Сталь марки 20Х2Н4А

Марка: 20Х2Н4А (заменители: 20ХГНР, 15ХГН2ТА, 20ХГНТР) Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006. Калиброванный пруток: ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка: ГОСТ 14955-77. Полоса: ГОСТ 103-2006. Поковки и кованные заготовки: ГОСТ 1133-71. Трубы: ОСТ 14-21-77. Класс: Сталь конструкционная легированная Использование в промышленности: шестерни, вал-шестерни, пальцы и другие цементуемые особо ответственные высоконагруженные детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах.

Химический состав в % стали 20Х2Н4А
C	0,16 - 0,22
Si	0,17 - 0,37
Mn	0,3 - 0,6
Ni	3,25 - 3,65
S	до 0,025
P	до 0,025
Cr	1,25 - 1,65
Cu	до 0,3
Fe	~93

Зарубежные аналоги марки стали 20Х2Н4А
США	3120, 3316H
Германия	19CrNi8
Франция	20NC6
Англия	822M17
Италия	20CrNi4
Болгария	20Ch2N4A
Польша	20H2N4A
Чехия	16231

Дополнительная информация и свойства

Удельный вес: 7850 кг/м3 Термообработка: Закалка и отпуск Температура ковки, °С: начала 1200, конца 800. Сечения до 100 мм охаждаются на воздухе, 101-350 мм в яме. Твердость материала: HB 10 -1 = 269 МПа Температура критических точек: Ac1 = 710 , Ac3(Acm) = 800 , Ar1 = 640 Обрабатываемость резанием: после нормализации и отпуска при HB 259 и σв=880 МПа, К υ тв. спл=0,72 и Кυ б.ст=0,63 Свариваемость материала: трудносвариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка. Флокеночувствительность: чувствительна Склонность к отпускной хрупкости: малосклонна

Механические свойства стали 20Х2Н4А
ГОСТ	Состояние поставки, режим термообработки	Сечение, мм	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (Дж / см2)	НВ (HRCЭ), не более
ГОСТ 4543-71	Закалка 860 °С, масло. Закалка 780 °С, масло. Отпуск 180 °С, воздух или масло	15	1080	1270	9	45	78	-
	Цементация 900-920 °С, воздух. Закалка 780-810 °С, масло. Отпуск 180-200 °С, воздух	50	1050	1220	12	45	118	Сердцевины 360, поверхности (57-64)
	Цементация 920-950 °С. Нормализация 900-920 °С, воздух или закалка 880-920 °С, масло. Отпуск 630-660 °С, воздух. Закалка 780-820 °С, масло. Отпуск 150-200 °С, воздух	150	830	1080	9	35	78	Сердцевины 321-420, поверхности (57-64)

Ударная вязкость стали 20Х2Н4А KCU, (Дж/см2)
Т= +20 °С	Т= -20 °С	Т= -40 °С	Т= -70 °С	Термообработка
147 65 32	147 61 33	157 63 35	- 62 30	Закалка 820 °С, масло. Отпуск 500 °С. Образцы из поковки (Закалка 880 °С, масло. Закалка 780 °С, масло. Отпуск 200 °С): продольные поперечные

Механические свойства стали 20Х2Н4А в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (Дж / см2)
Закалка 840 °С, масло
200 300 400 500 600	1360 1280 1140 970 790	1500 1400 1300 1170 1000	7 7 7 10 11	56 60 63 67 72	120 100 120 220 235

Механические свойства стали 20Х2Н4А в зависимости от сечения
Сечение, мм	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ4 (%)	ψ %	KCU (Дж / см2)	HB
Закалка, отпуск
30 50 80 120 160 200 240	820 820 820 780 760 740 720	940 940 940 900 880 860 860	12 12 12 12 12 12 12	50 50 50 50 50 50 50	80 70 70 60 60 60 60	277 277 269 262 262 262 255

Механические свойства стали 20Х2Н4А при повышенных температурах
Температура испытаний, °С	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %
Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм, кованый и отожжённый. Скорость деформирования 5мм/мин. Скорость деформации 0,002 1/с
700 800 900 1000 1100 1150 1220	63 45 36 22 20 16 16	120 56 56 37 27 26 22	56 64 58 63 59 65 71	78 95 100 100 100 100 100

Предел выносливости стали 20Х2Н4А
σ-1, МПА	J-1, МПА	Термообработка
617 333 382 421	372 230 - -	σ0,2=1050 МПа, σв=1220 МПа, НВ 360 σ0,2=610 МПа, σв=730 МПа, НВ 238 σ0,2=680 МПа, σв=960 МПа, НВ 322 σ0,2=850 МПа, σв=940 МПа,

Прокаливаемость стали 20Х2Н4А
Расстояние от торца, мм									Примечание
3	5	10	15	20	30	40	50	60	Нормализация 850 °С. Закалка 840 °С.
41,5-49,5	40,5-48,5	35,5-45,5	31-40	28-36,5	25-33	23,5-31	23-30,5	22,5-30,5	Твердость для полос прокаливаемости, HRC

Физические свойства стали 20Х2Н4А
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	2.03			7850
100			24

Особенности электрошлаковой сварки стали марки 20Х2Н4А (и подобных): при электрошлаковой сварке многих среднеуглеродистых среднелегированных сталей толщиной более 80 мм существует опасность возникновения вблизи границы сплавления горячих трещин-надрывов. Склонность среднелегированной стали к надрывам существенно зависит от ее химического состава, в особенности от высокого содержания углерода, серы, никеля и других элементов, способствующих увеличению дендритной неоднородности слитков при выплавке сталей и образованию плен и строчек сульфидных включений с низкой температурой плавления. Для сравнения укажем, что в зоне термического влияния на стали 25ХЗНМ наблюдаются протяженные цепочки надрывов длиной до 2 мм, а на стали 20Х2М с пониженным содержанием углерода и никеля образуются только единичные надрывы длиной до 0,8 мм. Уменьшает склонность среднелегированной стали к надрывам электрошлаковый переплав (табл. 9.22) в сочетании с микролегированием элементами, повышающими температуру плавления сульфидных включений. Благоприятное влияние на повышение стойкости среднелегированной стали против надрывов оказывают карбидообразующие элементы, образующие с серой сложные, труднорастворимые соединения.

Весьма эффективно, например, микролегирование среднелегированных сталей титаном в количестве до 0,6%, когда склонность их к надрывам при электрошлаковой сварке полностью подавляется. Однако изменение химического состава стали не всегда возможно. В этих случаях для особо ответственных конструкций можно рекомендовать предварительную наплавку кромок электродными проволоками, содержащими титан. Для уменьшения выгорания титана наплавку необходимо производить под безокислительными флюсами. Для устранения надрывов на стали типа 25Х3НМ, весьма склонной к образованию этого типа дефектов, достаточно, как показывает опыт, получить в металле наплавки 0,22% Ti. Электрошлаковая наплавка свариваемых кромок возможна и стандартными электродными проволоками, как правило, не содержащими титан.

Замечено, что вследствие небольшого количества, дисперсности и равномерности распределения неметаллических включений наплавленный металл устойчивее против надрывов, чем основной металл. Это обстоятельство довольно просто и надежно можно использовать при выполнении сварки кольцевых швов. В рабочей части таких швов возникают обычно только единичные надрывы, а в сталях с повышенной стойкостью против надрывов такие дефекты вообще не образуются. Но количество надрывов резко увеличивается в участке замыкания кольцевого шва вследствие повышения жесткости закрепления свариваемых кромок и нарастания напряжений растяжения. Поэтому сварку начального участка стыка длиной около 600 мм выполняют на повышенных напряжениях и получают широкий (шириной 90-100 мм) шов. Затем напряжение постепенно снижают до обычных значений и выполняют сварку рабочей части шва. Одновременно вырезают щель-зазор шириной 30-35 мм в начальном участке шва на такой длине, чтобы сварка наиболее опасных замыкающих участков соединения велась по литому металлу шва. Применение способа сварки «шов по шву» во многих случаях позволяет полностью устранить надрывы в околошовной зоне. Рекомендуемые режимы сварки по такому способу среднелегированных сталей приведены в табл. 9.23.

Термообработка в кипящем слое изделий из стали 20Х2Н4А: на рис. справа представлена опытная зависимость глубины диффузионной зоны б от времени т, полученная при цементации образцов диаметром 20 и высотой 20 мм из стали 20Х2Н4А. При слабом псевдоожижении (w/w_K= 1,5-2,0), когда сверху на образцах (например, горизонтальных цилиндрах) наблюдалась «шапка» неподвижных частиц, глубина диффузионной зоны в этих местах была ниже, чем в остальной части поверхности. При высоких скоростях «шапка» периодически сбрасывалась пузырями, поэтому глубина зоны по всему периметру была одинаковой.

В данном случае в кипящем слое удается реализовать максимально возможные при заданных параметрах темпы насыщения углеродом, т. е. кинетика реакций на поверхности не влияет на скорость цементации. Штрих-пунктирной линией представлена зависимость б = f (т), снятая на бензольной печи Ц-105 также с помощью образцов из стали 20Х2Н4А (время прогрева вычтено). Как видно, в промышленной бензольной печи темпы цементации не достигают максимально возможных. Нужно подчеркнуть, что углеродный потенциал газовой среды в печи Ц-105 был выше значения, соответствующего предельной при t = 930° С растворимости углерода в у-железе, фольга науглероживалась за 30 мин до концентрации, составляющей 1,6%. С повышением температуры кипящего слоя скорость цементации, как

и следовало ожидать, возрастает пропорционально увеличению коэффициента диффузии углерода в стали.

На рисунке точками нанесены результаты послойного анализа на содержание углерода образцов стали 20Х2Н4А диаметром 38 и длиной 120 мм. Для послойного анализа с одного образца снимали 12 стружечных проб: первые пять проб через каждые 0,1 мм, остальные через 0,2 мм (на радиус). Сравнение опытных данных с расчетными (сплошные линии на рис. ниже) по формуле (II-41) для тех же параметров, что и в опытах, показывает, что при т > 1-2 ч цементация в кипящем слое лимитируется только диффузией углерода в стали. В то же время опытные концентрации углерода по сечению диффузионной зоны образцов, обработанных в бензольной печи Ц-105, оказываются ниже расчетных, несмотря на то, что в расчет принимали С_г = 1,35%, а концентрация углерода в фольге-«свидетеле» составила 1,6%.

По отработанным на образцах режимам была осуществлена цементация промышленных деталей нескольких наименований (шестерни) из стали 20Х2Н4А в кипящем слое при t = 930° С в течение 5 и 7 ч. Детали загружали в ванну с кипящим слоем (диаметр 250 мм) садками по нескольку штук; после цементации садки охлаждали на воздухе. При макро- и микроисследованиях установлено, что науглероживание деталей по высоте и сечению рабочей камеры идет равномерно, глубина цементированного слоя при выдержке 5 ч составляет 1,15 мм, а при выдержке 7 ч она равна 1,45 мм.