Сталь 20ХН3А: характеристики, свойства и области применения

Сталь 20ХН3А представляет собой конструкционную легированную хромоникелевую сталь, предназначенную для изготовления цементуемых деталей, требующих высокой прочности, пластичности, вязкости сердцевины в сочетании с высокой твердостью и износостойкостью поверхности. Благодаря сбалансированному химическому составу и оптимальным технологиям термохимической обработки, данная сталь обеспечивает уникальное сочетание эксплуатационных характеристик, необходимых для ответственных деталей машин и механизмов. Компания "ОборонСпецСплав" предлагает широкий ассортимент металлопроката из стали 20ХН3А, соответствующий всем требованиям ГОСТ 4543-71.

Расшифровка маркировки стали 20ХН3А

Маркировка стали 20ХН3А, согласно принятой в России системе обозначений, расшифровывается следующим образом:

• 20 — содержание углерода в сотых долях процента (0,17-0,24%);
• Х — наличие хрома в составе стали (0,6-0,9%);
• Н3 — содержание никеля около 3% (фактически 2,75-3,15%);
• А — обозначение высококачественной стали с пониженным содержанием вредных примесей (серы и фосфора не более 0,025% каждого).

Данная маркировка отражает основной химический состав и качество стали, что позволяет специалистам легко идентифицировать материал и его основные характеристики.

Химический состав стали 20ХН3А

Химический состав стали 20ХН3А регламентируется ГОСТ 4543-71 и включает следующие элементы:

Элемент	Содержание, %	Влияние на свойства
Углерод (C)	0,17-0,24	Обеспечивает необходимую твердость после цементации, но сохраняет вязкость сердцевины благодаря умеренному содержанию
Хром (Cr)	0,6-0,9	Повышает прокаливаемость, износостойкость и коррозионную стойкость
Никель (Ni)	2,75-3,15	Значительно повышает прокаливаемость, улучшает вязкость и пластичность, снижает порог хладноломкости
Марганец (Mn)	0,3-0,6	Повышает прокаливаемость и прочность, нейтрализует вредное влияние серы
Кремний (Si)	0,17-0,37	Повышает прочность и упругость, улучшает окалиностойкость
Сера (S)	≤ 0,025	Вредная примесь, содержание ограничено для обеспечения высокого качества стали
Фосфор (P)	≤ 0,025	Вредная примесь, ограничение содержания улучшает вязкость и снижает хрупкость
Медь (Cu)	≤ 0,3	Повышает коррозионную стойкость
Железо (Fe)	основа (≈94-95)	Формирует основу сплава

Оптимально подобранное соотношение легирующих элементов обеспечивает высокую прокаливаемость стали при сохранении хорошей вязкости и пластичности сердцевины, что особенно важно для цементуемых деталей, работающих при значительных нагрузках, в том числе ударных.

Механические свойства стали 20ХН3А

Механические свойства стали 20ХН3А зависят от режимов термической обработки и приведены для наиболее распространенных состояний:

После нормализации (диаметр до 25 мм):

Характеристика	Значение
Предел прочности (σв), МПа	650-750
Предел текучести (σт), МПа	400-450
Относительное удлинение (δ), %	15-18
Относительное сужение (ψ), %	55-60
Ударная вязкость (KCU), Дж/см²	80-100
Твердость по Бринеллю, HB	190-230

После улучшения (закалка + высокий отпуск):

Характеристика	Значение
Предел прочности (σв), МПа	980-1180
Предел текучести (σт), МПа	785-980
Относительное удлинение (δ), %	10-12
Относительное сужение (ψ), %	45-55
Ударная вязкость (KCU), Дж/см²	≥ 60
Твердость по Бринеллю, HB	269-331

После цементации и термообработки:

Характеристика	Значение
Твердость поверхности, HRC	56-62
Твердость сердцевины, HRC	30-45
Глубина упрочненного слоя, мм	0,5-2,5 (в зависимости от режима цементации)
Предел контактной выносливости, МПа	1250-1350
Предел изгибной выносливости, МПа	450-550

Высокие механические свойства стали 20ХН3А в сочетании с возможностью поверхностного упрочнения делают её оптимальным выбором для изготовления деталей, работающих в условиях значительных динамических и контактных нагрузок.

Физические свойства стали 20ХН3А

Основные физические характеристики стали 20ХН3А, важные для проектирования и эксплуатации изделий:

Характеристика	Значение
Плотность, г/см³	7,8-7,85
Модуль упругости, ГПа	200-210
Коэффициент линейного расширения (20-100°C), 10⁻⁶ °C⁻¹	11,5-12,5
Теплопроводность (при 20°C), Вт/(м·°C)	40-45
Удельное электрическое сопротивление, Ом·мм²/м	0,18-0,22
Температура критических точек, °C	Ac₁ = 740-760, Ac₃ = 810-830, Ar₃ = 745-765, Ar₁ = 670-690

Технологические свойства стали 20ХН3А

Сталь 20ХН3А обладает хорошими технологическими свойствами, что обеспечивает возможность её обработки различными методами:

• Обрабатываемость резанием: в нормализованном и отожженном состоянии обрабатываемость хорошая (70-75% от эталона). После термоупрочнения обрабатываемость снижается;
• Свариваемость: ограниченно свариваемая. Требуется предварительный подогрев до 200-300°C и последующая термическая обработка. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка покрытыми электродами, ручная аргонодуговая сварка, сварка под флюсом;
• Склонность к отпускной хрупкости: сталь склонна к отпускной хрупкости второго рода, поэтому после отпуска при температурах 500-600°C необходимо быстрое охлаждение;
• Деформируемость: хорошо деформируется в горячем состоянии при температурах 1050-1175°C. Необходимо избегать чрезмерного перегрева, вызывающего рост зерна;
• Флокеночувствительность: не склонна к образованию флокенов;
• Прокаливаемость: высокая, до 80-100 мм, обеспечивается содержанием никеля и хрома.

Термическая и химико-термическая обработка

Для стали 20ХН3А применяются различные виды термической и химико-термической обработки в зависимости от требований к изделию:

Термическая обработка:

• Отжиг: нагрев до 830-850°C, выдержка, охлаждение с печью. Обеспечивает твердость не более 217 HB;
• Нормализация: нагрев до 880-900°C, выдержка, охлаждение на воздухе;
• Закалка: нагрев до 850-870°C, охлаждение в масле. Обеспечивает твердость 45-50 HRC;
• Отпуск: в зависимости от требуемых свойств:
  • низкий (150-200°C) — для повышения твердости;
  • средний (350-450°C) — для снятия напряжений;
  • высокий (550-600°C) — для оптимального сочетания прочности и вязкости.
• Улучшение: закалка с последующим высоким отпуском для обеспечения высокой вязкости сердцевины.

Химико-термическая обработка:

• Цементация: насыщение поверхности углеродом на глубину 0,5-2,5 мм при температуре 900-950°C в течение 4-12 часов (в зависимости от требуемой глубины);
• Термообработка после цементации:
  • закалка с 800-850°C в масле;
  • низкий отпуск при 160-180°C.
• Нитроцементация: насыщение поверхности углеродом и азотом при температуре 840-860°C;
• Азотирование: насыщение поверхности азотом для повышения износостойкости и коррозионной стойкости.

Типичный режим обработки цементуемых деталей из стали 20ХН3А включает: цементацию, закалку и низкий отпуск. Это обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхности при сохранении вязкой сердцевины, что оптимально для деталей, работающих на изгиб и кручение с поверхностным контактным воздействием.

Области применения стали 20ХН3А

Благодаря своим уникальным свойствам сталь 20ХН3А применяется для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях значительных нагрузок:

• Автомобильная промышленность:
  • шестерни и зубчатые колеса коробок передач;
  • валы и полуоси;
  • крестовины и кулаки дифференциалов;
  • шпиндели и шарниры;
  • поршневые пальцы высоконагруженных двигателей.
• Авиационная промышленность:
  • шестерни редукторов;
  • валы и оси механизмов управления;
  • детали шасси;
  • высоконагруженные крепежные элементы.
• Станкостроение:
  • шестерни и валы коробок скоростей;
  • кулачки и эксцентрики;
  • направляющие и ходовые винты точных механизмов.
• Общее машиностроение:
  • ответственные детали приводов;
  • кулачковые валы;
  • штоки и плунжеры гидравлических систем;
  • пальцы и оси механизмов, работающих при ударных нагрузках.
• Военная техника:
  • детали вооружения, работающие в условиях высоких нагрузок;
  • компоненты механизмов наведения;
  • элементы систем управления.

Особенно эффективно применение стали 20ХН3А для деталей, работающих при низких температурах, благодаря высокому содержанию никеля, обеспечивающему хорошую ударную вязкость даже при отрицательных температурах.

Формы поставки

Компания "ОборонСпецСплав" предлагает широкий ассортимент металлопроката из стали 20ХН3А в следующих формах:

• Сортовой прокат:
  • круги диаметром от 8 до 200 мм;
  • квадраты со стороной от 8 до 150 мм;
  • шестигранники различных размеров;
  • полосы различной ширины и толщины.
• Калиброванный прокат:
  • круги диаметром от 5 до 80 мм с повышенной точностью размеров;
  • шестигранники и квадраты с точными размерами.
• Прутки со специальной отделкой поверхности:
  • шлифованные;
  • оцинкованные;
  • с повышенной точностью изготовления.
• Заготовки:
  • поковки;
  • штамповки;
  • заготовки зубчатых колес;
  • заготовки валов.

Весь металлопрокат из стали 20ХН3А поставляется с сертификатами качества, подтверждающими соответствие требованиям ГОСТ 4543-71, и по желанию заказчика может подвергаться дополнительной термической обработке.

Аналоги стали 20ХН3А

При проектировании и замене материалов полезно знать отечественные и зарубежные аналоги стали 20ХН3А:

Страна	Марка	Стандарт
Россия	20ХН3А, 18ХН3А, 12ХН3А	ГОСТ 4543-71
США	SAE 3120, SAE 3115	ASTM A519
Германия	20NiCr3, 18NiCr3	DIN 17210
Франция	20NC3, 18NC3	AFNOR
Япония	SNCM220	JIS
Китай	20CrNi3	GB

При замене одной марки стали на другую необходимо учитывать не только химический состав, но и технологические особенности обработки, а также механические свойства после соответствующей термообработки.

Преимущества и недостатки стали 20ХН3А

Преимущества:

• Высокая прокаливаемость благодаря содержанию никеля и хрома;
• Отличное сочетание твердости поверхности и вязкости сердцевины после цементации и термообработки;
• Хорошая динамическая прочность и сопротивление ударным нагрузкам;
• Работоспособность при отрицательных температурах;
• Высокая контактная выносливость цементованного слоя;
• Хорошая обрабатываемость резанием в нормализованном состоянии;
• Удовлетворительная технологичность при горячей пластической деформации.

Недостатки:

• Ограниченная свариваемость, требующая специальных технологических мер;
• Склонность к отпускной хрупкости при медленном охлаждении после отпуска;
• Относительно высокая стоимость из-за содержания никеля;
• Необходимость строгого соблюдения режимов термической и химико-термической обработки;
• Чувствительность к перегреву при нагреве под закалку, что может привести к росту зерна;
• Более сложная технология термической обработки по сравнению с простыми углеродистыми сталями.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Какая оптимальная глубина цементации для стали 20ХН3А?

Оптимальная глубина цементации зависит от назначения и размеров детали, а также от характера и величины нагрузок. Для большинства деталей рекомендуются следующие глубины цементованного слоя:

• Для мелких деталей и зубчатых колес модулем до 3 мм — 0,5-0,8 мм;
• Для средних деталей и зубчатых колес модулем 3-6 мм — 0,8-1,2 мм;
• Для крупных деталей и зубчатых колес модулем более 6 мм — 1,2-2,0 мм;
• Для особо ответственных крупных деталей — до 2,5 мм.

При этом следует соблюдать соотношение глубины цементованного слоя к толщине или диаметру детали не более 1:10, чтобы избежать коробления и трещин при закалке.

Какие электроды рекомендуются для сварки стали 20ХН3А?

Для сварки стали 20ХН3А рекомендуются следующие типы электродов:

• Электроды типа Э50А (УОНИ-13/55, ОЗС-6, АНО-7);
• При повышенных требованиях к качеству сварного соединения — электроды типа Э60 (УОНИ-13/65);
• Для аргонодуговой сварки — проволока Св-08ГС, Св-08Г2С;
• Для сварки под флюсом — сочетание проволоки Св-08А с флюсом АН-348А или ОСЦ-45.

Перед сваркой обязателен предварительный подогрев деталей до 200-300°C, а после сварки — отпуск при 550-600°C для снятия напряжений и предотвращения образования холодных трещин.

Можно ли использовать сталь 20ХН3А без цементации?

Да, сталь 20ХН3А может использоваться без цементации для изготовления деталей, где требуется повышенная прочность, но не критична твердость поверхности. В этом случае применяют режим "улучшения" — закалку с 850-870°C в масле с последующим высоким отпуском при 550-600°C. Такая обработка обеспечивает предел прочности 980-1180 МПа при хорошей вязкости и пластичности. Однако наиболее полно преимущества стали 20ХН3А проявляются после цементации и последующей термообработки.

Как влияет содержание никеля на свойства стали 20ХН3А?

Высокое содержание никеля (2,75-3,15%) в стали 20ХН3А обеспечивает:

• Значительное повышение прокаливаемости, что позволяет получать прокаленную структуру на большую глубину;
• Снижение критической скорости закалки, что уменьшает вероятность образования трещин и коробления при термообработке;
• Повышение вязкости и пластичности, особенно после улучшения;
• Снижение порога хладноломкости, что позволяет использовать детали при отрицательных температурах;
• Улучшение сопротивления усталостному разрушению;
• Повышение ударной вязкости сердцевины после цементации и термообработки.

Никель также способствует формированию мелкозернистой структуры, что благоприятно сказывается на механических свойствах стали.

Заключение

Сталь 20ХН3А – высококачественная легированная конструкционная сталь с отличной прокаливаемостью и механическими свойствами. После цементации и термообработки обеспечивает твердую износостойкую поверхность при вязкой сердцевине, что делает её идеальной для нагруженных деталей машиностроения.

Основные области применения – ответственные детали автомобильной, авиационной промышленности и станкостроения: шестерни, валы, кулачки, оси, работающие при высоких и ударных нагрузках, включая низкотемпературные условия.

Компания "ОборонСпецСплав" поставляет металлопрокат из стали 20ХН3А в различных формах согласно ГОСТ 4543-71, обеспечивая высокое качество продукции для самых требовательных применений.

Информация основана на ГОСТ 4543-71 и практическом опыте специалистов компании "ОборонСпецСплав".