Сталь 12х2н4а характеристики применение
Обновлено: 05.05.2024
Особенности электрошлаковой сварки стали марки 20Х2Н4А (и подобных): при электрошлаковой сварке многих среднеуглеродистых среднелегированных сталей толщиной более 80 мм существует опасность возникновения вблизи границы сплавления горячих трещин-надрывов. Склонность среднелегированной стали к надрывам существенно зависит от ее химического состава, в особенности от высокого содержания углерода, серы, никеля и других элементов, способствующих увеличению дендритной неоднородности слитков при выплавке сталей и образованию плен и строчек сульфидных включений с низкой температурой плавления. Для сравнения укажем, что в зоне термического влияния на стали 25ХЗНМ наблюдаются протяженные цепочки надрывов длиной до 2 мм, а на стали 20Х2М с пониженным содержанием углерода и никеля образуются только единичные надрывы длиной до 0,8 мм. Уменьшает склонность среднелегированной стали к надрывам электрошлаковый переплав (табл. 9.22) в сочетании с микролегированием элементами, повышающими температуру плавления сульфидных включений. Благоприятное влияние на повышение стойкости среднелегированной стали против надрывов оказывают карбидообразующие элементы, образующие с серой сложные, труднорастворимые соединения.
Весьма эффективно, например, микролегирование среднелегированных сталей титаном в количестве до 0,6%, когда склонность их к надрывам при электрошлаковой сварке полностью подавляется. Однако изменение химического состава стали не всегда возможно. В этих случаях для особо ответственных конструкций можно рекомендовать предварительную наплавку кромок электродными проволоками, содержащими титан. Для уменьшения выгорания титана наплавку необходимо производить под безокислительными флюсами. Для устранения надрывов на стали типа 25Х3НМ, весьма склонной к образованию этого типа дефектов, достаточно, как показывает опыт, получить в металле наплавки 0,22% Ti. Электрошлаковая наплавка свариваемых кромок возможна и стандартными электродными проволоками, как правило, не содержащими титан.
Замечено, что вследствие небольшого количества, дисперсности и равномерности распределения неметаллических включений наплавленный металл устойчивее против надрывов, чем основной металл. Это обстоятельство довольно просто и надежно можно использовать при выполнении сварки кольцевых швов. В рабочей части таких швов возникают обычно только единичные надрывы, а в сталях с повышенной стойкостью против надрывов такие дефекты вообще не образуются. Но количество надрывов резко увеличивается в участке замыкания кольцевого шва вследствие повышения жесткости закрепления свариваемых кромок и нарастания напряжений растяжения. Поэтому сварку начального участка стыка длиной около 600 мм выполняют на повышенных напряжениях и получают широкий (шириной 90-100 мм) шов. Затем напряжение постепенно снижают до обычных значений и выполняют сварку рабочей части шва. Одновременно вырезают щель-зазор шириной 30-35 мм в начальном участке шва на такой длине, чтобы сварка наиболее опасных замыкающих участков соединения велась по литому металлу шва. Применение способа сварки «шов по шву» во многих случаях позволяет полностью устранить надрывы в околошовной зоне. Рекомендуемые режимы сварки по такому способу среднелегированных сталей приведены в табл. 9.23.
| Таблица 9.23 (А. М. Макара и др.) | |||
| Толщина металла, мм | n | UC, B, для участка шва | |
| начального | рабочего | ||
| До 80 | 1 | До 62 | До 50 |
| 80 — 160 | 2 | 50 — 60 | 42 — 50 |
| 160 — 200 | 3 | 50 — 56 | 40 — 48 |
Термообработка в кипящем слое изделий из стали 20Х2Н4А: на рис. справа представлена опытная зависимость глубины диффузионной зоны б от времени т, полученная при цементации образцов диаметром 20 и высотой 20 мм из стали 20Х2Н4А. При слабом псевдоожижении (w/wK= 1,5-2,0), когда сверху на образцах (например, горизонтальных цилиндрах) наблюдалась «шапка» неподвижных частиц, глубина диффузионной зоны в этих местах была ниже, чем в остальной части поверхности. При высоких скоростях «шапка» периодически сбрасывалась пузырями, поэтому глубина зоны по всему периметру была одинаковой.
