Сталь 20ХН3А конструкционная легированная

Автор: | 15.03.2020
Содержание:

Стали заменители

  • 20ХНГ,
  • 20ХГНР,
  • 38ХА,
  • 15Х2ГН2ТА,
  • 20ХГР

Зарубежные аналоги

Европа 31NiCr14
Япония SNC631H
Франция
(AFNOR)
20NC11
Швеция
(SS)
2515

ВНИМАНИЕ!!! Возможность замены определяется в каждом конкретном случае после оценки и сравнения свойств сталей

Расшифровка

Согласно ГОСТ 4543-2016 цифра 20 в обозначении стали указывает среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента, т.е. углерода в стали 20ХН3А около 0,2%
Буква Х указывает что в стали содержится хром, отсутствие цифр за буквой указывает, что хрома в стали содержится до 1,5%.
Буква Н указывает что в стали содержится никель, цифра 3 за буквой указывает, что никеле в стали содержится примерно до 3%.
Буква А в конце обозначения марки стали указывает, что сталь 20ХН3А является высококачественной, т.е. с повышенными требованиями к химическому составу и макроструктуре металлопродукции из нее по сравнению с качественной сталью.

к содержанию ↑

Вид поставки

  • Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88.
  • Калиброванный пругок ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73.
  • Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76.
  • Поковка и кованая заготовка ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70. Труба ОСТ 14-21-77.

Характеристики и применение

Сталь 20ХН3А относится к стали высокой прокаливаемости. Наряду с высокой прокаливаемостью, обладает очень высокими механическими свойствами. Преимщества этой стали
по сравнению с менее легированными проявляется лишь в изделиях диаметром или толщиной более 75-100 мм.

Сталь 20ХН3А применяется для изготовления деталей (в том числе цементуемых деталей) к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

  • шестерни,
  • валы,
  • втулки,
  • силовые шпильки,
  • болты,
  • муфты,
  • червяки и другие цементируемые детали

В нефтеной, нефтехимической и газовой промышленности сталь 20ХН3А применяется после цементации для изготовления высоконагруженных деталей, работающих при больших скоростях и ударных нагрузках:

  • шестерен,
  • кулачковых муфт,
  • силовых шпилек,
  • валиков,
  • втулок,
  • зубчатых,
  • колес тяжелонагруженных и быстроходных зубчатых передач буровых установок,
  • собачек роторных клиньев,
  • сухарей трубных ключей и т. д.

Эту сталь используют также для изготовления шарошек, и лап буровых долот.

Цементация этой стали проводится при температуре 930-960 °C. После цементации рекомендуется проводить двойную закалку с низким отпуском. Первая закалка обычно производится с цементационного нагрева в масле, вторая закалка с температуры 750-790°С, отпуск — при температуре 180-200°С.

Для уменьшения количества остаточного аустенита в цементованном слое после первой закалки рекомендуется проводить высокий отпуск при температуре 630-650°С.

к содержанию ↑

Температура критических точек, °С

Ac1 Ас3 Аr3 Аr1 Mн
730 810 700 615 340

Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

C Mn Si Cr Ni Р S Cu
не более
0,17-0,24 0,30-0,60 0,17-0,37 0,60-0,90 2,75-3,15 0,025 0,025 0,30

Химический состав (ГОСТ 4543-2016)

Массовая доля элементов,%
C Si Mn Cr Ni Mo Al Ti V B
0,17-0,24 0,17-0,37 0,30-0,60 0,60-0,90 2,75-3,15

ПРИМЕЧАНИЯ: В стали всех марок, за исключением легированных вольфрамом, молибденом, ванадием и титаном, допускается массовая доля остаточных элементов, не более:

  • вольфрама — 0,20 %,
  • молибдена — 0,11 %,
  • ванадия — 0,05 %
  • остаточного или преднамеренно введенного титана — не более 0,03 %.
  • Для цементуемых сталей допускается введение алюминия, при этом массовая доля общего алюминия должна быть не менее 0,020 %.
к содержанию ↑

Применение стали 20ХН3А для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 32569-2013)

Технические требования Допустимые параметры эксплуатации Назначение
Температура
стенки, °С
Давление
среды,
МПа (кгс/см2),
не более
СТП 26.260.2043 От -70 до +425 16(160) Шпильки,
болты,
гайки

Применение стали 20ХН3А для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 33259-2015)

Стандарт или
ТУ на материал
Параметры
применения
Болты,
шпильки
Гайки
Температура рабочей среды, ºС РN, кгс/cм2,не более Температура рабочей среды, ºС РN, кгс/cм2,не более
ГОСТ 4543 От –70 до 425 PN 250 От –70 до 425 PN 250

Условия применения стали 20ХН3А для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора,изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)

НД на поставку Температура рабочей среды(стенки), °С Дополнительные указания по применению
Сортовой прокат
ГОСТ 4543.
Поковки ГОСТ 8479
От -70 до 450 Для несварных узлов арматуры,эксплуатируемой в макроклиматическом районе с холодным климатом
к содержанию ↑

