Сталь 12хн3а химический состав

Обновлено: 18.05.2024

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

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, %
Марка стали	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, σ_т, МПа			685
	Временное сопротивление, σ_в, 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

t_отп, °С	σ_0,2, МПа	σ_в, 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	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см 2	Твердость HRC_э 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.

t_исп, °С	σ_0,2, МПа	σ_в, 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	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см 2	Твердость не более
Источник	Термообработка	Сечение, мм	не менее					Твердость не более
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	HRC_э (59-64) 1 , HB 303 2 HRC_э (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; HRC_э 37

Механические свойства при повышенных температурах

t_исп, °С	σ_0,2, МПа	σ_в, 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; σ_в = 960 МПа; HB 322	382	—
σ_-1 = 610 МПа; σ_в = 730 МПа; HB 238	338	230
σ_в = 690 МПа; n = 10 δ	382-461	216-255
σ_в = 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 — K_{v тв.спл.} = 1,26 и K_{v б.ст.} = 0,95 в горячекатаном состоянии при НВ 183-187.

Склонность к отпускной хрупкости — склонна.

Прокаливаемость (ГОСТ 4543-71)

Твердость HRC_э 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 12ХН3А конструкционная легированная хромо-никелевая

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.

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.

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
Марка стали	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	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см 2	Твердость HB, не более
Источник	Состояние поставки	Сечение, мм	КП	не менее					Твердость HB, не более
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 HRC_э 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

Сечение, мм	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см 2	Твердость HRC_э 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

t_отп, °С	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см 2	Твердость HRC_э
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 σ_τ, Н/мм 2	Временное сопротивление σ_δ, 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; σ_в = 960 МПа	382	—
Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 500 °С; σ_в = 730 МПа	338	225
Закалка с 800 °С в масле; отпуск при 500 °С;σ_в = 940 МПа	421	—

Ударная вязкость прутков KCU

Сечение заготовки, мм	Термообработка	KCU, Дж/см 2 при температуре, °С
Сечение заготовки, мм	Термообработка	+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

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 — K_{v б.ст.} = 0,95 в горячекатаном состоянии при НВ 177 и σ_в=610 МПа.
Склонность к отпускной хрупкости — склонна.
Флокеночувствительность — чувствительна.

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 а_о от 1,0 до 6,04. Видно, что среднее значение о_в по вариантам I и III практически одинаково, однако вариант III предпочтительнее, поскольку при такой обработке в отличие от обработки по существующей технологии σ_в почти не зависит от а_о.

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 а_в = 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:
σ_в	- временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа	ε	- относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ_0,05	- предел упругости, МПа	J_к	- предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ_0,2	- предел текучести условный, МПа	σ_изг	- 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
σ_сж0,05 и σ_сж	- 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	p_n и r	- плотность кг/м 3
HRC_э	- 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

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Все о стали 12ХН3А

Легированный стальной сплав 12ХН3А обладает хромоникелевым компонентом, который придаёт ему повышенную прочность. Этот состав относится к числу наиболее популярных в металлообработке широкого профиля.

Состав и расшифровка

Сталь 12ХН3А используется в случаях, когда более обычные сплавы не справляются с решаемыми задачами. Приповерхностная твёрдость и повышенная прочность прокатных кругов зарекомендовали себя при низком рабочем температурном интервале. При этом в условиях полярных морозов сталь такой марки не ломается, продолжая выдерживать высокую нагрузку как в покое, так и при движении. Легированные составы обладают добавочными присадками, значительно улучшающими её качества, например, выше становится устойчивость к истиранию. Плотность стали 12ХН3А – 7,89 г/см3.

В составе стали имеются хром и никель, от которых механическая прочность стали возрастает. Из сплава удалены фосфор и сера – они лишь вредят стали, делая её хрупкой. Сплав хорошо куётся, но при сварке необходимо выдержать особый алгоритм действий, иначе прочного сварного шва не получится. Он отличается хорошей токарной и фрезерной обработкой.

В составе марки 12ХН3А содержится 1,2% угля, хром присутствует в количестве 1,5%. Никель вплавлен в этот состав в количестве 3%. Маркер А свидетельствует о полном отсутствии в составе серы и фосфора, из-за которых эта сталь ломалась бы при серьёзной нагрузке: если бы они там и присутствовали, то лишь в следовых количествах.

Примерный химический состав стали 12ХН3А обусловлен нормативами ГОСТ 4543-1971. Помимо хрома и никеля с углеродом, в этом сплаве содержатся также кремний (порядка 3 промилле), медь (столько же). Эти добавки являются вспомогательными. Хромоникелевой эта сталь названа из-за главных двух примесей – никеля и хрома.

Поскольку эта сталь является цементируемой, то хром становится причиной насыщения поверхностного слоя углём. Он не даёт сформироваться остаточному аустенитному составу, отчего цементированная приповерхностная прослойка повышает свою твёрдость до оптимальных значений. Сердцевина хромистых составов обладает превосходной твёрдостью и амортизацией вибрации. Хром даёт возможность мастерам прокаливать эту сталь, не давая образоваться так называемым очагам размягчения на поверхности.

