Для изготовления цементуемых деталей с повышенной прочностью и износостойкостью применяют конструкционную легированную сталь 20Х, изготовленную в соответствии с нормами ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8731-74/-87 , ГОСТ 10702-2016.
Характеристики марки и применение
На свойства металлоизделий, в первую очередь, влияет марка стали и качество её изготовления.
Из стали 20Х выпускают бесшовные, сварные трубы, изделия сортового проката, листы, полосы, поковки. Используют материал для выпуска горячекатаного листового проката, деталей для машин, механизмов, трубопроводной арматуры, работающих на износ при воздействии трения. Задействуют сплав в тех случаях, когда требуется повышенная твёрдость при обычной прочности сердцевины.
Технологические особенности
- основной способ термообработки путём нормализации;
- ковку начинают при 1180–1240, заканчивают при 850–900 °С, дальнейшие операции: для заготовок сечением менее двухсот миллиметров ‒ охлаждение на воздухе, для больших размеров используют низкотемпературный отжиг;
- свариваемость удовлетворительная в исходном состоянии; рекомендуется варить до цементации; при s > 12–15 мм — преднагрев ~100–150 °C; после цементации сварка нежелательна
- отсутствие отпускной хрупкости;
- незначительная чувствительность к образованию флокенов.
Способы обработки
- для измерительных инструментов после предварительной подготовки проводят закалку с высоким отпуском или для сохранности точности геометрии подвергают холодовому воздействию;
- скобы, шаблоны улучшают путём цементации с глубиной, зависящей от размера металлоизделия;
- детали сложной конфигурации подвергают закалке в печи, соляной, свинцовой ванне;
- после многократного погружения в солевой расплав проводят масляное охлаждение для снижения деформирования;
- для ликвидации внутреннего напряжения осуществляют отпуск в интервале 120 ー 200°С;
- при термообработке резьбовых колец практикуют метод "пробного кольца".
Физические свойства
| Наименование показателя | Обозначение | Единица измерения | Температурный интервал, °С | Значение |
|---|---|---|---|---|
| теплоёмкость | C | Дж/(кг·К) | 100 ー 800 | 496 ー 706 |
| теплопроводность | λ | Вт/(м·К) | 20 ー 800 | 42 ー 31 |
| линейное расширение | a⋅106 | ×10⁻⁶ 1/°C | 100 ー 600 | 10.5ー 14.0 |
| модуль упругости | E | ГПа | 20ー 800 | 216 - 205 |
| плотность | ρ | кг/м3 | 20 ー 200 | 7830ー 7780 |
Химический состав стали 20Х (ГОСТ 4543-2016)
| Элемент | Содержание, % | Примечание |
|---|---|---|
| C (углерод) | 0,17–0,23 | цементуемая низкоуглеродистая |
| Si (кремний) | 0,17–0,37 | деоксидатор |
| Mn (марганец) | 0,50–0,80 | прочность/вязкость |
| Cr (хром) | 0,70–1,00 | прокаливаемость, износостойкость слоя |
| Ni (никель), ≤ | 0,30 | остатки |
| Cu (медь), ≤ | 0,30 | остатки |
| P (фосфор), ≤ | 0,035 (до 0,025*) | *для повышенного качества («А») |
| S (сера), ≤ | 0,035 (до 0,025*) | *для повышенного качества («А») |
Диапазоны — нормативные. Фактический анализ и точные допуски зависят от категории качества и НД на сортамент.
Механические свойства стали 20Х при 20 °C (по состояниям)
| Состояние | σв, МПа | σ0.2, МПа | δ5, % | ψ, % | Твёрдость | Комментарий |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Нормализация | ≈ 450–590 | ≈ 295–395 | ≈ 20–25 | ≈ 45–55 | HBW ≈ 143–179 | ориентиры для проката средних сечений |
| Закалка + высокий отпуск | ≈ 650–750 | ≈ 450–520 | ≈ 12–16 | ≈ 35–50 | HBW ≈ 200–260 | ядро после улучшения (без цементации) |
| После цементации (поверхностный слой) | — | — | — | — | HRCэ ≈ 57–63 | твердость цементованного слоя |
| Сердцевина после цементации (закалка+высокий отпуск) | ≈ 650–800 | ≈ 450–550 | ≈ 12–18 | ≈ 40–55 | HBW ≈ 200–260 | внутренние свойства детали |
Значения зависят от размеров/сечения и НД на изделие; используйте нормативы вашего сортамента для расчётов.
Цементация и термообработка стали 20Х
| Операция | t, °C | Среда / режим | Цель / результат |
|---|---|---|---|
| Цементация | 920–950 | твёрдая/газовая, по заданной глубине слоя ε | насыщение С поверхности (слой под последующую закалку) |
| Диффузионный отжиг (по необходимости) | 860–900 | выдержка по ε | выравнивание градиента углерода |
| Закалка (для слоя) | 780–820 | масло | макс. твёрдость слоя перед низким отпуском |
| Закалка (для сердцевины) | 860–880 | масло | требуемая прочность сердцевины |
| Отпуск низкий | 150–200 | воздух | стабилизация HRCэ ≈ 57–63, снятие хрупкости слоя |
Режимы уточняют по КД/ТУ, глубине слоя и габаритам детали; возможны двухступенчатые схемы.
Критические точки стали 20Х (справочно)
| Обозначение | Значение, °C | Комментарий |
|---|---|---|
| Ac1 | ≈ 750 | начало аустенитизации при нагреве |
| Ac3 | ≈ 820–830 | полная аустенитизация при нагреве |
| Ar1 | ≈ 660–670 | начало распада аустенита при охлаждении |
| Ar3 | ≈ 750–760 | конец распада аустенита при охлаждении |
| Ms | ≈ 380–400 | начало мартенситного превращения |
Значения ориентировочные; зависят от фактического состава и размера сечения.
Свариваемость стали 20Х: практические ориентиры
- Лучше варить до цементации. После цементации сварка не рекомендуется (риск трещинообразования и потери твёрдости слоя).
- Предварительный подогрев: ориентировочно 100–150 °C при s > 12–15 мм; для массивных узлов — по расчёту тепловложения и CE (часто 150–200 °C).
- Межслойная температура: контролировать (обычно 150–250 °C), не допускать перегрева зоны термического влияния.
- Послесварочная Т/О: по КД/ТУ; для ответственных узлов — отпуск/нормализация с целью снятия напряжений и восстановления вязкости сердцевины.
Конкретные режимы — по КД/РД/НАКС с учётом толщины, тепловложения и требуемых свойств.
Аналоги и замены стали 20Х
| Система | Обозначение | WNr / № | Соответствие | Комментарий |
|---|---|---|---|---|
| EN/DIN | 20Cr4 | 1.7027 | ближайший | цементуемая Cr-сталь, близка по составу и назначению |
| AISI/SAE | 5120 | — | ближайший | Cr-case hardening steel (≈0,2%C, ≈1%Cr) |
| JIS | SCr420 | — | ближайший | японская цементуемая Cr-сталь |
| GB (CN) | 20Cr | — | ближайший | китайский аналог по группе |
| PL | 20H | — | ближайший | польская система обозначений |
Подбор замен выполняйте по КД/НД и требуемым свойствам (глубина цементации, HRC слоя, свойства сердцевины, свариваемость).
Ковка и охлаждение
| Этап | t, °C | Примечание |
|---|---|---|
| Начало ковки | ≈ 1180–1240 | зависит от габарита и нагрева |
| Окончание ковки | ≈ 850–900 | избегать переохлаждения |
| После ковки | — | нормализация/улучшение по КД |
