Содержание
О марке и расшифровка обозначения
Сталь 20Х относится к группе конструкционных легированных сталей хромистой подгруппы. Её производство и поставка регламентируются ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия». Это действующий стандарт, введённый в 2017 году взамен ГОСТ 4543-71.
Расшифровка обозначения «20Х» проста и строго следует системе маркировки легированных сталей, принятой в России:
«20»
Среднее содержание углерода в сотых долях процента. Значит, углерода в стали 20Х примерно 0,20% (фактический диапазон по ГОСТ 4543-2016: 0,17–0,23%).
«Х»
Обозначение легирующего элемента «Хром». Отсутствие цифры после буквы означает, что хрома содержится около 1% (фактически 0,70–1,00% по ГОСТ 4543-2016).
По характеру применения 20Х является цементуемой (нитроцементуемой) сталью: она предназначена для деталей, поверхностный слой которых насыщается углеродом или азотом, после чего деталь закаливается. В результате поверхность получает высокую твёрдость (58–63 HRC), тогда как сердцевина остаётся вязкой. Именно это сочетание делает 20Х незаменимой для шестерён, валов, втулок, кулачков и прочих деталей, работающих на износ при ударных нагрузках.
По сравнению с нелегированной цементуемой сталью 20 марка 20Х обеспечивает более высокую прокаливаемость и лучшие прочностные характеристики в сердцевине после закалки, что позволяет применять её для деталей бо́льших сечений.
Химический состав
Химический состав стали 20Х регламентирован таблицей 2 ГОСТ 4543-2016. Ниже приведены нормативные значения массовых долей элементов для плавочного анализа ковшовой пробы.
| Элемент | Массовая доля, % | Примечание |
|---|---|---|
| Углерод (C) | 0,17–0,23 | Основа цементуемости; диапазон обеспечивает вязкую сердцевину |
| Кремний (Si) | 0,17–0,37 | Раскислитель; повышает упругость и предел текучести |
| Марганец (Mn) | 0,50–0,80 | Повышает прокаливаемость, нейтрализует вредное влияние серы |
| Хром (Cr) | 0,70–1,00 | Основной легирующий элемент; улучшает прокаливаемость и прочность сердцевины |
| Никель (Ni) | не более 0,30 | Допустимая примесь (остаточное содержание) |
| Медь (Cu) | не более 0,30 | Допустимая примесь (остаточное содержание) |
| Фосфор (P) | не более 0,035 | Вредная примесь; снижает ударную вязкость при низких температурах |
| Сера (S) | не более 0,035 | Вредная примесь; вызывает красноломкость при горячей обработке |
| Молибден (Mo) | не нормируется | В марке 20Х отсутствует; присутствует в 20ХМ, 20ХГНМ |
Хром в количестве 0,70–1,00% является главным легирующим элементом стали 20Х. Он образует карбиды хрома, повышает прокаливаемость, обеспечивает более глубокое упрочнение при закалке и позволяет использовать детали в условиях повышенного износа. Сочетание хрома с умеренным содержанием углерода (0,17–0,23%) создаёт оптимальные условия для цементации: поверхностный слой насыщается углеродом до 0,8–1,1%, обеспечивая высокую твёрдость, при этом сердцевина детали сохраняет достаточную вязкость.
Содержание серы и фосфора ограничено 0,035% каждого – это нормы для качественной стали (в обозначении нет суффиксов «А» или «Ш»). Для особо ответственных применений предусмотрена высококачественная (суффикс «А», S и P не более 0,025%) и электрошлакового переплава (суффикс «Ш») версии.