Условия применения стали 20ХН3А для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)

Стандарт или ТУ на материал Параметры применения
Болты, шпильки, винты Гайки Плоские шайбы
Температура среды, ºС Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм2) Температура среды, ºС Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм2) Температура среды, ºС Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм2)
ГОСТ 4543 От -70 до 425 Не регламентируется От -70 до 425 Не регламентируется От -70 до 450 Не регламентируется
к содержанию ↑

Применение стали 20ХН3А для шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)

НД на поставку Температура рабочей
среды (стенки), °С
Дополнительные указания по применению
Сортовой прокат
ГОСТ 4543,
ГОСТ 1051
От -70 до 450 Применяется для арматуры,
эксплуатируемой в макроклиматическом
районе с холодным климатом,
после улучшающей термообработки
(закалка и высокий отпуск)

Твердость стали 20ХН3А по Бринелю

Марка стали Твердость в отожженном или отпущенном состоянии, НВ
Диаметр отпечатка в мм, не менее Число твердости, не более
20ХНЗА 3,9 241

Термообработка

Сталь 20ХН3А может подвергаться улучшению. Закалка стали этой марки производится в масле с температуры 820 — 860 °C с последующим отпуском при температуре 550-650 °C, иногда с низким отпуском при температуре 200-220 °C.

При проведении термической обработки необходимо учитывать значительную склонность этой стали к отпускной хрупкости, в связи в чем изделия из стали 20ХН3А при высоком отпуске следует охлаждать быстро (например, в масле). Кроме того, необходимо иметь в виду, что после нормального отжига не достигается достаточного понижения твердости и сталь 20ХН3А характеризуется плохой обрабатываемостью, поэтому в качестве предварительной термической обработки рекомендуется изотермический отжиг или длительная выдержка при температуре 640-650 °С.

к содержанию ↑

Механические свойства

Источник Состояние поставки Сечение, мм КП σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/см2 Твердость HB,
не более
не менее
ГОСТ 4543-71 Пруток.
Закалка с 820 °С в масле;
отпуск при 500 °С,
охл. в воде или масле
15 735 930 12 55 108
ГОСТ 8479-70 Поковка.
Закалка+отпуск
До 100 590
685
590
685
735
835
14
13
45
42
59
59
235-277
262-311
Цементация при 920-950 °С;
нормализация при 870-890 °С, охл. на воздухе*1;
отпуск при 630-660°С, охл. на воздухе*2;
закалка с 790-810°С в масле;
отпуск при 180-200°С, охл. на воздухе
100 690 830 11 50 69 240*2
HRCэ
57-63*3

ПРИМЕЧАНИЕ:

  • *1 Операции применяются для ответственных деталей сложной конфигурации с целью понижения устойчивости остаточного аустенита в цементационном слое,получение более высокой и равномерной твердости с поверхности после закалки и низкого отпуска и уменьшения деформации.
  • *2 Сердцевина
  • *3 Поверхность
к содержанию ↑

Механические свойства в зависимости от сечения

Сечение, мм σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/см2 Твердость HRCэ поверхности
Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 200 °С, охл. на воздухе
5 1220 1420 12 55 86 44
15 1180 1370 13 65 76 44
20 1080 1270 13 65 89 44
Закалка с 880 °С в масле; отпуск при 600 °С, охл. на воздухе
30 700 800 20 70 167
50 610 730 19 71 167
80 580 700 23 68 167
220 510 660 14 51 167
220*1 570 690 23 67 157

ПРИМЕЧАНИЕ: *1Место вырезки образца — край.

к содержанию ↑

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

tотп, °С σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/см2 Твердость HRCэ
200 1270 1510 15 60 73 43
300 1260 1370 12 62 54 42
400 1180 1260 13 64 59 39
500 960 1000 19 66 83 32
600 720 780 24 73 162 22

ПРИМЕЧАНИЕ: Нормализация при 860°С, охл. на воздухе; закалка с 810 °С в масле.

к содержанию ↑

Механические свойства металлопродукции (ГОСТ 4543-2016)

Режим термической обработки Механические свойства, не менее Размер
сечения
заготовок для
термической
обработки
(диаметр круга
или сторона
квадрата), мм
Закалка Отпуск Предел
текучести
στ, Н/мм2
Временное
сопротивление
σδ, Н/мм2
Относительное Ударная
вязкость
KCU, Дж/см2
Температура,°С Среда охлаждения Температура,°С Среда охлаждения Удлинение, δ5,% Cужение, ψ,%
1-й закалки
или
нормализации
2-й закалки
820 Масло 500 Вода или масло 735 930 12 55 108 15

ПРИМЕЧАНИЯ:

  1. При термической обработке заготовок или образцов по режимам, указанным в настоящей таблице, допускаются следующие отклонения по температуре нагрева:
    • при закалке, нормализации ±15 °С;
    • при низком отпуске ±30 °С;
    • при высоком отпуске ±50 °С.
  2. Металлопродукцию сечением менее указанного в настоящей таблице подвергают термической обработке в полном сечении.
  3. Допускается проводить термическую обработку на готовых образцах.
  4. Допускается перед закалкой проводить нормализацию. Для металлопродукции, предназначенной для закалки токами высокой частоты (ТВЧ), нормализацию перед закалкой проводят с согласия заказчика.
  5. Допускается проводить испытания металлопродукции из стали всех марок после одинарной закалки, при условии соблюдения норм, приведенных в настоящей таблице.
  6. Для металлопродукции круглого сечения испытание на ударный изгиб проводят, начиная с диаметра 12 мм и более.
  7. Для металлопродукции с нормируемым временным сопротивлением не менее 1180 Н/мм2 допускается понижение норм ударной вязкости на 9,8 Дж/см2 при одновременном повышении временного сопротивления не менее чем на 98 Н/мм2.
  8. Нормы механических свойств, указанные в настоящей таблице, относятся к образцам отобранным от металлопродукции диаметром или толщиной до 80 мм включительно.
  9. При контроле механических свойств металлопродукции диаметром или толщиной свыше 80 до 150 мм включительно допускается понижение относительного удлинения на 2 абс. %, относительного сужения на 5 абс. % и ударной вязкости на 10 %. При контроле механических свойств металлопродукции диаметром
  10. или толщиной свыше 150 мм допускается понижение относительного удлинения на 3 абс. %, относительного сужения на 10 абс. % и ударной вязкости на 15 %.

  11. При контроле механических свойств металлопродукции диаметром или толщиной свыше 100 мм на перекованной (перекатанной) пробе размером сечения от 90 до 100 мм включительно нормы механических свойств должны соответствовать указанным в настоящей таблице.
к содержанию ↑

Предел выносливости при n=10

Термообработка σ-1, МПа τ-1, МПа
Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 200 °С; σв = 960 МПа 382
Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 500 °С; σв = 730 МПа 338 225
Закалка с 800 °С в масле; отпуск при 500 °С;σв = 940 МПа 421

Ударная вязкость прутков KCU

Сечение заготовки, мм Термообработка KCU, Дж/см2 при температуре, °С
+20 -20 -40 -50(-60)
10 Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 200 °С 86 85 64
30 Закалка с 880 °С в масле; отпуск при 560 °С 167 69 64
50 То же 167 83 73
80 <<-<< 167 69
100 Нормализация при 860°С, охл. на воздухе
Закалка с 810°С в масле; отпуск при 600°С
196 122 100 (86)
220 Закалка с 880°С в масле; отпуск при 630°С 167 118 78
к содержанию ↑

Технологические свойства

  • Температура ковки, °С: начала 1220, конца 800. Заготовка сечением до 100 мм охлаждается на воздухе, сечения 101-300 мм — в яме.
  • Свариваемость — ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом.
  • Обрабатываемость резанием — Kv б.ст. = 0,95 в горячекатаном состоянии при НВ 177 и σв=610 МПа.
  • Склонность к отпускной хрупкости — склонна.
  • Флокеночувствительность — чувствительна.
к содержанию ↑

Прокаливаемость (ГОСТ 4543-71)

Полоса прокаливаемости стали 20ХНЗА после нормализации при 850 °С и закалки с 830 °С приведена на рисунке.
Полоса прокаливаемости стали 20ХН3А

к содержанию ↑

Критический диаметр d

Количество мартенсита, % Критическая твердость HRCэ d, мм, после закалки
в воде в масле
50 32-37 70-96 44-62
90 39-44 42-64 20-38

Плотность ρп кг/см3 при температуре испытаний, °С

Сталь 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20ХН3А 7850 7830 7760 7660

Коэффициент линейного расширения α*106, К-1

Марка стали α*106, К-1 при температуре испытаний, °С
20-100 20-200 20-300 20-400 20-500 20-600 20-700 20-800
20ХН3А 11,5 11,7 12,0 12,6 12,8 13,2 13,6 11,2

Удельная теплоемкость c, Дж/(кг*К)

Марка стали c, Дж/(кг*К), при температуре испытаний, °С
20-100 20-200 20-300 20-400 20-500 20-600 20-700 20-800 20-900 20-1000
20ХН3А 494 507 523 536 565 586 624 703

Коэффициент теплопроводности λ Вт/(м*К)

Марка Стали λ Вт/(м*К), при температуре испытаний, °С
20 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20ХН3А 36 35 34 33 33 31 31 30 28

Удельное электросопротивление ρ нОм*м

марка стали ρ нОм*м, при температуре испытаний, °С
20 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20ХН3А 270 300 350 450 550 650

Модуль Юнга (нормальной упругости) Е, ГПа

Марка Стали При температуре испытаний, °С
20 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20ХН3А 212 204 194 188 169 169 153 138 132

Модуль упругости при сдвиге на кручение G, ГПа

Марка стали При температуре испытаний, °С
20 100 200 300 400 500 600 700 800 900
20ХН3А 83 80 76 70 68 66 59 53 51

Узнать еще

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *