Круг 12ХН3А
Використання в промисловості: шестерні, вали, черв'яки, кулачкові муфти, поршневі пальці та інші цементувальні деталі, до яких пред'являються вимоги високої міцності, пластичності та в'язкості серцевини та високої поверхневої твердості, що працюють під дією ударних навантажень або за негативних температур до -100 °C.
Питома вага: 7850 кг/м3
Температура кування, °С: початку 1220, кінця 800. Перерізи до 100 мм охолоджуються на повітрі, 101-300 мм у ямі.
Термооброблення: Загартування та відпустко
Твердість матеріалу: HB 10 -1 = 217 МПа
Температура критичних точок: Ac1 = 715 , Ac3(Acm) = 773 , Ar3(Arcm) = 726 , Ar1 = 659 , Mn = 380
Оброблюваність різанням: у гарячекатаному стані за HB 183-187, К ÷ ТВ. сп.=1,26 и К÷ б.ст=0,95
Зварюваність матеріалу: обмежено зварювана. Способи зварювання: РДС, АДС під флюсом.
Флокеночутливість: чутлива.
Схильність до відпускної крихкості: схильна.
Механічні властивості заготовки сталі 12ХН3А діаметром 70 мм залежно від температури відпустки |
||||||
Температура відпуску, °C | ÷0,2 (МПа) | ÷в(МПа) | δ5 (%) | ψ % | KCU (Дж/см2) | HB |
Загартування 800 °C, олія | ||||||
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 |
Механічні властивості сталі 12ХН3А залежно від перерізу | ||||||
Переріз, мм | ÷0,2 (МПа) | ÷в(МПа) | δ4 (%) | ψ % | KCU (Дж/см2) | HRCЕ |
Фальшива цементація 910 °C, 9 год. Загартування 810 °C, олива. Відпустка 200 °C, на повітрі | ||||||
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 |
Механічні властивості зразків сталі 12ХН3А діаметром 28-50 мм за підвищених температур |
|||||
Температура випробувань, °С | ÷0,2 (МПа) | ÷в(МПа) | δ5 (%) | ψ % | KCU (Дж/см2) |
Відпалювання 880-900 °C. Загартування 860 °C, олія. Відпустка 600 °C, 3 год | |||||
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 - |
Механічні властивості прутка сталі 12ХН3А | ||||||||
ГОСТ | Стан постачання, режим термообробки | Переріз, мм | ÷0,2 (МПа) | ÷в(МПа) | δ5 (%) | ψ % | KCU (Дж/см2) | НВне більш ніж |
ГОСТ 4543-71 | Загартування 860 °C, вода або олія. Загартування 760-810 °C, вода або олія. Відпустка 180 °C, повітря або олива |
15 | 685 | 930 | 11 | 55 | 88 | - |
Цементація 920-950 °C. Загартування 800-820 °C, олива. Відпустка 160-200 °C, повітря |
60 | 830 | 980 | 12 | 55 | 118 | Поверхні (59-64), серцевини 303 |
|
100 | 690 | 830 | 10 | 50 | 78 | Поверхні (57-63), серцевини 250 |
Ударна в'язкість прутків сталі 12ХН3А перерізом 10 мм KCU, (Дж/см2) | ||
Т = +20 °C | Т= -40 °С | Термооброблення |
127 42 |
103 14 |
Загартування 850 °C, олива. Відпустка 200 °C, 1 год HRCе 37 Газова цементація 910 °C, 3 год. Загартування 810 °C, олія. Відпустка 200 °C, 1 год HRCе 58 |
Механічні властивості сталі 12ХН3А за підвищених температур | |||||
Температура випробувань, °С | ÷0,2 (МПа) | ÷в(МПа) | δ5 (%) | ψ % | KCU (кДж/м2) |
Зразок діаметром 10 мм і завдовжки 50 мм, кований і відпалений. Швидкість деформування 5 мм/хв. Швидкість деформації 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 |
- - - - - - - |
Межі витривалості сталі 12ХН3А | ||
÷-1, МПА | J-1, МПА | Термооброблення |
382 338 382-461 441 |
- 230 216-255 245 |
÷0,2=680 МПа, ÷в=960 МПа, НВ 322 ÷0,2=610 МПа, ÷в=730 МПа, НВ 238 ÷в= 690 МПа, n = 106 ÷в=910 МПа |
Прокачуваність сталі 12ХН3А (ГОСТ 4543-71) | ||||||||||
Відстань від торця, мм | Примітка | |||||||||
1,5 | 3 | 4,5 | 6 | 7,5 | 9 | 12 | 15 | 21 | 27 | Загартування 840 °С |
38,5-43 | 37-43 | 35-42 | 31,5-41 | 25-40,5 | 22-38,5 | 35 | 32 | 28,5 | 26,5 | Твердість для смуг прокалюваності, HRC |
Кількість мартенситу, % | Критичний діаметр у воді | Критичний діаметр у оливі |
50 95 |
32-65 18-29 |
20-50 10-17 |
Фізичні властивості сталі 12ХН3А | ||||||
T (Град) | E 10- 5 (МПа) | a 10 6 (1/Град) | l (Вт/(м·град)) | r (кг/м3) | 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 |
12ХН3А: цифра 12 перед маркою сталі говорить про те, що в ній міститься 1,2% вуглецю, Х — свідчить про невелике утримання хрому менш ніж 1,5%, а Н3 — про те, що є нікель у кількості 3%, буква А на кінці позначення повідомляє, що це високоякісна чиста сталь із вмістом шкідливих сірок і фосфору менш ніж 0,025%. Отже, перед нами легована високоякісна сталь.
