Сталь марки 18Х2Н4ВА

Марка: 18Х2Н4ВА	Класс: Сталь конструкционная легированная
Использование в промышленности: в цементованном и улучшенном состоянии применяется для ответственных деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, вязкости и износостойкости, а также для деталей, подвергающихся высоким вибрационным и динамическим нагрузкам. Сталь может применяться при температуре от —70 до +450 °С.

Химический состав в % стали 18Х2Н4ВА
C	0,14 - 0,2
Si	0,17 - 0,37
Mn	0,25 - 0,55
Ni	4 - 4,4
S	до 0,025
P	до 0,025
Cr	1,35 - 1,65
W	0,8 - 1,2
Cu	до 0,3
Fe	~92

Зарубежные аналоги марки стали 18Х2Н4ВА
Германия	1.6587, 17CrNiMo6
Япония	SNCM815
Франция	18NCD6
Англия	820A16
Испания	14NiCrMo13

Дополнительная информация и свойства

Термообработка: Закалка 950oC, масло, Отпуск 550oC, воздух,

Твердость материала: HB 10 -1 = 269 МПа

Механические свойства стали 18Х2Н4ВА при Т=20oС
Прокат	Размер	Напр.	σв(МПа)	sT (МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)
Пруток	Ж 15		1050	800	12	50

Физические свойства стали 18Х2Н4ВА
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			7950
100		11.7	36	7930
200		12.2	36	7900
300		12.7	35	7860
400		13.1	35	7830
500		13.5	34	7800
600		13.9	33	7760

Расшифровка марки стали 18Х2Н4ВА: цифра 18 перед маркой стали говорит о том, что в ней содержится 1,8% углерода, Х2 - свидетельствует о содержании хрома около 2%, а Н4 - о том что имеется никель в количестве 4%, В - о небольшом содержании вольфрама, буква А на конце обозначения сообщает, что это высококачественная чистая сталь с содержанием вредных серы и фосфора менее 0,025%. Таким образом перед нами легированная высококачественная сталь.

Термообработка изделий из стали 18Х2Н4ВА: по существующей технологии главные шатуны из стали 40Х1НВА (длиной 410 мм) нагревают в электропечи без защитной атмосферы в течение 4 ч и закаливают в масле. Прицепные шатуны из стали 18Х2Н4ВА (длиной 300 мм) нагревают в ящике с пропитанной маслом ветошью и охлаждают на воздухе. При этом окисная пленка на прицепных шатунах составляет 50-60 мкм, а на главных 60-80 мкм, а иногда - более 150 мкм. Толщина обезуглероженного слоя на шатунах из сталей 18Х2Н4ВА и 40Х1НВА составляет соответственно 120-200 и 300 мкм.

В процессе наладки работы печи с кипящим слоем и определения режимов термообработки в каждую загружаемую в печь садку помещали 2-4 шатуна-термозонда, предназначенных для определения скорости нагрева и охлаждения. Кроме того, из каждой садки (в 48-66 шатунов) 10-15 шатунов подвергали испытанию на механические свойства, исследовали структуру, окисление и обезуглероживание.

Металлографически определяли толщину окисной пленки на поверхности шатунов, причем с помощью химического никелирования удавалось зафиксировать окисные пленки толщиной до 2 мкм. Весовым методом находили величину угара металла на образцах-свидетелях диаметром 15,l = 30 мм из стали 18Х2Н4ВА. Данные, полученные весовым и металлографическим методами, хорошо совпадают.

Результаты исследований по окислению и обезуглероживанию поверхности шатунов из сталей 40Х1НВА и 18Х2Н4ВА, термообработанных в кипящем слое, приведены, откуда видно, что при а_в = 0,25-0,45 нагрев шатунов является практически безокислительным.

Обезуглероживание определяли металлографически и по распределению микротвердости от поверхности к центру по тавру шатунов после их термообработки при а_в = 0,25-0,45, t_к.с = 930° С. Для шатунов из стали 18Х2Н4ВА обезуглероживание и науглероживание отсутствуют при a_в = 0,26ч-0,36, а из стали 40X1НВА при а_в=0,25-0,27. Нагрев шатунов под закалку в указанных диапазонах а_в для обеих сталей является практически необезуглероживающим и безокислительным.

Для исследования кинетики аустенитизации и влияния времени выдержки на рост зерна стали 18Х2Н4ВА шатуны по одному нагревали в кипящем слое при 930° С с выдержками 1, 2, 3, 5, 10, 15, 30, 45 и 60 мин. После их охлаждения в кипящем слое определяли механические свойства, исследовали структуру и величину зерна в металле, взятом из тавра шатуна.

На основании полученных данных можно заключить, что для аустенитизации одного шатуна достаточно 5 мин. При меньших выдержках шатун не закаливается, механические свойства получаются низкими, в структуре наблюдаются участки сорбита. При нагреве в течение 3-30 мин аустенитизация проходит полностью, зерно мелкое, структура мелкодисперсная.

ТОЛЩИНА ОКИСНОЙ ПЛЕНКИ ПРИ НАГРЕВЕ СТАЛИ 18Х2Н4ВА

Термообработка	Угар Х10-3 г/см2	Толщина окисной пленки, мкм
		Весовым методом	металлографическим
В электропечи
Нагрев 880° С, 4 ч, охлаждение на воздухе	32,3-30,4	56,5-23,4	50-60
Нагрев 880° С, 4 ч, охлаждение в воде	16,2-15,0	28,4-26,4	25-30
В кипящем слое
Нагрев 930° С, 20 мин, αв=0,38; охлаждение в кипящем слое	1,15-1,37	2,02-2,40	2-3
Нагрев 930° С, 20 мин, αв=0,28; охлаждение в кипящем слое	1,03-0,90	1,80-1,60	2-3

При выдержках более 45 мин начинается рост зерна, мартенсит имеет средне- и крупноигольчатое строение.

Специальные опыты показали, что при слишком тесном размещении прицепных шатунов (в шесть практически сплошных рядов из 11 шатунов в каждом; живое сечение садки 25%) псевдоожижение между шатунами было плохим, что приводило к неравномерному прогреву. Омывание всех шатунов стало равномерным при уменьшении числа шатунов в садке до 54 шт. (живое сечение 43%, масса 150 кг). Аналогичными опытами было найдено, что число главных шатунов в садке не должно превышать 18 для заданных размеров печи. Оптимальные по теплообмену садки изображены.

ОКИСЛЕНИЕ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕ ШАТУНОВ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ КОЭФФИЦИЕНТАХ РАСХОДА ВОЗДУХА

αв	Состав продуктов сгорания, % (объемн.)							Шатуны из стали 40Х1НВА		Шатуны из стали 18Х2Н4ВА
	Н2	СО	СН4	СО2	О2	Н2О	N2	окисление, мкм	Обезуглероживание, мкм	Окисление, мкм	Обезуглероживание, мкм
0,450	24,5	13	Нет	4,3	Нет	9,5	48,7	5-7	180	3-5	65
0,380	25,4	14,3	»	3,4	»	6,4	50,5	5-7	150	2-3	Нет
0,300	35,8	17,9	0,5	1,2	»	2,7	41,9	5-7	120	2-3	»
0,280	37,1	18,6	0,6	0,6	»	1,6	41,5	5-7	90	2-3	»
0,270	38,0	19,5	0,2	0,7	0,05	1,1	40,5	5-7	Нет	2-3	»
0,265	38,0	20,1	0,1	0,5	0,1	0,8	40,5	3-5	»	2-3	»
0,260	38,5	20,0	0,5	0,2	Нет	0,5	40,3	3-5	»	2-3	»
0,250	39,1	20,0	0,6	0,3	»	0	40,0	3-5	»	2-3	Науглероживание 65

При периодической загрузке печи с кипящим слоем время цикла определяется не только временем собственно нагрева деталей, но и временем восстановления температуры кипящего слоя, уменьшающейся в результате погружения в него холодных деталей, что подробнее описано. Колебания температуры слоя уменьшаются с уменьшением массы садки и увеличением количества псевдоожиженного материала (высоты слоя). Температура кипящего слоя высотой 450 мм (в осажденном состоянии) уменьшается на 30-35° С вследствие погружения оптимальной садки и после удаления садки довольно быстро восстанавливается до исходной. При исходной температуре слоя 960° С время нагрева садки шатунов до заданной температуры (900° С) составляет 10-12 мин. При этом скорость нагрева садок шатунов в интервале температур от 20° С до критических точек сталей (700-720° С) составляет 250-400° С/мин. Для сравнения укажем, что скорость нагрева садки в электропечи составляет всего 6-12° С/мин.

СВОЙСТВА ШАТУНОВ ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

Примечание. По ТУ допускаются следующие значения: НВ321-388; σ_в ≥ 115 кгс/мм²; σ_s ≥ 85,0 кгс/мм²; δ ≥ 10%; Ψ ≥ 45%, а_н ≥ 10,0 кгс · м/см².

Результаты металлографического анализа и механических испытаний шатунов показали, что при нагреве в кипящем слое практически не нужна выдержка, и общее время нагрева садки под закалку (15-20 мин) достаточно для завершения необходимых превращений в сталях. При нагреве данных сталей в кипящем слое их структура более дисперсна и размер зерна меньше (10 баллов), чем при нагреве в электропечи (8-9 баллов).

Опыты показали, что охлаждение шатунов из стали 18Х2Н4ВА на воздухе после безокислительного необезуглероживающего их нагрева в кипящем слое приводит к их обезуглероживанию на глубину до 150 мкм и появлению окисной пленки толщиной 10- 12 мкм. Поэтому было решено в отличие от существующей технологии охлаждать эти шатуны в кипящем слое. Чтобы исключить операцию отмывки от масла, шатуны из стали 40Х1НВА закаливали не в масле, а в кипящем слое.

Поверхность деталей после закалки в кипящем слое чистая, налипания корунда на детали не наблюдается.

Термограммы охлаждения шатунов подтвердили, что кипящий слой корунда (340-400 мкм) характеризуется несколько меньшей охлаждающей способностью, чем масло, но гораздо большей, чем спокойный воздух.

Механические свойства шатунов из стали 40Х1НВА при закалке их в масле и в кипящем слое одинаковы.

Шатуны из стали 18Х2Н4ВА, закаленные в кипящем слое, отличались более высокими показателями прочности и твердости, чем после закалки на воздухе.

По существующей технологии термообработки шатуны из стали 18Х2Н4ВА подвергают низкому отпуску при 210° С в течение 4 ч, а шатуны из стали 40Х1НВА - высокому отпуску при 580-600° С в течение 4-5 ч. Была проведена серия опытов по различным режимам отпуска садок шатунов в печи с кипящим слоем. При этом низкий отпуск шатунов из стали 18Х2Н4ВА был заменен на высокий при 500° С, а для стали 40X1 НВА температура высокого отпуска была оставлена прежней.

Отпуск садки шатунов осуществляли в «холодной» камере установки. Чтобы получить в ней требуемые для отпуска температуры (500-600° С), в качестве псевдоожижающего агента использовали воздух, а через специальные сопла в зону всплесков кипящего слоя подавали газо-воздушную смесь.

Oтпуск после скоростного нагрева требует значительно меньшего времени, чем после обычного нагрева в электропечи. Наши эксперименты, в которых время отпуска изменялось от 15 мин до 3 ч, показали, что для шатунов из данных сталей достаточным является отпуск в течение 30 мин. Критерием оценки продолжительности отпуска явились результаты механических испытаний шатунов. Всего было испытано 140 шатунов.

В результате проведенных исследований были определены оптимальные режимы скоростного безокислительного и необезуглероживающего нагрева под закалку, режимы охлаждения и скоростного отпуска шатунов в опытно-промышленном агрегате с кипящим слоем.

По этим режимам были проведены контрольные испытания полупромышленной печи с кипящим слоем при ее циклической загрузке. При этом было термически обработано свыше 600 шатунов (-1,5 т).

При оптимальном размещении шатунов в садке все они прогреваются и охлаждаются практически одновременно. Механические свойства и твердость шатунов из сталей 18Х2Н4ВА и 40Х1НВА после выбранных режимов нагрева, закалки и отпуска в кипящем слое стабильны и удовлетворяют техническим условиям, причем ударная вязкость получается выше, чем при существующей технологии.

Окисление и обезуглероживание поверхности практически не происходит.

Структура шатунов из сталей 40Х1НВА и 18Х2Н4ВА после полного цикла термообработки в кипящем слое представляет собой сорбит отпуска.

Испытания при циклической загрузке печи садками из прицепных и главных шатунов показали, что тепловой режим горячей и холодной камер стабилен во времени, производительность печи составляет 380 кг/ч. Время, затрачиваемое на общий цикл термообработки, сокращается в 4 раза, в том числе время нагрева под закалку - в 12 раз, а продолжительность отпуска - в 8 раз по сравнению с существующей технологией.

Поскольку существующие нормы ограничивают допустимое коробление шатунов после термообработки (прогиб по тавру не более 0,6 мм, скручивание осей головок - не более 0,3 мм), были выполнены тщательные обмеры 164 шатунов до их обработки в кипящем слое и после нее, и по этим данным были построены частотные кривые распределения деформаций как главных (длиной 410 мм), так и прицепных (длиной 300 мм) шатунов. После термообработки в кипящем слое с нагревом до 930° С частотные кривые деформаций практически не изменились, т. е. деформации в процессе термообработки не увеличились. При нагреве шатунов до 1020° С скручивание осей головок также не изменилось, а наиболее вероятный прогиб по тавру увеличился на 0,1-0,2 мм, однако и в этом (не предусмотренном технологией) случае максимальная деформация не выходила за пределы допуска.