В данном случае в кипящем слое удается реализовать максимально возможные при заданных параметрах темпы насыщения углеродом, т. е. кинетика реакций на поверхности не влияет на скорость цементации. Штрих-пунктирной линией представлена зависимость б = f (т), снятая на бензольной печи Ц-105 также с помощью образцов из стали 20Х2Н4А (время прогрева вычтено). Как видно, в промышленной бензольной печи темпы цементации не достигают максимально возможных. Нужно подчеркнуть, что углеродный потенциал газовой среды в печи Ц-105 был выше значения, соответствующего предельной при t = 930° С растворимости углерода в у-железе, фольга науглероживалась за 30 мин до концентрации, составляющей 1,6%. С повышением температуры кипящего слоя скорость цементации, как
и следовало ожидать, возрастает пропорционально увеличению коэффициента диффузии углерода в стали.
На рисунке точками нанесены результаты послойного анализа на содержание углерода образцов стали 20Х2Н4А диаметром 38 и длиной 120 мм. Для послойного анализа с одного образца снимали 12 стружечных проб: первые пять проб через каждые 0,1 мм, остальные через 0,2 мм (на радиус). Сравнение опытных данных с расчетными (сплошные линии на рис. ниже) по формуле (II-41) для тех же параметров, что и в опытах, показывает, что при т > 1-2 ч цементация в кипящем слое лимитируется только диффузией углерода в стали. В то же время опытные концентрации углерода по сечению диффузионной зоны образцов, обработанных в бензольной печи Ц-105, оказываются ниже расчетных, несмотря на то, что в расчет принимали Сг = 1,35%, а концентрация углерода в фольге-«свидетеле» составила 1,6%.
По отработанным на образцах режимам была осуществлена цементация промышленных деталей нескольких наименований (шестерни) из стали 20Х2Н4А в кипящем слое при t = 930° С в течение 5 и 7 ч. Детали загружали в ванну с кипящим слоем (диаметр 250 мм) садками по нескольку штук; после цементации садки охлаждали на воздухе. При макро- и микроисследованиях установлено, что науглероживание деталей по высоте и сечению рабочей камеры идет равномерно, глубина цементированного слоя при выдержке 5 ч составляет 1,15 мм, а при выдержке 7 ч она равна 1,45 мм.
Сталь марки 12Х2Н4А
Закалка 860 °C, масло. Закалка 780 °C, масло. Отпуск 180 °C. σ0,2=980 МПа, σв=1180 МПа.
Нормализация 920 °C, воздух. Закалка 810 °C, масло. Отпуск 200 °C. σ0,2=1140 МПа, σв=1350 МПа.
| 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 | |
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Сталь 12ХН3А конструкционная легированная хромо-никелевая
Согласно ГОСТ 4543-2016 цифра 12 перед буквенным обозначением указывает среднюю массовую долю углерода (C) в стали в сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 12ХН3А составляет 0,12%.
Буква Х означает, что сталь легирована хромом, отсутствие цифры за буквой означает, что содержание хрома до 1,5%.
Буква Н означает, что сталь легирована никелем, цифра 3 указывает примерную массовую долю никеля в целых единицах, т.е. содержание никеля в стали 12ХН3А примерно 3%.
Буква А означает, что сталь высококачественная, т.е. с повышенными требованиями к химическому составу и макроструктуре стали по сравнению с качественной сталью.
Вид поставки
- Cортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, ГОСТ 10702-78.
- Калиброванный пругок ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73, ГОСТ 10702-78.
- Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76.
- Поковка и кованая заготовка ГОСТ 1133-71. Труба ГОСТ 21729-76, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 9567-75.
Характеристики
Сталь 12ХНЗА является конструкционной легированной (хромо-никелевой) цементуемой сталью и предназначена для изготовления деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах, например:
- шестерни,
- валы,
- цапфы,
- шарниры,
- червяки,
- кулачковые муфты,
- поршневые пальцы,
- цементуемые детали,
- детали автомашин и самолетов
Сталь 12ХН3А сочетает в себе высокую прочность с хорошей пластичностью и имеет хорошую ударную вязкость при низких температурах.
