Характеристика марки стали 12ХНЗА

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	~95

Удельный вес: 7850 кг/м3

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 Кυб.ст=0,95

Свариваемость материала: ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом.

Флокеночувствительность: чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

Расшифровка марки стали12ХН3А: 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.Ролик вала рулевой сошки получают резанием. Такой метод позволяет получить высокое качество поверхностного слоя .

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° Сс 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/мм², 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 5.10⁶ 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.