Цементація виробів зі сталі 12ХН3А в кип'ячому шарі: на зразках зі сталі 12ХН3А і 18Х2Н4ВА, цементованих за оптимальним режимом, були досліджені режими подальшої термічної обробки для створення повного циклу оброблення в кип'ячому шарі. За наявною технологією деталі з цих сталей піддають після цементації високої відпустки, загартуванні та низької відпустки.
Було вивчено: 1) безпосереднє загартування з цементаційного нагрівання в холодний (20 °C) киплячий шар; 2) загартування в холодний киплячий шар із попереднім підстужуванням від температури цементації 950 до 800 °C; 3) загартування як окрема операція після високої відпустки.
Перші два режими не дали позитивних результатів унаслідок неприпустимої великої кількості залишкового аустеніту: за першим режимом 70-75 і 16-18%, а за другим 19-25 і 7-9% відповідно для сталей 18Х2Н4ба та 12ХНЗА. Тому докладніше був досліджений третій режим.
Відпустка зразків сталі 18Х2Н4ВА після цементації за 950 °C у кип'ятільному шарі (4 год) та гасному в печі Ц-105 (12 год) проводили за 650 °C у трьох різних середовищах однаковими партіями по 30 шт.: в електропечі, в киплячому шарі (на напівпромисловому встановленні Турбомоторного заводу) і в олив'яній ванні. Дослідили кількість залишкового аустеніту (на магнітометрі Штейнберга), ударну в'язкість і твердість залежно від часу витримки. Розподіл вуглецю після цементації в обох випадках було практично однаковим. Зі збільшенням часу витримки кількість залишкового аустеніту знижується, причому найінтенсивніше в перші три години відпустки. Ударна в'язкість несуттєво підвищується, а твердість спочатку дещо збільшується у зв'язку з розпадом залишкового аустеніту, а потім знижується. У разі повторного відпускання твердість, так само як і кількість залишкового аустеніту, знижуються зі збільшенням часу відпустки.
Найцікавіші дані отримані під час вивчення впливу середовища відпустки на кількість залишкового аустеніту. Після відпустки в киплячому шарі кількість аустеніту така сама, як і після відпустки в олив'яній ванні, і приблизно вдвічі менша, ніж після відпустки в електропечі.
Сталь 18Х2Н4ВА після цементації в кип'ячому шарі та високої відпустки за 650 °C упродовж 3 год у киплячому шарі та в електропечі. Охолодження здійснювати після відпустки на повітрі. Залишковий аустеніт під час відпустки в кип'ятільному шарі зазнає більшого розпаду, ніж під час відпускання в електропечі.
Більш інтенсивний розпад залишкового аустеніту після відпустки в кип'ячому шарі, порівнюючи з відпусткою в електропечі, можна пояснити швидкісним нагріванням. Як і під час нагрівання в свинці, напружений стан, характерний дефектами кристалічної будови, у процесі нагрівання зберігається до вищих температур, ніж під час нагрівання в електропечі. Дефекти кристалічної решітки слугують зародковими центрами для виділення карбідної фази, яких у разі швидкісного нагрівання в кип'ятільному шарі та в оливці більше, ніж під час нагрівання в електропечі. У процесі відпускання в кип'ятільному шарі виділяється більше карбідів, що обідає залишковий аустеніт вуглецем. Це викликає підвищення мартенситної точки й більш повний розпад залишкового аустеніту у разі подальшого охолодження. Крім того, у разі швидкісного нагрівання не встигають завершитися процеси перерозподілу легальних елементів. Зокрема, нікель, що не входить до складу карбідів, сноситься під час повільного нагрівання в твердому розчині, і, збагачений нікелем залишковий аустеніт характеризується більшою стійкістю, ніж у разі швидкого нагрівання в кип'ячому шарі.
Порівнювальні експерименти показали, що у разі охолодження відпущених зразків на повітрі кількість залишкового аустеніту виявляється на 20-30% меншою, ніж у разі охолодження в олії. Швидке охолодження в олії веде до мартенситного перетворення частини обіднього залишкового аустеніту, який так само не йде до кінця, тоді як уповільнене охолодження на повітрі стимулює розвиток бейнітного перетворення, що протікає повніше, ніж мартенситне.
За отриманими даними було обрано режим високої відпустки в кип'ячому шарі за 650 °C упродовж трьох годин із подальшим охолодженням на повітрі.