Сталь этой марки относится к лучшим образцам конструкционной стали. Сочетание никеля и хрома обеспечивают этой стали характеристики позволяющие изготавливать из нее ответственные детали.
Так как никель целиком растворяется в твердом растворе, он способствует более значительному увеличению твердости и прочности феррита, чем хром. При одновременном присутствии в стали никеля и хрома достигается хорошее сочетание механических свойства (прочности и вязкости), а также большая прокаливаемость.
Применения стали 12ХН3А для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок (штамповок)(ГОСТ 33260-2015)
| Материал | НД на поставку | Температура рабочей среды (стенки), °С | Дополнительные указания по применению |
| 12ХН3А ГОСТ 4543 | Сортовой прокат ГОСТ 4543 | От -70 до 180 | Для деталей узла затвора (пята, подпятник). Используется с цементированием |
Рекомендации по выбору и применению стали 12ХН3А для деталей арматуры и пневмоприводов, не работающих под давлением и не подлежащих сварке, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур
| Марка стали | Закалка + отпуск при температуре, °С | Примерный уровень прочности, Н/мм 2 (кгс/мм 2 ) | Температура применения не ниже, °С | Использование в толщине не более, мм |
| 12ХН3А | 200 | 1000 (100) | -80 | 40 |
Температура критических точек, °С
Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)
| C | Mn | Si | Cr | Ni | Р | S | Cu |
| не более | |||||||
| 0,09-0,16 | 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)
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Al | Ti | V | B | |
| 0,09-0,16 | 0,17-0,37 | 0,30-0,60 | 0,60-0,90 | 2,75-3,15 | — | — | — | — | — | |
- 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 % и остаточного или преднамеренно введенного титана (за исключением стали марок, перечисленных в примечании 1 настоящей таблицы) — не более 0,03 %.
- Знак «-» означает, что массовую долю данного элемента не нормируют и не контролируют, если иное не указано в 7.1.2.3 ГОСТ 4543-2016.
Твердость по Бринеллю (ГОСТ 4543-2016)
ПРИМЕЧАНИЕ:
Твердость по Бринеллю указана для металлопродукции в отожженном (ОТ) или высокоотпущенном (ВО) состоянии, а также горячекатаной и кованой металлопродукции, нормализованной с последующим высоким отпуском (Н+ВО), для диаметров или толщин свыше 5 мм.
Термическая обработка
ВНИМАНИЕ. Описание термообработки и цементации для стали 12ХН3А дано на основе описания термообработки для чехославацкой стали-аналога 16420. В тексте ниже сталь 16420 заменена на сталь 12ХН3А (Источник «Цементация стали» Корецкий Я., 1962 г.)
При отжиге для смягчения сталь 12ХН3А нагревают до 610-630°С в течение 4 час., после чего следует медленное охлаждение в печи. Нормализацию производят при температуре 830-870°С с постепенным охлаждением иа воздухе.
- в твердом карбюризаторе при 860-880°С,
- в соли и газах при 900-920°С.
Науглероживание происходит достаточно плавно; в соответствующей среде и при указанной температуре цементации сталь 12ХН3А не склонна к образованию цементита. Кроме того, она не образует большого количества остаточного аустенита при соответствующей толщине слоя. Сталь не рекомендуется закаливать непосредственно с температуры цементации: достаточной является
после постепенного охлаждения одинарная закалка при температуре 790-810°С в масле. Двойная закалка для этой стали не приносит пользы, а ведет, наоборот, к большой деформации. В воде закаливают только большие по размеру детали без надрезов и выступов. Сталь 12ХН3А получает после цементации на поверхности надежную твердость 60-62 HRC.
Благодаря высокому содержанию легирующих примесей сталь 12ХН3А удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ее высоким механическим свойствам. В этом случае закалку производят при 810-850° С в масле, а отпуск при 500-650°С, что обеспечивает получение прочности 75-85 кг/мм 2 .
Поскольку аналогом-заменителем стали 12ХН3А является сталь 12ХН2, то ниже приведено описание процесса цементации для стали 12ХН2.
Цементация стали 12ХН2 производится при 900-920°С с последующей закалкой в масле с температуры 790-810°С и отпуском при 170-180°С.
Влияние хрома (Cr) и никеля (Ni) на цементацию стали 12ХН3А
Хром в цементуемых сталях способствует насыщению слоя углеродом. Он препятствует образованию остаточного аустенита, вследствие чего цементованный слой в хромистых сталях имеет надежную твердость.
Сердцевина хромистых сталей обладает хорошими твердостью и ударной вязкостью. Хром улучшает прокаливаемость стали и уменьшает ее склонность к возникновению мягких пятен.
Никель не оказывает существенного влияния на диффузию углерода в сталь, но снижает предел наибольшего содержания углерода в слое. Никель придает слою способность к сохранению остаточного аустенита, снижающего
твердость слоя. Оказывая благотворное влияние на прокаливаемость, никель придает сердцевине хорошую ударную вязкость при плавном повышении прочности. Он снижает температуры, необходимые для нагрева слоя и сердцевины при закалке,
и способствует тому, что при обычной закалке сталь остается мелкозернистой. Никель способствует сохранению хорошей ударной вязкости закаленных цементованных сталей, используемых при низкой температуре.
Механические свойства (ГОСТ 4543-2016)
| Марка стали | 12ХН3А | |||
| Режим термической обработки | Закалка | Температура, °С | 1-й закалки или нормализации | 860 |
| 2-й закалки | 760-810 | |||
| Среда охлаждения | Вода или масло | |||
| Отпуск | Температура, °С | 180 | ||
| Среда охлаждения | Воздух или масло | |||
| Механические свойства, не менее | Предел текучести, σт, МПа | 685 | ||
| Временное сопротивление, σв, МПа | 930 | |||
| Относительное | удлинение δ5, % | 11 | ||
| сужение Ψ, % | 55 | |||
| Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 | 88 | |||
| Размер сечения заготовок для термической обработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм | 15 | |||
Механические свойства заготовки диаметром 70 мм в зависимости от температуры отпуска
| tотп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB |
| 200 | 1270 | 1370 | 12 | 60 | 98 | 400 |
| 300 | 1130 | 1270 | 13 | 68 | 78 | 380 |
| 400 | 1080 | 1200 | 14 | 68 | 83 | 375 |
| 500 | 930 | 1030 | 19 | 70 | 118 | 280 |
| 600 | 670 | 730 | 24 | 75 | 167 | 230 |
ПРИМЕЧАНИЕ: Закалка с 800 °С в масле.
Механические свойства в зависимости от сечения
| Сечение, мм | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HRCэ поверхности |
| 10 | 1080 | 1220 | 13 | 60 | 157 | 35 |
| 15 | 780 | 980 | 16 | 65 | 152 | 32 |
| 20 | 730 | 880 | 16 | 70 | 165 | 30 |
| 25 | 640 | 830 | 20 | 70 | 192 | 28 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Ложная цементация при 910 °С, 9 ч; закалка с 810 °С в масле; отпуск при 200 °С, охл. на воздухе.
| tисп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 |
| 20 | 540 | 670 | 21 | 75 | 274 |
| 200 | 520 | 630 | 20 | 74 | 216 |
| 300 | 500 | 630 | 12 | 70 | 211 |
| 400 | 430 | 530 | 20 | 75 | 181 |
| 500 | 390 | 410 | 19 | 86 | 142 |
| 550 | 240 | 260 | 21 | 82 | — |
ПРИМЕЧАНИЕ. Отжиг при 880-900 °С; закалка с 860 °С в масле; отпуск при 600 °С, 3 ч.
