Сталь 20хн3а характеристики применение

Обновлено: 29.04.2024

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.

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
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

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
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

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 — K_{v б.ст.} = 0,95 в горячекатаном состоянии при НВ 177 и σ_в=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 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.

Сталь 20ХН3А

Сталь 20ХН3А может быть весьма привлекательна для потребителей, именно поэтому важно разобраться с расшифровкой марки и ее характеристиками. Внимания заслуживают также сварка и закалка, химический состав стали и ее плотность, уровень твердости. Надо еще обратить внимание на особенности термической обработки.

Марка стали 20ХН3А относится к высококачественному конструкционному классу. По своему химическому составу она считается добротным легированным металлом. Доля углерода варьируется от 0,17 до 0,24%. Концентрация кремния может достигать от 0,17 до 0,37%. Значимое количество никеля (2,75 — 3,15%) прямо влияет на характеристики сплава.

Из улучшающих добавок там еще есть 0,3 — 0,6% марганца и 0,6 — 0,9% хрома. Концентрация молибдена – менее 0,11%. Доля ванадия и титана оказалась даже еще меньше. Вхождение столь вредных примесей, как сера и фосфор, очень незначительно.

Количество таких компонентов не влияет значимо на качество готового продукта; по желанию заказчика химический состав может быть несколько изменен.

Плотность этого сплава составляет 7,89 грамма на 1 куб. см. Такой показатель определен в соответствии с ГОСТ 4543, действующим с 2016 года. Тот же стандарт задает все прочие характеристики готового продукта. Согласно нормативу определять любые показатели можно только на продольных образцах, прошедших предварительную термомеханическую манипуляцию. Критическое напряжение нагрузки задано на уровне не ниже 735 МПа.

Минимальное кратковременное противодействие разрывному усилию равно 930 МПа. Оно может превосходить этот показатель. Индекс относительного механического удлинения при разрывающем усилии будет не ниже 12%. Показатель относительного сужения — выше 55%.

Твердость нагартованной стали с особой отделкой при толщине от 5 мм составляет не более 269 единиц по шкале HB; если речь идет о простом металле, то этот показатель не превысит 255 единиц.

Другие требования приведены в ТУ (технических условиях) 14-1-950-86. В этом нормативе заданы разные характеристики для термообработанного продукта и калиброванного металла, поверхность которого имеет специальную отделку. Так, только после термообработки определяется предел текучести (от 835 МПа), кратковременное сопротивление разрыву (не ниже 980 МПа), а уровень удлинения в момент разрыва будет не менее 10%. Сечение отпечатка варьируется от 0,33 до 0,355 см. Для калиброванного сплава нормирован лишь диаметр отпечатка (он более 0,4 см), а во всех остальных пунктах в профессиональных таблицах, подразумевая и раздел по вязкости при ударах, стоят прочерки.

Важны и фундаментальные температурные позиции:

Ac1 – 730 градусов;

Ac3 (она же Acm) — 810 градусов;

Ar3 (она же Arcm) — 700 градусов;

Ar1 – 615 градусов.

Свариваемость у стали 20Х13А не слишком велика, однако сварить ее возможно. Отмечается ощутимая флокеночувствительность. Металл также склонен к хрупкости при отпуске. Механические параметры задаются для сплава при комнатной (20 градусов) температуре. В этот момент плотность вещества составляет 7850 кг на 1 куб. м., а при 600 градусах понижается до 7660 кг на 1 куб. м.

Данный тип сплава отличается превосходной прокаливаемостью. Но на том отличные свойства такой стали, в сравнении с менее легированными образцами, не исчерпываются. Надо понимать, что отборные механические характеристики проявляются только при изготовлении металлического продукта величиной не менее 7,5 — 10 см. Такая величина может быть сечением либо толщиной в зависимости от типа изделий. Сталь 20ХН3А пригодна для выработки как обычных, так и цементируемых заготовок.

Такие конструкции могут иметь превосходную крепость, быть пластичными и отличаться вязким состоянием центральной части. При этом для них свойствен еще и увеличенный твердостный показатель поверхностного слоя. Эти изделия пригодны для работы при приложении ударяющего импульса, даже при отметке ниже нуля. Речь идет про втулочные блоки и шестеренки, болтовые конструкции и технические валы. Также допустимо применять 20ХН3А для изготовления:

шпилек силового типа;

прочих подлежащих цементации деталей.

Востребован такой продукт на нефтеперерабатывающих, газоперерабатывающих предприятиях и нефтехимзаводах. В этом случае цементация материала обязательна. Иначе невозможно изготовить высоконагружаемые детали, рассчитанные на повышенные скорости и ударяющие воздействия. Именно таковы не только силовые шпильки и втулки, но и:

муфтовые изделия кулачкового типа;

интенсивно нагружаемые колеса с зубцами;

системы быстродействующих зубчатых передающих узлов, используемых на бурильном оборудовании;

собачки роторных клиньев;

лапные части буровых долот.

Обработка и сварка

Термическое улучшение сплава 20ХН3А вполне возможно. Для закалки такого сырья используют специальное масло. Разброс температур составляет от 820 до 860 градусов. После этого производится отпуск, для чего металл охлаждают до 550–650 градусов. В некоторых случаях технологи предпочитают низкий отпуск, проводимый при 200—220 градусах.

Отпускная хрупкость представляет действительно большую проблему. Компенсировать такой недостаток удается за счет стремительного охлаждения стали 20ХН3А в процессе высокого отпуска. Ускорить этот процесс помогает использование, к примеру, специальных масел.

При нормальном отжиге снизить твердость сплава в достаточной мере удается не всегда, что понижает его обрабатываемость. Выходом из ситуации оказывается предварительный изотермический отжиг либо продолжительное пребывание на участке с температурой 640—650 градусов.

Цементация

Свои особенности сталь 20ХН3А проявляет в том числе и при цементировании. Ее ведут при 930—960 градусах. По окончании такой процедуры необходимы дополнительная двойная процедура закаливания и низкотемпературный режим отпуска. Исходное закаливание преимущественно ведется при цементационном прогреве, а второй заход делают при 750—790 градусах; отпускной процедурой занимаются при 180—200 градусах. Очень важно убрать избыток аустенита в подвергшемся цементации слое; решить эту задачу помогает дополнение первой закалки высоким отпуском при 630—650 градусах.

Читайте также: