Хим состав стали 12хн3а

Содержание
  1. Сталь 12ХН3А конструкционная легированная хромо-никелевая
  2. Заменители
  3. Иностранные аналоги
  4. Расшифровка
  5. Вид поставки
  6. Характеристики
  7. Применения стали 12ХН3А для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок (штамповок)(ГОСТ 33260-2015)
  8. 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
  9. Температура критических точек, °С
  10. Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)
  11. Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)
  12. Твердость по Бринеллю (ГОСТ 4543-2016)
  13. Термическая обработка
  14. Влияние хрома (Cr) и никеля (Ni) на цементацию стали 12ХН3А
  15. Механические свойства (ГОСТ 4543-2016)
  16. Механические свойства заготовки диаметром 70 мм в зависимости от температуры отпуска
  17. Механические свойства в зависимости от сечения
  18. Механические свойства образцов диаметром 28-50 мм при повышенных температурах
  19. Механические свойства прутка
  20. Ударная вязкость прутков сечением 10 мм, KCU
  21. Механические свойства при повышенных температурах
  22. Предел выносливости
  23. Технологические свойства
  24. Прокаливаемость (ГОСТ 4543-71)
  25. Сталь марки 12ХН3А

Сталь 12ХН3А конструкционная легированная хромо-никелевая

Заменители

  • 12ХН2,
  • 20ХНЗА,
  • 25ХГТ,
  • 12Х2Н4А,
  • 20ХНР

Иностранные аналоги

Германия DIN 14NiCr10
Евронормы (EN) 1.5732
США (SAE) 9317
Великобртания (BS) En36
Япония SNC815H

Расшифровка

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

к содержанию ↑

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

к содержанию ↑

Температура критических точек, °С

Ac1 Ас3 Аr3 Аr1 Mн
715 773 726 659 380

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
  1. 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 %.
  2. 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)

Марка стали Твердость НВ,
не более
12ХНЗА 217

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.

Читайте также:  E355 sr что за сталь

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

к содержанию ↑

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.

Механические свойства образцов диаметром 28-50 мм при повышенных температурах

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

Газовая цементация при 910 °С, 3 ч; закалка с 810 °С в масле; отпуск при 200 °С, 1 ч. HRCэ 58 127
103 42
14

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.

Источник

Сталь марки 12ХН3А

Марка: 12ХН3А (заменители: 12ХН2, 20ХН3А, 25ХГТ, 12Х2Н4А, 20ХНР)
Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток: ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73, ГОСТ 10702-78. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 14955-77. Полоса: ГОСТ 103-2006 . Поковки и кованный заготовки: ГОСТ 1133-71. Трубы : ГОСТ 21729-76, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 9567-75.
Класс: Сталь конструкционная легированная
Использование в промышленности: шестерни, валы, червяки, кулачковые муфты, поршневые пальцы и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах до -100 °С .
Химический состав в % стали 12ХН3А
C 0,09 — 0,16
Si 0,17 — 0,37
Mn 0,3 — 0,6
Ni 2,75 — 3,15
S до 0,025
P до 0,025
Cr 0,6 — 0,9
Cu до 0,3
Fe
Зарубежные аналоги марки стали 12ХН3А
США 3415
Германия 1.5732, 12Ni14, 14NiCr10, 14NiCr14
Япония SNC815, SNC815H
Франция 10NC11, 14NC11
Англия 655M13
Испания 15NiCr11
Болгария 12ChN3A
Венгрия BNC2
Польша 12HN3A
Румыния 13CrNi30q
Чехия 16420
Свойства и полезная информация:
Удельный вес: 7850 кг/м 3
Температура ковки, °С: начала 1220, конца 800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-300 мм в яме.
Термообработка: Закалка и отпуск
Твердость материала: HB 10 -1 = 217 МПа
Температура критических точек: Ac1 = 715 , Ac3(Acm) = 773 , Ar3(Arcm) = 726 , Ar1 = 659 , Mn = 380
Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при HB 183-187, К υ тв. спл=1,26 и Кυ б.ст=0,95
Свариваемость материала:
ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом.
Флокеночувствительность: чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: склонна.
Механические свойства заготовки стали 12ХН3А диаметром 70 мм
в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С σ0,2 (МПа) σв(МПа) δ5 (%) ψ % KCU (Дж / см 2 ) HB
Закалка 800 °С, масло
200
300
400
500
600
1270
1130
1080
930
670
1370
1270
1200
1030
730
12
13
14
19
24
60
68
68
70
75
98
78
83
118
167
400
380
375
280
230
Механические свойства стали 12ХН3А в зависимости от сечения
Сечение, мм σ0,2 (МПа) σв(МПа) δ4 (%) ψ % KCU (Дж / см 2 ) HRCЭ
Ложная цементация 910 °С, 9 ч. Закалка 810 °С, масло. Отпуск 200 °С, на воздухе
10
15
20
25
1080
780
730
640
1220
980
880
830
13
16
16
20
60
65
70
70
157
152
165
192
35
32
30
28
Механические свойства образцов стали 12ХН3А диаметром 28-50 мм
при повышенных температурах
Температура испытаний, °С σ0,2 (МПа) σв(МПа) δ5 (%) ψ % KCU (Дж / см 2 )
Отжиг 880-900 °С. Закалка 860 °С, масло. Отпуск 600 °С, 3 ч
20
200
300
400
500
550
540
520
500
430
390
240
670
630
630
530
410
260
21
20
12
20
19
21
75
74
70
75
86
82
274
216
211
181
142
Механические свойства прутка стали 12ХН3А
ГОСТ Состояние поставки, режим термообработки Сечение, мм σ0,2 (МПа)
σв(МПа) δ5 (%) ψ % KCU (Дж / см 2 ) НВ, не более
ГОСТ 4543-71 Закалка 860 °С, вода или масло.
Закалка 760-810 °С, вода или масло.
Отпуск 180 °С, воздух или масло
15 685 930 11 55 88
Цементация 920-950 °С.
Закалка 800-820 °С, масло.
Отпуск 160-200 °С, воздух
60 830 980 12 55 118 Поверхности
(59-64),
сердцевины
303
100 690 830 10 50 78 Поверхности
(57-63),
сердцевины
250
Ударная вязкость прутков стали 12ХН3А сечением 10 мм KCU, (Дж/см 2 )
Т= +20 °С Т= -40 °С Термообработка
127
42
103
14
Закалка 850 °С, масло. Отпуск 200 °С, 1 ч HRCэ 37
Газвая цементация 910 °С, 3 ч. Закалка 810 °С, масло. Отпуск 200 °С, 1 ч HRCэ 58
Механические свойства стали 12ХН3А при повышенных температурах
Температура испытаний, °С σ0,2 (МПа) σв(МПа) δ5 (%) ψ % KCU (кДж / м 2 )
Образец диаметром 10 мм и длиной 50 мм, кованный и отожженный.
Скорость деформированя 5 мм/мин. Скорость деформации 0,002 1/с
700
800
900
1000
1100
1200
1250
70
29
27
23
23
12
10
140
89
68
44
43
25
18
41
61
58
63
73
70
67
78
97
100
100
100
100
100






Предел выносливости стали 12ХН3А
σ-1, МПА
J-1, МПА
Термообработка
382

245

σ0,2=680 МПа, σв=960 МПа, НВ 322
σ0,2=610 МПа, σв=730 МПа, НВ 238
σв=690 МПа, n=10 6
σв=910 МПа
Прокаливаемость стали 12ХН3А (ГОСТ 4543-71)
Расстояние от торца, мм Примечание
1,5 3 4,5 6 7,5 9 12 15 21 27 Закалка 840 °С
38,5-43 37-43 35-42 31,5-41 25-40,5 22-38,5 35 32 28,5 26,5 Твердость для полос прокаливаемости, HRC
Количество мартенсита, % Критический диаметр в воде Критический диаметр в масле
50
95
32-65
18-29
20-50
10-17
Физические свойства стали 12ХН3А
T (Град) E 10 — 5 (МПа) a 10 6 (1/Град) l (Вт/(м·град)) r (кг/м 3 ) C (Дж/(кг·град)) R 10 9 (Ом·м)
20 2 7850
100 11.8 31 7830
200 13 7800
300 14 7760
400 14.7 26 7720 528
500 15.3 7680 540
600 15.6 7640 565

Расшифровка марки стали 12ХН3А: цифра 12 перед маркой стали говорит о том, что в ней содержится 1,2% углерода, Х — свидетельствует о небольшом содержании хрома менее 1,5%, а Н3 — о том что имеется никель в количестве 3%, буква А на конце обозначение сообщает, что это высококачественная чистая сталь с содержанием вредных серы и фосфора менее 0,025%. Таким образом перед нами легированная высококачественная сталь.

Цементация изделий из стали 12ХН3А в кипящем слое: на образцах из сталей 12ХН3А и 18Х2Н4ВА, цементированных по оптимальному режиму, были исследованы режимы дальнейшей термической обработки в целях создания полного цикла обработки в кипящем слое. По существующей технологии детали из этих сталей подвергают после цементации высокому отпуску, закалке и низкому отпуску.

Были изучены: 1) непосредственная закалка с цементационного нагрева в холодный (20° С) кипящий слой; 2) закалка в холодный кипящий слой с предварительным подстуживанием от температуры цементации 950 до 800° С; 3) закалка как отдельная операция после высокого отпуска.

Первые два режима не дали положительных результатов вследствие недопустимо большого количества остаточного аустенита: по первому режиму 70-75 и 16-18%, а по второму 19-25 и 7-9% соответственно для сталей 18Х2Н4ВА и 12ХНЗА. Поэтому более подробно был исследован третий режим.

Отпуск образцов стали 18Х2Н4ВА после цементации при 950° С в кипящем слое (4 ч) и керосином в печи Ц-105 (12 ч) проводили при 650° С в трех различных средах одинаковыми партиями по 30 шт.: в электропечи, в кипящем слое (на полупромышленной установке Турбомоторного завода) и в свинцовой ванне. Исследовали количество остаточного аустенита (на магнитометре Штейнберга), ударную вязкость и твердость в зависимости от времени выдержки. Распределение углерода после цементации в обоих случаях было практически одинаковым. С увеличением времени выдержки количество остаточного аустенита понижается, причем наиболее интенсивно в первые три часа отпуска. Ударная вязкость незначительно повышается, а твердость вначале несколько увеличивается в связи С распадом остаточного аустенита, а затем снижается. При повторном отпуске твердость, так же как и количество остаточного аустенита, снижаются с увеличением времени отпуска.

Наиболее интересные данные получены при изучении влияния среды отпуска на количество остаточного аустенита. После отпуска в кипящем слое количество аустенита такое же, как и после отпуска в свинцовой ванне, и приблизительно вдвое меньше, чем после отпуска в электропечи.

Сталь 18Х2Н4ВА после цементации в кипящем слое и высокого отпуска при 650° С в течение 3 ч в кипящем слое и в электропечи. Охлаждение осуществляли после отпуска на воздухе. Остаточный аустенит при отпуске в кипящем слое претерпевает больший распад, чем при отпуске в электропечи.

Более интенсивный распад остаточного аустенита после отпуска в кипящем слое по сравнению с отпуском в электропечи можно объяснить скоростным нагревом. Как и при нагреве в свинце, напряженное состояние, характеризуемое дефектами кристаллического строения, в процессе нагрева сохраняется до более высоких температур, чем при нагреве в электропечи. Дефекты кристаллической решетки служат зародышевыми центрами для выделения карбидной фазы, которых в случае скоростного нагрева в кипящем слое и в свинце больше, чем при нагреве в электропечи. В процессе отпуска в кипящем слое выделяется больше карбидов, что обедняет остаточный аустенит углеродом. Это вызывает повышение мартенситной точки и более полный распад остаточного аустенита при последующем охлаждении. Кроме того, при скоростном нагреве не успевают завершиться процессы перераспределения легирующих элементов. В частности, никель, не входящий в состав карбидов, сосредоточивается при медленном нагреве в твердом растворе, и, обогащенный никелем остаточный аустенит характеризуется большей устойчивостью, чем при быстром нагреве в кипящем слое.

Сравнительные эксперименты показали, что при охлаждении отпущенных образцов на воздухе количество остаточного аустенита оказывается на 20-30% меньше, чем при охлаждении в масле. Быстрое охлаждение в масле ведет к мартенситному превращению части обедненного остаточного аустенита, которое в свою очередь не идет до конца, в то время как замедленное охлаждение на воздухе стимулирует развитие бейнитного превращения, протекающего полнее, чем мартенситное.

По полученным данным был выбран режим высокого отпуска в кипящем слое при 650° С в течение трех часов с последующим охлаждением на воздухе.

После отпуска детали нагревали до 820° С в электропечи (2 ч) или в кипящем слое (20 мин) и закаливали как в холодный кипящий слой частиц корунда 120 мкм, так и в масло. Предварительно были сняты термограммы охлаждения шестерен двух различных размеров (с толщиной стенки или полуразностью наружного и внутреннего диаметров 18 и 30 мм). В диапазоне температур 820-250° С шестерня охлаждается в масле несколько быстрее, чем в кипящем слое, а при более низких температурах — медленнее. Время охлаждения до 220-250° С в обеих средах одинаково и для меньшей и большей шестерен равно соответственно 1,5 и 2,5 мин. Твердость и структуру после закалки изучали непосредственно на шестернях. Механические свойства сталей 18Х2Н4ВА и 12ХНЗА определяли на образцах длиной 170 мм диаметром соответственно 25 и 21 мм, прошедших весь описанный выше цикл термообработки. При закалке по исследованным четырем вариантам они оказались практически одинаковыми. Количество остаточного аустенита при нагреве в кипящем слое было меньше, чем при нагреве в электропечи, а при одинаковых условиях нагрева закалка в кипящем слое давала меньше остаточного аустенита, чем закалка в масле. Структура после закалки в кипящем слое и масле была практически одинаковой: цементированный слой состоит из мелкоигольчатого мартенсита, карбидов и остаточного аустенита, а сердцевина — из перлита и феррита (сталь 12ХН3А) или бейнита (сталь 18Х2Н4ВА).

В результате был выбран наиболее быстрый вариант закалки, дающий к тому же наименьшее количество остаточного аустенита: нагрев в кипящем слое до 820° С с выдержкой (общее время 20 мин) и охлаждение в холодном кипящем слое (10 мин).

В заключение проведено сравнение результатов испытаний цементированной стали 12ХН3А на износостойкость, статическую прочность при растяжении и усталость после цементации и последующей термообработки в кипящем слое с результатами термической обработки по существующей технологии.

Процесс термообработки был выполнен в трех вариантах.

I. Существующая технология: цементация (930° С, 10 ч) — — охлаждение на воздухе — высокий отпуск (650° С, 9 ч) — закалка (800° С, 2 ч) низкий отпуск (170° С, 3 ч).

II. В кипящем слое: цементация (950° С, 2,5 ч) — закалка с подстуживанием — низкотемпературный отпуск (170° С, 2 ч).

III. В кипящем слое: цементация (950° С, 2,5 ч) — охлаждение на воздухе — высокий отпуск (650° С, 3 ч) — закалка (820° С, 1/3 ч) — низкий отпуск (170° С, 2 ч).

Износостойкость испытывали на машине МИ-1М (цикл 15 000 оборотов) при трении качения с проскальзыванием без смазки при удельном давлении в месте контакта испытуемой пары 39 кгс/мм 2 , соответствующем удельному давлению в зубьях шестерен дизеля и скорости вращения эталонов 320 и 400 об/мин. Потеря массы образцов составила 581-647 мг, 466-483 мг и 430-461 мг соответственно при обработке по I, II и III вариантам. Таким образом, наилучшим оказался вариант III.

Статическую прочность стали испытывали на образцах рабочим диаметром 8 мм с глубокими кольцевыми концентраторами напряжений гиперболического профиля. Радиус разреза меняли от 0,18 до 7 мм, что соответствовало широкому диапазону коэффициентов концентрации напряжений ао от 1,0 до 6,04. Видно, что среднее значение ов по вариантам I и III практически одинаково, однако вариант III предпочтительнее, поскольку при такой обработке в отличие от обработки по существующей технологии σв почти не зависит от ао.

Усталостную прочность стали 12ХНЗА испытывали на машине МВП-10 000 при чистом изгибе с вращением, частоте 83 Гц и базе испытаний 5.10 6 циклов. Испытания выполняли на 75 аналогичных образцах, режимы I и III дают одинаковые и несколько лучшие результаты, чем режим II.

По результатам указанных испытаний для промышленной эксплуатации может быть рекомендован следующий оптимальный режим цементации и последующей термообработки деталей из сталей 18ХНВА и 12ХН3А: цементация при ав = 0,26-0,28 с добавкой 15% природного газа при 950° С, 2,5 (10) ч — охлаждение на воздухе — высокий отпуск, 650° С, 3 (9) ч — охлаждение на воздухе — нагрев под закалку до 820° С в кипящем слое и выдержка 20 мин (2 ч) — охлаждение в кипящем слое — низкий отпуск в кипящем слое 170° С, 2 (3) ч. Применение кипящего слоя позволяет сократить полный цикл обработки втрое, т. е. с 24 до 8 ч, получив такие же прочностные показатели. При этом глубина цементированного слоя составляет 1,1-1,4 мм, а поверхностная концентрация углерода (с учетом его перераспределения при охлаждении и высоком отпуске) 0,9-1,0% С.

По отработанным оптимальным режимам были цементированы шестерни различных диаметров от 50 до 120 мм, валики, тарелки клапанов, распылители, детали сложной конфигурации, имеющие узкие отверстия.

Краткие обозначения:
σв — временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа ε — относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ0,05 — предел упругости, МПа Jк — предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ0,2 — предел текучести условный, МПа σизг — предел прочности при изгибе, МПа
δ5,δ4,δ10 — относительное удлинение после разрыва, % σ-1 — предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σсж0,05 и σсж — предел текучести при сжатии, МПа J-1 — предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν — относительный сдвиг, % n — количество циклов нагружения
s в — предел кратковременной прочности, МПа R и ρ — удельное электросопротивление, Ом·м
ψ — относительное сужение, % E — модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV — ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 T — температура, при которой получены свойства, Град
s T — предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа l и λ — коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB — твердость по Бринеллю C — удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o — T ), [Дж/(кг·град)]
HV — твердость по Виккерсу pn и r — плотность кг/м 3
HRCэ — твердость по Роквеллу, шкала С а — коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o — T ), 1/°С
HRB — твердость по Роквеллу, шкала В σ t Т — предел длительной прочности, МПа
HSD — твердость по Шору G — модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

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

Источник