Главная  >  Справочник  >  Сталь конструкционная легированная 20ХНР

Сталь конструкционная легированная 20ХНР: описание, свойства, применение

Сталь 20ХНР – это высококачественная конструкционная легированная сталь, разработанная для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях высоких нагрузок, ударных воздействий и знакопеременных напряжений. Она сочетает в себе высокую прочность, вязкость и сопротивляемость усталости, что делает её незаменимой в различных отраслях промышленности.

Особенности и Преимущества:

• Высокая прочность и твердость: Обеспечивается легированием хромом и никелем, а также термической обработкой.
• Улучшенная вязкость и пластичность: Никель способствует повышению этих характеристик, что позволяет стали выдерживать значительные деформации без разрушения.
• Хорошая свариваемость: Позволяет изготавливать сложные конструкции с использованием различных методов сварки.
• Высокая сопротивляемость усталости: Важное свойство для деталей, подверженных циклическим нагрузкам.
• Устойчивость к отпускной хрупкости: Предотвращает снижение прочности и пластичности при нагреве после закалки.
• Приемлемая обрабатываемость резанием: Облегчает изготовление деталей сложной формы.

Химический Состав (ГОСТ 4543-71):

Элемент	Массовая доля, %
Углерод (C)	0.17 - 0.23
Кремний (Si)	0.17 - 0.37
Марганец (Mn)	0.30 - 0.60
Никель (Ni)	1.25 - 1.75
Хром (Cr)	1.25 - 1.75
Сера (S)	≤ 0.025
Фосфор (P)	≤ 0.025
Медь (Cu)	≤ 0.30

Расшифровка обозначения:

• 20: Указывает на содержание углерода в сотых долях процента (0.20%).
• Х: Обозначает наличие хрома в стали.
• Н: Обозначает наличие никеля в стали.
• Р: Обозначает, что сталь содержит бор (в данном случае, бор в стали отсутствует, обозначение используется для улучшения прокаливаемости).

Механические Свойства (зависят от режима термообработки):

Примеры механических свойств после различных режимов термообработки:

• Закалка в масло с 880 °C + Отпуск при 200 °C:
  • Предел прочности (σ_в): 1270 МПа
  • Предел текучести (σ_т): 1080 МПа
  • Относительное удлинение (δ₅): 11%
  • Относительное сужение (ψ): 50%
  • Ударная вязкость (KCU): 78 Дж/см²
  • Твердость (HRC): 40-45
• Закалка в масло с 880 °C + Отпуск при 600 °C:
  • Предел прочности (σ_в): 830 МПа
  • Предел текучести (σ_т): 630 МПа
  • Относительное удлинение (δ₅): 20%
  • Относительное сужение (ψ): 60%
  • Ударная вязкость (KCU): 157 Дж/см²
  • Твердость (HRC): 25-30

Обозначения:

• σ_в (Предел прочности): Максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед разрушением.
• σ_т (Предел текучести): Напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться.
• δ₅ (Относительное удлинение): Процентное увеличение длины образца после разрыва по отношению к исходной длине.
• ψ (Относительное сужение): Процентное уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва по отношению к исходной площади.
• KCU (Ударная вязкость): Мера сопротивления материала хрупкому разрушению при ударных нагрузках.
• HRC (Твердость по Роквеллу): Мера сопротивления материала внедрению индентора (алмазного конуса или стального шарика) под нагрузкой.

Физические Свойства:

• Плотность: 7850 кг/м³
• Модуль упругости: 2.1 × 10⁵ МПа
• Коэффициент линейного расширения: 12.1 × 10^-6 / °C (в диапазоне 20-100 °C)
• Теплопроводность: 44 Вт/(м·°C)
• Удельная теплоемкость: 480 Дж/(кг·°C)
• Электрическое сопротивление: 0.24 × 10^-6 Ом·м

Сферы Применения:

Сталь 20ХНР находит широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря своим высоким механическим свойствам и надежности:

• Авиационная промышленность:
  • Изготовление деталей шасси (стойки, оси, подкосы).
  • Производство крепежных элементов, работающих под высокими нагрузками (болты, гайки, шпильки).
  • Детали двигателей (валы, шестерни, диски).
• Автомобилестроение:
  • Производство коленчатых валов и распределительных валов двигателей.
  • Изготовление шестерен коробок передач и редукторов.
  • Детали подвески (пружины, амортизаторы).
  • Изготовление деталей рулевого управления.
• Нефтегазовая промышленность:
  • Производство бурового оборудования (долота, бурильные трубы).
  • Изготовление деталей насосов и компрессоров.
  • Производство трубопроводной арматуры (задвижки, клапаны).
• Энергетическое машиностроение:
  • Изготовление роторов и дисков турбин.
  • Производство деталей паровых котлов.
  • Детали гидрогенераторов.
• Общее машиностроение:
  • Изготовление тяжелонагруженных валов, осей, шестерен.
  • Производство крепежных элементов (болты, гайки, шпильки) для ответственных соединений.
  • Детали кузнечно-прессового оборудования (штампы, матрицы).
• Транспортное машиностроение:
  • Производство деталей железнодорожного транспорта (оси колесных пар, рессоры).
  • Изготовление деталей судовых двигателей.

Виды Металлопроката:

Сталь 20ХНР поставляется в виде различных видов металлопроката:

• Сортовой прокат:
  • Круг (ГОСТ 2590-2006)
  • Квадрат (ГОСТ 2591-2006)
  • Шестигранник (ГОСТ 2879-2006)
  • Полоса (ГОСТ 103-2006)
• Листовой прокат:
  • Лист горячекатаный (ГОСТ 1577-93, ГОСТ 19903-2015)
  • Лист холоднокатаный (ГОСТ 1577-93, ГОСТ 19904-90)
• Трубы:
  • Бесшовные горячедеформированные трубы (ГОСТ 8732-78)
  • Бесшовные холоднодеформированные трубы (ГОСТ 8734-75)
• Поковки и штамповки:
  • Поковки изготавливаются по индивидуальным чертежам заказчика (ГОСТ 8479-70).

ГОСТы, регламентирующие сталь 20ХНР и металлопрокат из неё:

• ГОСТ 4543-71: Сталь легированная конструкционная. Марки. (Основной стандарт, определяющий химический состав и общие требования к стали 20ХНР).
• ГОСТ 1577-93: Прокат толстолистовой и широкополосный из конструкционной качественной стали. Технические условия.
• ГОСТ 8479-70: Поковки из конструкционной легированной и нелегированной стали. Общие технические условия.
• ГОСТ 2590-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент.
• ГОСТ 2591-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент.
• ГОСТ 2879-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный шестигранный. Сортамент.
• ГОСТ 103-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент.
• ГОСТ 19903-2015: Прокат листовой горячекатаный. Сортамент.
• ГОСТ 19904-90: Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент.
• ГОСТ 8732-78: Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент.
• ГОСТ 8734-75: Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные. Сортамент.
• ГОСТ 977-88: Отливки стальные. Общие технические условия. (Если применяются отливки из стали 20ХНР)

Операции в цехах, использующие материалы из стали 20ХНР:

Сталь 20ХНР используется на различных этапах производства в цехах машиностроительных и металлургических предприятий:

1. Металлургическое производство:
   • Плавка стали: В электропечах или конвертерах производится плавка стали с точным соблюдением химического состава, определенного ГОСТ 4543-71.
   • Разливка стали: Расплавленная сталь разливается в слитки или заготовки для дальнейшей обработки.
   • Прокатное производство:
     • Горячая прокатка: Слитки или заготовки подвергаются горячей прокатке на прокатных станах для получения сортового, листового или трубного проката.
     • Холодная прокатка: Листовой прокат может подвергаться холодной прокатке для повышения точности размеров и улучшения качества поверхности.
   • Трубное производство: Из заготовок производятся бесшовные трубы методом горячей или холодной деформации.
2. Кузнечно-прессовое производство:
   • Ковка: Заготовки из стали 20ХНР подвергаются ковке на молотах или прессах для придания им необходимой формы и размеров. Ковкой изготавливаются, например, коленчатые валы.
   • Штамповка: Из заготовок выштамповываются детали сложной формы с использованием штампов и прессов.
   • Термическая обработка: После ковки или штамповки детали подвергаются термической обработке для улучшения их механических свойств.
3. Механическая обработка:
   • Токарная обработка: На токарных станках производится обработка вращающихся деталей (валов, осей, шестерен).
   • Фрезерная обработка: На фрезерных станках обрабатываются детали сложной формы с использованием фрез.
   • Сверление: Производится сверление отверстий в деталях.
   • Шлифовка: Выполняется шлифовка поверхностей для достижения высокой точности и гладкости.
   • Зубонарезка: Изготавливаются зубчатые колеса на зуборезных станках.
4. Термическая обработка (Термический цех):
   • Закалка: Детали нагреваются до определенной температуры и быстро охлаждаются (обычно в масле) для повышения твердости и прочности.
   • Отпуск: Детали, прошедшие закалку, нагреваются до более низкой температуры для снижения хрупкости и повышения вязкости. Режим отпуска подбирается в зависимости от требуемых свойств детали.
   • Нормализация: Детали нагреваются до температуры выше температуры фазовых превращений и охлаждаются на воздухе для снятия внутренних напряжений и улучшения структуры.
   • Цементация: Поверхностное насыщение углеродом для повышения твердости и износостойкости поверхности (в редких случаях).
5. Сварочное производство:
   • Сварка: Сталь 20ХНР хорошо сваривается различными методами сварки (дуговая, газовая, контактная). Сварка используется для изготовления сварных конструкций и соединения отдельных деталей.
   • Термическая обработка после сварки: Для снятия напряжений и улучшения свойств сварного соединения может проводиться термическая обработка.
6. Контроль качества (ОТК):
   • Химический анализ: Проводится химический анализ для контроля соответствия химического состава стали требованиям ГОСТ.
   • Механические испытания: Образцы стали подвергаются механическим испытаниям (на растяжение, ударную вязкость, твердость) для определения их механических свойств.
   • Неразрушающий контроль: Используются методы неразрушающего контроля (ультразвуковой контроль, магнитный контроль, рентгеновский контроль) для выявления внутренних дефектов в деталях.
   • Геометрический контроль: Проводится контроль геометрических размеров и формы деталей.

В заключение, сталь 20ХНР является универсальным материалом с широким спектром применения, что обусловлено её высокими механическими свойствами, надежностью и технологичностью. Правильный выбор режима термообработки и соблюдение технологических процессов позволяют получить детали с оптимальным сочетанием прочности, вязкости и износостойкости.