Главная  >  Справочник  >  Сталь конструкционная легированная 20ХН

Сталь конструкционная легированная 20ХН: описание, свойства, применение

Сталь 20ХН – конструкционная легированная сталь, широко применяемая в машиностроении и других отраслях промышленности. Она отличается высокой прочностью, вязкостью и износостойкостью, что позволяет использовать ее для изготовления деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и ударных воздействий.

1. Общие сведения о стали 20ХН

Марка стали 20ХН относится к группе хромоникелевых сталей. Цифра "20" в обозначении указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента (в данном случае, около 0.20%). Буквы "Х" и "Н" обозначают основные легирующие элементы: хром (Cr) и никель (Ni), соответственно. Отсутствие цифр после букв говорит о том, что содержание этих элементов находится в пределах 1-1.5%.

Сталь 20ХН обладает хорошей прокаливаемостью, что позволяет получать высокую твердость и прочность в толстых сечениях. Она также хорошо поддается термической обработке, что дает возможность регулировать ее механические свойства в широком диапазоне. Свариваемость стали 20ХН ограничена и требует предварительного подогрева и последующей термообработки.

2. Химический состав стали 20ХН (ГОСТ 4543-2016)

Химический состав стали 20ХН строго регламентируется ГОСТ 4543-2016 "Сталь конструкционная легированная. Марки". Представленная ниже таблица содержит предельные значения содержания элементов в процентах:

Элемент	Содержание (%)
Углерод (C)	0.17 - 0.23
Кремний (Si)	0.17 - 0.37
Марганец (Mn)	0.50 - 0.80
Никель (Ni)	1.25 - 1.75
Хром (Cr)	0.80 - 1.10
Медь (Cu)	≤ 0.30
Сера (S)	≤ 0.025
Фосфор (P)	≤ 0.025
Мышьяк (As)	≤ 0.08
Кислород (O)	≤ 0.006

Расшифровка влияния элементов:

• Углерод (C): Основной элемент, определяющий прочность и твердость стали. Повышенное содержание углерода увеличивает прочность, но снижает пластичность и свариваемость.
• Кремний (Si): Раскислитель, повышает прочность и упругость стали.
• Марганец (Mn): Раскислитель, улучшает прокаливаемость и повышает прочность стали. Связывает серу, предотвращая образование хрупкого сульфида железа.
• Никель (Ni): Повышает прочность, вязкость и коррозионную стойкость стали. Улучшает прокаливаемость.
• Хром (Cr): Повышает прочность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость стали. Улучшает прокаливаемость.
• Медь (Cu): В небольших количествах может улучшить коррозионную стойкость.
• Сера (S): Вредная примесь, снижает пластичность и свариваемость стали.
• Фосфор (P): Вредная примесь, повышает хладноломкость стали.
• Мышьяк (As): Вредная примесь.
• Кислород (O): Вредная примесь.

3. Механические свойства стали 20ХН

Механические свойства стали 20ХН зависят от режима термической обработки. Ниже приведены типичные значения для различных состояний поставки (ГОСТ 4543-2016):

Термическая обработка: Нормализация + Отпуск

Свойство	Значение	Единица измерения
Предел прочности (σв)	690 - 880	МПа
Предел текучести (σт)	≥ 490	МПа
Относительное удлинение (δ)	≥ 17	%
Относительное сужение (ψ)	≥ 50	%
Ударная вязкость (KCU)	≥ 78	Дж/см2
Твердость (HB)	≤ 269

Термическая обработка: Закалка + Высокий отпуск

Свойство	Значение	Единица измерения
Предел прочности (σв)	830 - 980	МПа
Предел текучести (σт)	≥ 590	МПа
Относительное удлинение (δ)	≥ 15	%
Относительное сужение (ψ)	≥ 45	%
Ударная вязкость (KCU)	≥ 59	Дж/см2
Твердость (HB)	≤ 285

Расшифровка обозначений:

• σ_в (Предел прочности): Максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения. Характеризует сопротивление материала разрушению при растяжении.
• σ_т (Предел текучести): Напряжение, при котором материал начинает деформироваться пластически, то есть необратимо. Характеризует сопротивление материала деформации.
• δ (Относительное удлинение): Относительное изменение длины образца после разрыва по сравнению с его первоначальной длиной. Характеризует пластичность материала.
• ψ (Относительное сужение): Относительное изменение площади поперечного сечения образца после разрыва по сравнению с его первоначальной площадью. Характеризует пластичность материала.
• KCU (Ударная вязкость): Мера сопротивления материала разрушению при ударных нагрузках. Определяется как работа, затраченная на разрушение образца с надрезом.
• HB (Твердость по Бринеллю): Мера сопротивления материала вдавливанию твердого индентора.