В отличие от хрома у никеля совершенно иное действие. Он не влияет на поверхностное впитывание углерода, не ускоряет и не замедляет его смешивания с железной основой сплава. Однако он не даёт процентному содержанию углерода превысить некий предел. Никелевая присадка обеспечивает сбережение остаточного количества аустенитной составляющей, уменьшающей твёрдость приповерхностной прослойки. Он улучшает также прокаливание, придаёт глубинным слоям, включая центр детали (по центральной оси прута, по среднему уровню плоскости листа или профильной стенки), дополнительную амортизацию при ударах и вибрации. Благодаря ему энергозатраты на термообработку снижаются – закалка заготовки происходит при более низкой температуре. В результате при простой закалке состав сохраняет свою мелкую зернистую структуру.

Никель позволяет сохранить хорошую ударно-вибрационную вязкость любых цементированных составов, сходных с 12ХН3А – детали из них впоследствии перенесут практически любые климатические условия на Земле.

Характеристики и свойства

Состав 12ХН3А обладает немалой пластичностью и амортизирующими параметрами при глубоких отрицательных температурах.

Эта сталь относится к лучшим образцам конструкционного сплава – ответственные в плане нагрузочной составляющей комплектующие изготавливаются зачастую именно из неё. У никеля есть интересная особенность – полное постепенное растворение в твёрдом сплаве (по сравнению с хромом). Он играет заметно большую роль в прочностных показателях, чем хром. Комбинируя сочетание хрома и никеля в стальных сплавах такого рода, оптимально сочетают прочность и гашение вибраций, а также нечувствительность к числу прокаливаний.

Сортамент

Инструментальная сталь этой марки обычно представлена кругом, листом, полосой, поковкой, квадратным профилем, плитами, шайбными нарезками и кольцами 12ХНЗА. Так, шайбы можно нарезать из толстого прута с диаметром от 10 см.

Круг 12ХН3А изготовлен методом горячего проката. Более твёрдая по сравнению с сердцевиной поверхность обусловлена лучшей цементацией – поверхность не чувствительна к воде и слабым активным средам (растворы кислот и щелочей). Это позволяет избежать появления и наслоения ржавчины.

Аналоги и заменители

Марка 12ХН3А обладает равноценными заменами в виде 12ХН2, 20ХН3А, 25ХГТ, 12Х2Н4А и 20ХНР. Характеристики их могут несколько отличаться, но состав 12ХН3А не теряет прочности и вязкости до -100 по Цельсию. Для сравнения, нижний предел марсианского климата – -107 градусов. Это значит, что эта марка способна сохранять свои свойства на «Полюсе недоступности» в Антарктиде с его рекордом в -89,2 градуса. А российский полюс холода в Оймяконе с его -60 покажется лишь лёгким стрессом для этого состава.

На поверхности углерод в концентрации достигает почти одного процента – такой показатель сравним с обычными мартенситными составами. Ближе к центру заготовки (по сечению, плоскостному уровню) сталь обладает мелкозернистой и «густой» структурой.

Применение

Сплав 12ХНЗА – цементируемый, применяется для изготовления заготовок, для которых важны твёрдость на поверхности и вязкость в середине поперечного среза. Если заготовка оказалась бы одинаково твёрдой по всей толще, то она бы сломалась при околопредельной нагрузке, свойственной большинству похожих составов на основе никеля и хрома. Шестерни, валы, цапфы, шарниры, червячные и кулачковые втулки, поршневые штыри, цементируемые комплектующие, детали автомобилей и самолётов – все эти компоненты характеризуются повышенной ударно-вибрационной нагрузкой.

Выделка горячекатаных листов, труб из биметалла (полиметалла) для судов (сверху – сталь, внутри – медь). Еще одно применение стали с маркировкой 12XH3A – изготовление горячекатаного толстолистового проката, а также биметаллических бесшовных труб для судостроения (наружным слой – сталь, внутренний – медь). Если бы вместо этого сплава применялась, к примеру, нержавейка, обладающая хоть и немалой вязкостью, но без особо твёрдого слоя снаружи, корпус судна быстрее вышел бы из строя.

Обработка

Обработка состава осуществляется методом закалки разогретых до 860 градусов деталей с погружением в масло. Отпускание же производится методом погружения нагретого до 180 градусов образца в воду. Из-за высокого содержания хрома и никеля, которые сами по себе не паяются и не варятся, сталь сваривается с использованием особого флюса. Разрезание заготовок возможно лишь благодаря применению как минимум быстрорежущей стали, но в особых случаях применяют победитовый сплав или алмаз для резки. Ковка уменьшает зернистость на изломе заготовок.

Чтобы эта сталь обрабатывалась легко, были проведены следующие дополнительные температурные испытания для состава 12ХН3А. Предтермообработка производится при температуре приближённо в 900 градусов. Нормализация и отпускание для поковочных модификаций сплава осуществляется в среднем при 670 градусах. Для прутковой продукции производится отжиг или отпуск. Цементация требует температуры примерно в 910 градусов, завышенное отпускание – при 660, холодовая закалка – при –55, «пониженное» отпускание – при 160. Твёрдость приповерхностного слоя, обогащённого цементитом, достигает 58 единиц по шкале Роквелла.

Термодеформация выполняется в среднем при 1015 градусах: используется повышенное давление до 100 атмосфер.

Читайте также:

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