Після відпускання деталі нагрівали до 820 °C в електропечі (2 год) або в кип'ячому шарі (20 хв) і загартували як у холодний кипний шар частинок корунда 120 мкм, так і в олію. Попередньо були зняті термограми охолодження шестерень двох різних розмірів (з товщиною стінки або напіврізністю зовнішнього та внутрішнього діаметрів 18 і 30 мм). У діапазоні температур 820-250 °C шестерня охолоджується в олії кілька швидше, ніж у складі, що кип'ятіє, а за нижчих температур — повільніше. Час охолодження до 220-250 °C в обох середовищах однаково і для меншої й більшої шестерень дорівнює відповідно 1,5 і 2,5 хв. Твердість і структуру після загартування спостерігали безпосередньо на шестернях. Механічні властивості сталей 18Х2Н4ВА та 12ХНЗА визначали на зразках завдовжки 170 мм діаметром відповідно 25 і 21 мм, які пройшли весь описаний вище цикл термообробки. Під час загартування з досліджених чотирьох варіантів вони опинилися практично однаковими. Кількість залишкового аустеніту під час нагрівання в кип'ятільному шарі була меншою, ніж у разі нагрівання в електропечі, а за однакових умов нагрівання загартування в кип'ятільному шарінду менше залишкового аустеніту, ніж загартування в оливі. Структура після загартування в кип'ятільному шарі та олії була практично однаковою: цементований шар складається з дрібногольчастого мартенситу, карбідів і залишкового аустеніту, а серцевина — з перліту та фериту (сталь 12ХН3А) або бейніту (сталь 18Х2Н4ВА).
Унаслідок цього було обрано найшвидший варіант загартування, що дає до того ж найменшу кількість залишкового аустеніту: нагрівання в кип'ячому шарі до 820 °C з витримкою (що має час 20 хв) й охолодження в холодному киплячому шарі (10 хв).
Насамкінець проведено порівняння результатів випробувань цементованої сталі 12ХН3А на зносостійкість, статичну міцність під час розтягування та втому після цементації та подальшої термообробки в кип'ячому шарі з результатами термічної обробки за наявної технології.
Процес термооброблення був зроблений у трьох варіантах.
I. Технологія: цементація (930 °C, 10 год) — охолодження на повітрі — висока відпустка (650 °C, 9 год) — загартування (800 °C, 2 год) низька відпустка (170 °C, 3 год).
II. У киплячому шарі: цементація (950 °C, 2,5 год) — загартування з підстубуванням — низькотемпературна відпустка (170 °C, 2 год).
III. У кип'ятільному шарі: цементація (950 °C, 2,5 год) — охолодження на повітрі — висока відпустка (650 °C, 3 год) — загартування (820 °C, 1/3 год) — низька відпустка (170 °C, 2 год).
Зносостійкість відчували на машині M-1М (цикл 15 000 обертів) під час тертя кочення з прослизанням без змащення під час зручного тиску в місці контакту, що випаровується, 39 кгс/мм2, що відповідає затишному тиску в зубах шестерень дизелю та швидкості обертання еталонів 320 і 400 об/хв. Втрата маси зразків становила 581-647 мг, 466-483 мг і 430-461 мг відповідно під час оброблення за I, II та III варіантами. Отже, найкращим виявився варіант III.
Статичну міцність стали відчувати на зразках робочим діаметром 8 мм із глибокими кільцевими концентраторами напружень гіперболічного профілю. Радіус розрізу міняли від 0,18 до 7 мм, що відповідало широкому діапазону коефіцієнтів концентрації напруг ао от 1,0 до 6,04. Видно, що середнє значення пров за варіантами I та III практично однаково, проте варіант III найкращий, оскільки за такого оброблення, на відміну від оброблення за наявною технологією ÷в майже не залежить відо.
Втомлену міцність сталі 12ХНЗА випробували на машині МВП-10 000 за чистого вигину з обертанням, частоті 83 Гц і базі випробувань 5.106 циклів. Випробування здійснюють на 75 аналогічних зразках, режими I та III дають однакові та дещо найкращі результати, ніж режим II.
За результатами зазначених випробувань для промислової експлуатації може бути рекомендований наступний оптимальний режим цементації та подальшого термооброблення деталей зі сталей 18ХНВА і 12ХН3А: цементація за Ав = 0,26-0,28 з добавкою 15% природного газу за 950 °C, 2,5 (10) ч — охолодження на повітрі — високе відпускання, 650 °C, 3 (9) год — охолодження на повітрі — нагрівання під загартування до 820 °C в киплячому шарі та витримка 20 хв (2 год) — охолодження в кип'ячому шарі — низький відпустку в кип'ятільному шарі 170 °C, 2 (3) год. Застосування шару кипляче дає змогу скоротити повний цикл оброблення втричі, тобто з 24 до 8 год, отримавши такі ж міцні показники. Водночас глибина цементованого шару становить 1,1-1,4 мм, а поверхнева концентрація вуглецю (з урахуванням його перерозподілу під час охолодження та високої відпустки) 0,9-1,0% С.
За відпрацьованими оптимальними режимами були цементовані шестерні різних діаметрів від 50 до 120 мм, валики, тарілки клапанів, розпилювачі, деталі складної конфігурації, що мають вузькі отвори.