4. Физические свойства стали 20ХН

Физические свойства стали 20ХН также важны для ее применения. Ниже приведены типичные значения:

Свойство	Значение	Единица измерения
Плотность	7850	кг/м3
Модуль упругости (E)	2.06 x 105	МПа
Коэффициент линейного теплового расширения (α)	12 x 10-6	1/°C (в диапазоне 20-100°C)
Теплопроводность (λ)	44	Вт/(м·°C)
Удельная теплоемкость (c)	480	Дж/(кг·°C)
Электрическое сопротивление (ρ)	0.25 - 0.30	мкОм·м

Расшифровка обозначений:

• Плотность: Масса единицы объема материала.
• Модуль упругости (E): Мера сопротивления материала упругой деформации (деформации, которая исчезает после снятия нагрузки).
• Коэффициент линейного теплового расширения (α): Относительное изменение длины материала при изменении температуры на 1 градус Цельсия.
• Теплопроводность (λ): Способность материала проводить тепло.
• Удельная теплоемкость (c): Количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг материала на 1 градус Цельсия.
• Электрическое сопротивление (ρ): Способность материала оказывать сопротивление прохождению электрического тока.

5. Области применения стали 20ХН

Благодаря своим высоким механическим свойствам, сталь 20ХН широко применяется в различных отраслях промышленности, в частности:

• Автомобилестроение: Изготовление шестерен, валов, осей, кулачков и других деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и износа. Примеры: шестерни коробок передач, коленчатые валы (в некоторых случаях), детали рулевого управления.
• Тракторостроение и сельскохозяйственное машиностроение: Изготовление деталей трансмиссии, ходовой части и других узлов, подверженных высоким нагрузкам и износу. Примеры: шестерни редукторов, валы отбора мощности, пальцы гусениц.
• Авиастроение: Изготовление ответственных деталей двигателей и шасси. Примеры: шестерни редукторов, валы турбин (в некоторых случаях).
• Станкостроение: Изготовление зубчатых колес, валов, шпинделей и других деталей, требующих высокой точности и износостойкости.
• Энергетическое машиностроение: Изготовление деталей турбин, насосов и другого оборудования.
• Железнодорожный транспорт: Изготовление деталей вагонов и локомотивов.
• Нефтегазовая промышленность: Изготовление деталей бурового оборудования и трубопроводной арматуры.

В общем, сталь 20ХН применяется для изготовления деталей, требующих высокой прочности, износостойкости, вязкости и работающих в условиях высоких динамических нагрузок, вибраций и ударных воздействий.

6. Виды металлопроката из стали 20ХН

Сталь 20ХН поставляется в различных видах металлопроката:

• Круг: Наиболее распространенный вид проката, используется для изготовления валов, осей, шестерен и других деталей.
• Квадрат: Используется для изготовления различных деталей, требующих квадратного сечения.
• Полоса: Используется для изготовления плоских деталей, таких как планки, накладки и т.д.
• Лист: Используется для изготовления корпусов, обшивок и других крупногабаритных деталей.
• Труба: Используется для изготовления трубопроводов и других конструкций, требующих полого сечения.
• Поковки: Изготавливаются по индивидуальным заказам для деталей сложной формы.

Выбор вида металлопроката зависит от конкретного применения и требований к детали.

7. ГОСТы, регламентирующие сталь 20ХН и металлопрокат из нее

Существует ряд ГОСТов, регламентирующих сталь 20ХН и металлопрокат из нее:

• ГОСТ 4543-2016: "Сталь конструкционная легированная. Марки." Основной ГОСТ, определяющий химический состав, механические свойства и другие характеристики стали 20ХН.
• ГОСТ 2590-2006: "Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент." Регламентирует сортамент круглого проката.
• ГОСТ 2591-2006: "Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент." Регламентирует сортамент квадратного проката.
• ГОСТ 103-2006: "Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент." Регламентирует сортамент полосового проката.
• ГОСТ 19903-2015: "Прокат листовой горячекатаный. Сортамент." Регламентирует сортамент листового проката.
• ГОСТ 8732-78: "Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент." Регламентирует сортамент горячедеформированных труб.
• ГОСТ 8734-75: "Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные. Сортамент." Регламентирует сортамент холоднодеформированных труб.
• ГОСТ 8479-70: "Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия." Регламентирует технические условия на поковки.
• ГОСТ 7566-2018: "Металлопродукция. Приемка, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение." Общие требования к приемке, маркировке, упаковке, транспортированию и хранению металлопродукции, включая сталь 20ХН.
• ГОСТ 977-88: "Отливки стальные. Общие технические условия." распространяется на стальные отливки, в том числе, которые могут быть изготовлены из стали 20ХН.

При заказе и использовании стали 20ХН необходимо руководствоваться указанными ГОСТами, чтобы обеспечить соответствие материала требованиям к конкретному применению.

8. Операции в цехах, производимые с использованием материалов из стали 20ХН

В различных цехах предприятий выполняются разнообразные технологические операции с применением стали 20ХН:

• Механическая обработка (механический цех): Этот цех занимается обработкой стали 20ХН для придания ей нужной формы и размеров. Включает в себя:
  • Токарная обработка: Изготовление деталей вращения (валы, оси, шестерни) на токарных станках.
  • Фрезерная обработка: Изготовление деталей сложной формы с использованием фрезерных станков.
  • Сверление: Создание отверстий в заготовках.
  • Шлифование: Достижение высокой точности и гладкости поверхности деталей.
  • Зубонарезание: Нарезание зубьев на шестернях и зубчатых колесах.
• Термическая обработка (термический цех): Этот цех отвечает за изменение механических свойств стали 20ХН путем нагрева и охлаждения.
  • Закалка: Нагрев стали до определенной температуры с последующим быстрым охлаждением для повышения твердости и прочности.
  • Отпуск: Нагрев закаленной стали до более низкой температуры для снижения внутренних напряжений и повышения вязкости.
  • Нормализация: Нагрев стали до определенной температуры с последующим охлаждением на воздухе для улучшения структуры и снятия внутренних напряжений.
  • Цементация (иногда): Насыщение поверхности стали углеродом для повышения износостойкости.
• Сварочное производство (сварочный цех): Этот цех занимается соединением деталей из стали 20ХН с использованием сварки. Следует учитывать, что сталь 20ХН имеет ограниченную свариваемость и требует предварительного подогрева и последующей термообработки для снятия напряжений.
  • Дуговая сварка: Наиболее распространенный вид сварки.
  • Газовая сварка: Используется реже, чем дуговая.
  • Контактная сварка: Используется для соединения листов и полос.
• Кузнечно-прессовое производство (кузнечный цех):
  • Ковка: Придание заготовке необходимой формы с помощью ударов молота или пресса. Используется для изготовления крупных деталей сложной формы.
  • Штамповка: Изготовление деталей путем деформации заготовки в штампе.
• Литейное производство (литейный цех): Изготовление деталей путем заливки расплавленной стали 20ХН в форму. Этот метод позволяет получать детали сложной формы с минимальной механической обработкой (применимо, если деталь изготавливается из стали 20ХН литьем, что бывает реже).
• Инструментальный цех: Изготовление и ремонт инструмента и оснастки, используемых в других цехах. Некоторые элементы инструмента (например, оправки, цанги) могут быть изготовлены из стали 20ХН для обеспечения необходимой прочности и износостойкости.
• Цех покрытий (гальванический цех): Нанесение защитных и декоративных покрытий на детали из стали 20ХН для повышения коррозионной стойкости и улучшения внешнего вида. Примеры: цинкование, никелирование, хромирование.

Таким образом, сталь 20ХН является важным материалом для различных производственных процессов, требующих высокой прочности, износостойкости и надежности деталей. Правильный выбор режима обработки и соблюдение требований ГОСТов обеспечивают получение деталей с оптимальными характеристиками для конкретного применения.