Механические свойства прутка
| Источник | Термообработка | Сечение, мм | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость не более |
| не менее | ||||||||
| ГОСТ 4543-71 | Закалка с 860 °С в воде или масле; закалка с 760-810 °С в воде или масле; отпуск при 180 °С, охл. на воздухе или в масле | 15 | 685 | 930 | 11 | 55 | 88 | — |
| Цементация при 920-950 °С; закалка с 800-820 °С масле; отпуск при 160-200 °С, охл. на воздухе | 60 100 | 830 690 | 980 830 | 12 10 | 55 50 | 118 78 | HRCэ (59-64) *1 , HB 303 *2 HRCэ (57-63) *1 , HB 250 *2 | |
Ударная вязкость прутков сечением 10 мм, KCU
| Термообработка | KCU, Дж/см 2 при температуре, °С | |
| +20 | -40 | |
| Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 200 °С, 1 ч; HRCэ 37 | ||
Механические свойства при повышенных температурах
| tисп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ, % |
| 700 | 70 | 140 | 41 | 78 |
| 800 | 29 | 89 | 61 | 97 |
| 900 | 27 | 68 | 58 | 100 |
| 1000 | 23 | 44 | 63 | 100 |
| 1100 | 23 | 43 | 73 | 100 |
| 1200 | 12 | 25 | 70 | 100 |
| 1250 | 10 | 18 | 67 | 100 |
ПРИМЕЧАНИЕ: Образец диаметром 10 мм и длиной 50 мм, кованый и отожженый.
Скорость деформирования 5 мм/мин; скорость деформации 0,002 1/с.
Предел выносливости
| Характеристики прочности | σ-1, МПа | τ-1, МПа |
| σ-1 = 680 МПа; σв = 960 МПа; HB 322 | 382 | — |
| σ-1 = 610 МПа; σв = 730 МПа; HB 238 | 338 | 230 |
| σв = 690 МПа; n = 10 δ | 382-461 | 216-255 |
| σв = 910 МПа | 441 | 245 |
Технологические свойства
Температура ковки, °С: начала 1220, конца 800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, сечения 101-300 мм — в яме.
Свариваемость — ограниченная. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом.
Обрабатываемость резанием — Kv тв.спл. = 1,26 и Kv б.ст. = 0,95 в горячекатаном состоянии при НВ 183-187.
Склонность к отпускной хрупкости — склонна.
Прокаливаемость (ГОСТ 4543-71)
| Твердость HRCэ на расстоянии от торца, мм (закалка 849 °С) | |||||||||
| 1,5 | 3,0 | 4,5 | 6,0 | 7,5 | 9,0 | 12 | 15 | 21,0 | 27,0 |
| 88,5-43 | 37-43 | 35-42 | 31,5-41 | 25-40,5 | 22-38,5 | 35 | 32 | 28,5 | 26,5 |
Полоса прокаливаемости стали 12ХНЗА после нормализации при 850 °С и закалки с 840 °С приведена на рисунке ниже.
Сталь марки 20Х2Н4А
Из рис. справа видно, что в данном случае в кипящем слое удается реализовать максимально возможные при заданных параметрах темпы насыщения углеродом, т. е. кинетика реакций на поверхности не влияет на скорость цементации. Штрих-пунктирной линией представлена зависимость б = f (т), снятая на бензольной печи Ц-105 также с помощью образцов из стали 20Х2Н4А (время прогрева вычтено). Как видно, в промышленной бензольной печи темпы цементации не достигают максимально возможных. Нужно подчеркнуть, что углеродный потенциал газовой среды в печи Ц-105 был выше значения, соответствующего предельной при t = 930° С растворимости углерода в у-железе, фольга науглероживалась за 30 мин до концентрации, составляющей 1,6%. С повышением температуры кипящего слоя скорость цементации, как
На рис. внизу слева точками нанесены результаты послойного анализа на содержание углерода образцов стали 20Х2Н4А диаметром 38 и длиной 120 мм. Для послойного анализа с одного образца снимали 12 стружечных проб: первые пять проб через каждые 0,1 мм, остальные через 0,2 мм (на радиус). Сравнение опытных данных с расчетными (сплошные линии на рис. ниже) по формуле (II-41) для тех же параметров, что и в опытах, показывает, что при т > 1-2 ч цементация в кипящем слое лимитируется только диффузией углерода в стали. В то же время опытные концентрации углерода по сечению диффузионной зоны образцов, обработанных в бензольной печи Ц-105, оказываются ниже расчетных, несмотря на то, что в расчет принимали Сг = 1,35%, а концентрация углерода в фольге-«свидетеле» составила 1,6%.
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.
Читайте также: