстрый вариант закалки, дающий к тому же наименьшее количество остаточного аустенита: нагрев в кипящем слое до 820° С с выдержкой (общее время 20 мин) и охлаждение в холодном кипящем слое (10 мин).
В заключение проведено сравнение результатов испытаний цементированной стали 12ХН3А на износостойкость, статическую прочность при растяжении и усталость после цементации и последующей термообработки в кипящем слое с результатами термической обработки по существующей технологии.
Процесс термообработки был выполнен в трех вариантах.
I. Существующая технология: цементация (930° С, 10 ч) - - охлаждение на воздухе - высокий отпуск (650° С, 9 ч) - закалка (800° С, 2 ч) низкий отпуск (170° С, 3 ч).
II. В кипящем слое: цементация (950° С, 2,5 ч) - закалка с подстуживанием - низкотемпературный отпуск (170° С, 2 ч).
III. В кипящем слое: цементация (950° С, 2,5 ч) - охлаждение на воздухе - высокий отпуск (650° С, 3 ч) - закалка (820° С, 1/3 ч) - низкий отпуск (170° С, 2 ч).
Износостойкость испытывали на машине МИ-1М (цикл 15 000 оборотов) при трении качения с проскальзыванием без смазки при удельном давлении в месте контакта испытуемой пары 39 кгс/мм 2 , соответствующем удельному давлению в зубьях шестерен дизеля и скорости вращения эталонов 320 и 400 об/мин. Потеря массы образцов составила 581-647 мг, 466-483 мг и 430-461 мг соответственно при обработке по I, II и III вариантам. Таким образом, наилучшим оказался вариант III.
Статическую прочность стали испытывали на образцах рабочим диаметром 8 мм с глубокими кольцевыми концентраторами напряжений гиперболического профиля. Радиус разреза меняли от 0,18 до 7 мм, что соответствовало широкому диапазону коэффициентов концентрации напряжений ао от 1,0 до 6,04. Видно, что среднее значение ов по вариантам I и III практически одинаково, однако вариант III предпочтительнее, поскольку при такой обработке в отличие от обработки по существующей технологии σв почти не зависит от ао.
Усталостную прочность стали 12ХНЗА испытывали на машине МВП-10 000 при чистом изгибе с вращением, частоте 83 Гц и базе испытаний 5.10 6 циклов. Испытания выполняли на 75 аналогичных образцах, режимы I и III дают одинаковые и несколько лучшие результаты, чем режим II.
По результатам указанных испытаний для промышленной эксплуатации может быть рекомендован следующий оптимальный режим цементации и последующей термообработки деталей из сталей 18ХНВА и 12ХН3А: цементация при ав = 0,26-0,28 с добавкой 15% природного газа при 950° С, 2,5 (10) ч - охлаждение на воздухе - высокий отпуск, 650° С, 3 (9) ч - охлаждение на воздухе - нагрев под закалку до 820° С в кипящем слое и выдержка 20 мин (2 ч) - охлаждение в кипящем слое - низкий отпуск в кипящем слое 170° С, 2 (3) ч. Применение кипящего слоя позволяет сократить полный цикл обработки втрое, т. е. с 24 до 8 ч, получив такие же прочностные показатели. При этом глубина цементированного слоя составляет 1,1-1,4 мм, а поверхностная концентрация углерода (с учетом его перераспределения при охлаждении и высоком отпуске) 0,9-1,0% С.
По отработанным оптимальным режимам были цементированы шестерни различных диаметров от 50 до 120 мм, валики, тарелки клапанов, распылители, детали сложной конфигурации, имеющие узкие отверстия.
| Краткие обозначения: | ||||
| σв | - временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа | ε | - относительная осадка при появлении первой трещины, % | |
| σ0,05 | - предел упругости, МПа | Jк | - предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа | |
| σ0,2 | - предел текучести условный, МПа | σизг | - предел прочности при изгибе, МПа | |
| δ5,δ4,δ10 | - относительное удлинение после разрыва, % | σ-1 | - предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| σсж0,05 и σсж | - предел текучести при сжатии, МПа | J-1 | - предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| ν | - относительный сдвиг, % | n | - количество циклов нагружения | |
| s в | - предел кратковременной прочности, МПа | R и ρ | - удельное электросопротивление, Ом·м | |
| ψ | - относительное сужение, % | E | - модуль упругости нормальный, ГПа | |
| KCU и KCV | - ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 | T | - температура, при которой получены свойства, Град | |
| s T | - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа | l и λ | - коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) | |
| HB | - твердость по Бринеллю | C | - удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T ), [Дж/(кг·град)] | |
| HV | - твердость по Виккерсу | pn и r | - плотность кг/м 3 | |
| HRCэ | - твердость по Роквеллу, шкала С | а | - коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T ), 1/°С | |
| HRB | - твердость по Роквеллу, шкала В | σ t Т | - предел длительной прочности, МПа | |
| HSD | - твердость по Шору | G | - модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа | |
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Читайте также:
- Din 975 нержавеющая сталь
- Сталь более высокого качества получается
- Люкс сталь 7 самогонный аппарат
- Йоркширский терьер сталь с подпалом
- Как запенить ванну стальную монтажной пеной