Главная  >  Справочник  >  Сталь конструкционная легированная 20ХН4ФА

Сталь конструкционная легированная 20ХН4ФА: описание, свойства, применение

Сталь 20ХН4ФА – это высококачественная конструкционная легированная сталь, предназначенная для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях высоких нагрузок, ударных воздействий и требующих повышенной прочности и износостойкости. Широко используется в машиностроении, авиастроении, судостроении и других отраслях промышленности, где требуется надежность и долговечность конструкций.

Свойства стали 20ХН4ФА:

• Высокая прочность: Обеспечивается оптимальным сочетанием легирующих элементов и термообработкой. Сталь способна выдерживать значительные статические и динамические нагрузки.
• Высокая вязкость: Легирование никелем (Ni) и марганцем (Mn) обеспечивает хорошую вязкость, что делает сталь устойчивой к хрупкому разрушению при ударных нагрузках и низких температурах.
• Высокая износостойкость: Наличие хрома (Cr) и ванадия (V) способствует образованию карбидов, повышающих твердость и износостойкость поверхности.
• Хорошая обрабатываемость: Несмотря на высокую прочность, сталь 20ХН4ФА хорошо поддается обработке резанием, штамповке и ковке.
• Высокая прокаливаемость: Благодаря комплексному легированию сталь обладает высокой прокаливаемостью, что позволяет получать равномерную структуру и свойства в толстых сечениях.
• Свариваемость: Ограниченно свариваемая. Рекомендуется применять предварительный подогрев и последующую термообработку для снятия напряжений.
• Устойчивость к отпускной хрупкости: Сталь 20ХН4ФА менее склонна к отпускной хрупкости, чем многие другие легированные стали, что позволяет использовать ее в широком диапазоне температур.

Химический состав стали 20ХН4ФА (ГОСТ 4543-71):

Элемент	Содержание (%)
Углерод (C)	0.17 - 0.23
Кремний (Si)	0.17 - 0.37
Марганец (Mn)	0.30 - 0.60
Никель (Ni)	3.70 - 4.20
Хром (Cr)	0.90 - 1.20
Фосфор (P)	≤ 0.025
Сера (S)	≤ 0.025
Ванадий (V)	0.10 - 0.18
Медь (Cu)	≤ 0.30

Расшифровка обозначения стали 20ХН4ФА:

• 20: Обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента (0.20%).
• Х: Обозначает наличие хрома (Cr) в стали.
• Н: Обозначает наличие никеля (Ni) в стали.
• 4: Указывает на примерное содержание никеля в процентах (около 4%).
• Ф: Обозначает наличие ванадия (V) в стали.
• А: Указывает на высококачественную сталь.

Механические свойства стали 20ХН4ФА (ГОСТ 4543-71):

Механические свойства стали 20ХН4ФА зависят от режима термообработки. Приведены типичные значения для различных состояний поставки:

• После нормализации и отпуска:
  • Временное сопротивление (σ_в): 880 - 1080 МПа
  • Предел текучести (σ_т): 685 - 880 МПа
  • Относительное удлинение (δ₅): 12 - 16 %
  • Относительное сужение (ψ): 50 - 60 %
  • Ударная вязкость (KCU): 78 - 98 Дж/см²
  • Твердость (HB): 269 - 321
• После закалки и высокого отпуска:
  • Временное сопротивление (σ_в): 780 - 980 МПа
  • Предел текучести (σ_т): 590 - 785 МПа
  • Относительное удлинение (δ₅): 14 - 18 %
  • Относительное сужение (ψ): 55 - 65 %
  • Ударная вязкость (KCU): 98 - 118 Дж/см²
  • Твердость (HB): 229 - 285

Физические свойства стали 20ХН4ФА:

• Плотность: 7850 кг/м³
• Модуль упругости: 2.1 * 10⁵ МПа
• Коэффициент линейного расширения (α): 12 * 10^-6 / °C (в диапазоне 20-100 °C)
• Теплопроводность (λ): 34 Вт/(м*°C)
• Удельная теплоемкость (c): 460 Дж/(кг*°C)
• Электрическое сопротивление (ρ): 0.22 * 10^-6 Ом*м

Применение стали 20ХН4ФА:

Сталь 20ХН4ФА используется для изготовления широкого спектра ответственных деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и требующих высокой прочности, износостойкости и вязкости. Основные области применения:

• Авиастроение:
  • Шестерни и валы редукторов авиационных двигателей
  • Детали шасси
  • Компоненты гидравлических систем
  • Крепежные элементы, работающие при высоких нагрузках
• Машиностроение:
  • Шестерни, валы, зубчатые колеса тяжелонагруженных редукторов
  • Кулачки, толкатели, распределительные валы двигателей внутреннего сгорания
  • Детали коробок передач
  • Элементы гидросистем (плунжеры, штоки, цилиндры)
  • Крупные кованые детали, подвергающиеся значительным нагрузкам
• Судостроение:
  • Гребные валы
  • Детали рулевого управления
  • Компоненты судовых двигателей
• Энергетическое машиностроение:
  • Роторы турбин
  • Детали паровых котлов
  • Элементы насосного оборудования
• Транспортное машиностроение:
  • Детали железнодорожного транспорта (оси, валы)
  • Шестерни и валы автомобильных трансмиссий
  • Компоненты рулевого управления
• Другие отрасли:
  • Производство бурового оборудования
  • Изготовление штампов и пресс-форм
  • Производство инструментов, работающих под ударными нагрузками

Виды металлопроката из стали 20ХН4ФА:

Сталь 20ХН4ФА поставляется в различных видах металлопроката, что позволяет использовать ее для изготовления деталей различной формы и размеров:

• Круг: Наиболее распространенный вид проката, используется для изготовления валов, осей, шестерен и других деталей вращения.
• Квадрат: Используется для изготовления различных деталей, требующих высокой прочности.
• Поковка: Поковки используются для изготовления крупных и сложных деталей, требующих высокой прочности и однородности структуры.
• Лист: Используется для изготовления сварных конструкций, корпусов и других деталей.
• Трубы: Используются в качестве элементов трубопроводов, работающих под высоким давлением.

ГОСТы, регламентирующие сталь 20ХН4ФА и металлопрокат из нее:

• ГОСТ 4543-71: Сталь легированная конструкционная. Марки. (Определяет химический состав и основные требования к стали 20ХН4ФА)
• ГОСТ 2590-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент.
• ГОСТ 2591-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент.
• ГОСТ 8479-70: Поковки из конструкционной легированной и углеродистой стали. Общие технические условия.
• ГОСТ 1050-2013: Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из нелегированной конструкционной качественной и специальной стали. Общие технические условия. (Может применяться к сортовому прокату из стали 20ХН4ФА)
• ГОСТ 14959-2016: Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из легированной конструкционной стали. Общие технические условия.
• ГОСТ 7566-2018: Металлопродукция. Приемка, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение.

Операции в цехах, производимые с использованием материалов из стали 20ХН4ФА:

Сталь 20ХН4ФА используется на различных этапах производства, от заготовительного цеха до финишной обработки готовых деталей. Вот основные операции, где применяется сталь этой марки:

• Заготовительный цех:
  • Резка: Разрезание сортового проката (круга, квадрата, листа) на заготовки требуемой длины с использованием ленточнопильных станков, дисковых пил, газовой резки или плазменной резки.
  • Ковка: Изготовление поковок заданной формы и размеров на кузнечно-прессовом оборудовании (молотах, прессах). Ковка позволяет получить оптимальную структуру металла и улучшить его механические свойства.
• Механический цех:
  • Токарная обработка: Обработка заготовок на токарных станках для придания им цилиндрической или конической формы, нарезания резьбы, выполнения канавок и других операций.
  • Фрезерная обработка: Обработка заготовок на фрезерных станках для создания плоских поверхностей, пазов, канавок, зубьев шестерен и других сложных профилей.
  • Сверление: Создание отверстий различного диаметра в заготовках.
  • Шлифование: Финишная обработка деталей для достижения высокой точности размеров и шероховатости поверхности.
  • Зубонарезание: Изготовление зубьев шестерен и зубчатых колес на зубофрезерных, зубодолбежных или зубошлифовальных станках.
• Термический цех:
  • Закалка: Нагрев стали до определенной температуры с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле или на воздухе) для повышения твердости и прочности.
  • Отпуск: Нагрев закаленной стали до температуры ниже температуры аустенизации для снижения внутренних напряжений и повышения вязкости.
  • Нормализация: Нагрев стали до температуры аустенизации с последующим охлаждением на воздухе для улучшения структуры и механических свойств.
  • Цементация (иногда): Насыщение поверхностного слоя стали углеродом для повышения твердости и износостойкости. После цементации следует закалка и отпуск.
  • Азотирование (иногда): Насыщение поверхностного слоя стали азотом для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.
• Сварочный цех (ограниченно):
  • Сварка: Соединение деталей из стали 20ХН4ФА с использованием различных методов сварки (дуговая сварка, газовая сварка) с обязательным предварительным подогревом и последующей термообработкой для снятия напряжений.
• Контроль качества:
  • Измерение геометрических размеров: Контроль точности размеров деталей с использованием измерительных инструментов (штангенциркулей, микрометров, координатно-измерительных машин).
  • Контроль твердости: Измерение твердости деталей для проверки эффективности термообработки.
  • Дефектоскопия: Выявление внутренних дефектов в деталях с использованием ультразвукового контроля, рентгеновского контроля или магнитопорошкового контроля.
  • Металлографический анализ: Исследование микроструктуры стали для оценки качества термообработки и соответствия требованиям.

Правильный выбор режима термообработки и технологических процессов является ключевым фактором для получения деталей с требуемыми свойствами из стали 20ХН4ФА.