Механические свойства
Механические свойства стали 20Х по ГОСТ 4543-2016 нормируются в состоянии после термической обработки. Стандарт задаёт свойства для образцов, прошедших цементацию, закалку и низкий отпуск (либо нормализацию для ненасыщенного состояния). Ниже приведены значения для прутков диаметром до 15 мм после термообработки по режиму: цементация + закалка с 880 °C в масле + отпуск 200 °C, воздух (согласно таблице 7 ГОСТ 4543-2016).
| Характеристика | Обозначение | Значение | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Предел прочности при растяжении | σв (Rm) | не менее 800 | МПа |
| Предел текучести условный | σ0,2 (Rp0,2) | не менее 600 | МПа |
| Относительное удлинение | δ5 (A) | не менее 11 | % |
| Относительное сужение | ψ (Z) | не менее 40 | % |
| Ударная вязкость KCU | KCU | не менее 59 | Дж/см² |
| Твёрдость поверхности (после цементации и закалки) | HRC | 58–63 | – |
| Твёрдость сердцевины (после цементации и закалки) | HB | не более 241 | – |
| Твёрдость в состоянии поставки (отожжённый или нормализованный прокат) | HB | не более 179 | – |
В нормализованном состоянии (без цементации) механические свойства стали 20Х существенно ниже: предел прочности составляет порядка 490–590 МПа, предел текучести – около 290–390 МПа. Однако эти значения не нормируются ГОСТ 4543-2016 как обязательные для состояния поставки; они приводятся в справочных источниках. Проектировщику следует ориентироваться исключительно на паспортные данные конкретной термообработки.
Прокаливаемость
Сталь 20Х имеет ограниченную прокаливаемость. Полное сквозное упрочнение достигается в сечениях до ~15–20 мм. При больших диаметрах сердцевина остаётся мягкой, что допустимо для цементуемых деталей, но требует учёта при проектировании.
Цементованный слой
Эффективная глубина цементованного слоя обычно составляет 0,5–1,5 мм (по согласованию с заказчиком). Твёрдость поверхностного слоя после закалки достигает 58–63 HRC, что обеспечивает высокое сопротивление износу.
Ударная вязкость
Ударная вязкость KCU не менее 59 Дж/см² при испытании при комнатной температуре (по ГОСТ 4543-2016). Это говорит о достаточной вязкости сердцевины для восприятия ударных нагрузок.
Пластичность
Относительное удлинение δ5 не менее 11%, сужение ψ не менее 40%. Обе характеристики свидетельствуют о хорошей пластичности металла сердцевины детали после окончательной термообработки.
Температурный режим и термообработка
Сталь 20Х является цементуемой (нитроцементуемой) конструкционной сталью. Весь технологический маршрут от заготовки до готовой детали включает несколько видов термической обработки, каждый из которых регламентируется соответствующими технологическими документами (заводские технологические инструкции, РД и ГОСТ 4543-2016).
- Цементация при температуре 900–950 °C (газовая или твёрдая)
- Закалка с 880 °C, охлаждение в масле
- Низкий отпуск при 160–200 °C, охлаждение на воздухе
| Вид термообработки | Температура, °C | Охлаждающая среда | Результат |
|---|---|---|---|
| Отжиг (для снятия напряжений перед механообработкой) | 860–900 | Медленно с печью | HB не более 179; улучшение обрабатываемости резанием |
| Нормализация | 880–900 | Воздух | Однородная структура, HB ~ 131–163; используется как предварительная ТО |
| Цементация (насыщение поверхности углеродом) | 900–950 | – (насыщение в атмосфере) | Концентрация C в слое до 0,8–1,1%; глубина слоя 0,5–1,5 мм |
| Закалка (окончательная) | 880 ± 10 | Масло | Поверхность HRC 58–63; сердцевина HRC 30–40 |
| Низкий отпуск | 160–200 | Воздух | Снятие закалочных напряжений без потери твёрдости поверхности |
Температурный диапазон горячей деформации (ковка, штамповка): начало деформации при 1200 °C, конец – не ниже 800 °C. После горячей деформации рекомендуется нормализация для измельчения зерна.
Морозостойкость и рабочий температурный диапазон. Сталь 20Х не относится к специализированным хладостойким маркам и не испытывается по ГОСТ 4543-2016 при отрицательных температурах в обязательном порядке. Однако благодаря низкому содержанию углерода в сердцевине и хорошей вязкости (KCU ≥ 59 Дж/см² при +20 °C) изделия из стали 20Х работоспособны при умеренно низких температурах до примерно -40 °C в зависимости от конструкции детали и условий нагружения. Для работы при температурах ниже -40 °C следует предусматривать дополнительные испытания либо выбирать специализированные хладостойкие стали.
Верхний рабочий предел температуры для деталей из стали 20Х с цементованным слоём определяется температурой отпуска (160–200 °C): длительная эксплуатация при температурах выше 200 °C ведёт к разупрочнению поверхностного слоя. Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяются молибденсодержащие марки.
Нормативные документы и виды проката
Сталь 20Х поставляется по ГОСТ 4543-2016 в различных видах металлопродукции. Ниже перечислены основные стандарты, регламентирующие конкретные виды проката и полуфабрикатов из этой марки.
| Вид металлопродукции | ГОСТ / ТУ | Примечание |
|---|---|---|
| Прутки горячекатаные, кованые (в том числе квадрат, круг, шестигранник) | ГОСТ 4543-2016 | Основной документ; химсостав и механические свойства |
| Прутки калиброванные | ГОСТ 7417-75 | Точность h9–h11, диаметры 3–100 мм |
| Прутки со специальной отделкой поверхности (шлифованные) | ГОСТ 14955-77 | Допуски h6–h9; применяется для точных посадочных мест |
| Поковки из конструкционной стали | ГОСТ 8479-70 | Группы II–V; механические свойства нормируются по группам |
| Листовой горячекатаный прокат | ГОСТ 1577-93 | Лист, полоса; толщина 4–160 мм; марка 20Х входит в область применения |
| Трубы бесшовные горячедеформированные | ГОСТ 8732-78 | Из конструкционной легированной стали, применяется для изготовления деталей типа «втулка», «гильза» |
| Трубы бесшовные холоднодеформированные | ГОСТ 8734-75 | Малые диаметры с жёсткими допусками |
| Полоса горячекатаная | ГОСТ 103-2006 | Ширина 11–200 мм, толщина 4–60 мм |
Наиболее распространённая форма поставки стали 20Х – горячекатаный круглый пруток (ГОСТ 4543-2016 в части размеров – по ГОСТ 2590-2006) диаметром от 8 до 250 мм. Именно прутки являются основным исходным материалом для токарной обработки и последующей цементации/закалки деталей машиностроительного назначения.
Состояние поставки – без термической обработки или в нормализованном состоянии. Твёрдость в состоянии поставки по ГОСТ 4543-2016 – не более HB 179 (для нормализованного проката). Твёрдость контролируется на каждом прутке или по плавке в зависимости от требований заказа.
Область применения
Сталь 20Х находит широкое применение в отраслях, где от деталей требуется одновременно высокая поверхностная твёрдость (сопротивление износу) и достаточная вязкость сердцевины (устойчивость к ударным нагрузкам). Хромистое легирование обеспечивает лучшую прокаливаемость по сравнению с нелегированными цементуемыми сталями, что позволяет применять её для деталей сечением до 20–25 мм.
Машиностроение
Шестерни, зубчатые колёса, звёздочки цепных передач, кулачки распределительных валов, толкатели клапанов. Детали работают на изгиб и контактный износ при ударных нагрузках.
Автомобилестроение и сельхозмашиностроение
Шлицевые валы, втулки, оси, пальцы, муфты сцепления. Характерно применение в трансмиссиях легковых и грузовых автомобилей, тракторов.
Станкостроение
Шпиндели, гильзы, направляющие втулки, ходовые винты небольшого диаметра. Требования к точности поверхности сочетаются с требованиями по твёрдости.
Горнодобывающее и нефтегазовое машиностроение
Детали буровых установок, соединительные муфты, вкладыши подшипников скольжения. Работают в условиях износа и умеренных ударных нагрузок.
Подъёмно-транспортное оборудование
Крюки, звенья цепей, пальцы цепей конвейеров. Требуется сочетание прочности и пластичности при циклических нагрузках.
Точное приборостроение
Небольшие ответственные детали, требующие высокой поверхностной твёрдости при малом сечении (до 10–15 мм), где прокаливаемость 20Х полностью достаточна.
Характерный пример применения – шестерня коробки передач: зубья цементируются на глубину 0,8–1,2 мм, закаливаются до HRC 58–62, при этом тело шестерни сохраняет вязкость и не разрушается при ударах. Аналогичная логика применяется для распределительных валов: кулачки проходят цементацию, обеспечивая твёрдую рабочую поверхность, тогда как шейки вала сохраняют упругость.
Свариваемость и технология сварки
Сталь 20Х относится к группе «ограниченно свариваемых» сталей. Это обусловлено наличием хрома, который при сварке склонен к образованию карбидов хрома в зоне термического влияния, что снижает пластичность и коррозионную стойкость шва. Углеродный эквивалент стали 20Х составляет приблизительно 0,38–0,42 (расчёт по формуле Сефериана), что уже выводит сталь за пределы «хорошей» свариваемости.
Рекомендуемые сварочные материалы:
- Электроды типа Э42А, Э50А по ГОСТ 9467-75 (для ручной дуговой сварки). Обеспечивают механические свойства металла шва, близкие к свойствам основного металла.
- Сварочная проволока Св-08А, Св-08ГА по ГОСТ 2246-70 (для сварки под флюсом и в защитных газах).
- Для ответственных соединений применяют проволоку Св-08ХМ по ГОСТ 2246-70 – легированную хромом и молибденом, обеспечивающую лучшее соответствие химсостава шва основному металлу.
| Параметр сварки | Рекомендуемое значение | Примечание |
|---|---|---|
| Предварительный подогрев (толщина 10–30 мм) | 150–200 °C | Снижает скорость охлаждения ЗТВ, предотвращает образование мартенсита |
| Межпроходная температура | не ниже 150 °C | Поддерживать на протяжении всего процесса сварки многослойного шва |
| Термообработка после сварки | Отпуск 600–650 °C, 1–2 ч | Снятие сварочных напряжений, восстановление пластичности ЗТВ |
| Метод сварки | РДС, МИГ/МАГ, сварка под флюсом | Контактная сварка не применяется для ответственных швов |
Важное ограничение: Если деталь из стали 20Х прошла цементацию и закалку, сварка сварных соединений в зоне цементованного слоя категорически не рекомендуется. Цементованный и закалённый слой является хрупким и склонен к образованию трещин при термическом цикле сварки. Сварка цементованных деталей допустима только на нецементованных участках с соблюдением всех требований к подогреву и послесварочному отпуску.
Зарубежные аналоги
Ниже приведены наиболее близкие зарубежные аналоги стали 20Х по химическому составу и назначению. Следует учитывать, что полного совпадения по всем параметрам не существует: стандарты разных стран предусматривают различные допуски, методы испытаний и виды термообработки. При замене отечественной марки на зарубежный аналог или наоборот необходима проверка соответствия конкретным требованиям чертежа и технических условий.
| Страна / Система | Марка / Обозначение | Стандарт | Примечание о соответствии |
|---|---|---|---|
| Германия (EN) | 20Cr4 / 1.7027 | EN 10084:2008 | Ближайший аналог по EN; хром 0,70–1,00%, углерод 0,17–0,23% – практически идентично 20Х |
| Германия (DIN, устаревший) | 20Cr4 | DIN 17210 (отменён, заменён EN 10084) | Широко упоминается в исторической документации; соответствует EN 10084 20Cr4 |
| США (AISI/SAE) | 5120 | SAE J403 / ASTM A519 | Хром 0,70–0,90%, углерод 0,17–0,22%; близкий аналог, незначительно уже диапазон Cr |
| Япония (JIS) | SCr420 | JIS G 4053:2016 | Хром 0,90–1,20%, углерод 0,18–0,23%; содержание Cr несколько выше, чем у 20Х |
| Китай (GB) | 20Cr | GB/T 3077-2015 | Практически прямой аналог; химсостав совпадает с ГОСТ 4543-2016 по 20Х |
| Великобритания (BS, устаревший) | 527M20 (ранее EN 207) | BS 970-3:1991 | Близкий аналог по цементуемым хромистым сталям; BS 970 ныне заменён EN 10084 |
| Швеция (SS, устаревший) | SS 2127 | SS 142127 (исторический) | Упоминается в справочниках по аналогам; шведские стандарты приведены к EN |
Наиболее употребительный аналог в международной документации – SAE 5120 (США) и 20Cr4 по EN 10084 (Европа). Эти марки взаимозаменяемы с 20Х в большинстве машиностроительных применений при условии сохранения режима термообработки. Китайский аналог 20Cr по GB/T 3077-2015 по химсоставу наиболее близок к отечественной марке, что упрощает сопоставление при импорте.
Купить прокат из стали 20Х
УРТК (Уральская торговая компания, Екатеринбург) поставляет прокат из стали 20Х по ГОСТ 4543-2016 в следующих видах:
- Круг горячекатаный (пруток) – диаметры от 10 до 300 мм, длина 3–6 м
- Квадрат горячекатаный – сторона от 10 до 200 мм
- Шестигранник горячекатаный – размер под ключ от 10 до 100 мм
- Пруток калиброванный (h9–h11) – диаметры 10–100 мм
- Полоса горячекатаная – толщина 4–60 мм, ширина 20–200 мм
- Лист горячекатаный – по согласованию с менеджером
Сертификаты качества
На каждую партию проката прилагается сертификат соответствия с результатами плавочного анализа (химсостав), механических испытаний и твёрдости. Данные сертификата верифицируются по марке плавки.
Наличие на складе
Прутки диаметром 20–160 мм из стали 20Х регулярно присутствуют на складе в Екатеринбурге. Наличие конкретных типоразмеров уточняйте у менеджера или в онлайн-каталоге.
Порезка в размер
Возможна отрезка заготовок в размер по чертежу заказчика. Точность реза – по ГОСТ 2590-2006. Поставка мерными или кратными длинами от 1 штуки.
Доставка
Доставка автотранспортом по Екатеринбургу и Уральскому региону. Отгрузка железнодорожным транспортом по всей России. Самовывоз со склада.
Для подбора прокатной продукции из стали 20Х, уточнения наличия и цен перейдите в каталог чёрного металлопроката. Если нужной позиции нет в наличии – наши менеджеры организуют поставку под заказ с ближайшего металлургического предприятия.
Часто задаваемые вопросы
Что означает маркировка «20Х» и чем она отличается от «Сталь 20»?
«20» – содержание углерода около 0,20% (фактически 0,17–0,23%), «Х» – легирующий элемент хром в количестве около 1% (фактически 0,70–1,00%). В отличие от нелегированной Стали 20 (ГОСТ 1050-2013), марка 20Х содержит хром, который повышает прокаливаемость и прочность сердцевины после закалки. Сталь 20Х относится к конструкционной легированной стали по ГОСТ 4543-2016, Сталь 20 – к углеродистой качественной стали по ГОСТ 1050-2013.
Какой ГОСТ регулирует поставку стали 20Х?
Основной документ – ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия». Он введён в действие с 1 ноября 2017 года взамен ГОСТ 4543-71. На конкретные виды проката дополнительно действуют: ГОСТ 7417-75 (калиброванный пруток), ГОСТ 8479-70 (поковки), ГОСТ 1577-93 (лист). Полный перечень нормативных документов доступен в справочнике ГОСТов.
Какова твёрдость стали 20Х после цементации и закалки?
Твёрдость поверхностного цементованного слоя после закалки составляет 58–63 HRC. Твёрдость сердцевины детали после той же термообработки – не более HB 241 (это соответствует приблизительно 25–27 HRC). В состоянии поставки (нормализованный или отожжённый прокат) твёрдость не превышает HB 179.
Можно ли заменить сталь 20Х на Сталь 20 (ГОСТ 1050-2013)?
Замена допустима только для деталей с малым сечением (до 10–12 мм), где прокаливаемость нелегированной Стали 20 достаточна. При сечениях свыше 12–15 мм Сталь 20 не обеспечит необходимой прочности сердцевины после закалки. Для ответственных деталей (шестерни, валы коробок передач) замена без согласования с конструктором недопустима.
Какие электроды применять при сварке стали 20Х?
Для ручной дуговой сварки рекомендуются электроды типа Э42А или Э50А по ГОСТ 9467-75. При сварке в защитных газах или под флюсом применяется проволока Св-08А или Св-08ГА по ГОСТ 2246-70. При повышенных требованиях к свойствам шва используется проволока Св-08ХМ. Обязателен предварительный подогрев до 150–200 °C при толщине свариваемых элементов свыше 10 мм.
При какой температуре выполняется цементация стали 20Х?
Цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом) выполняется при температуре 900–950 °C. После цементации следует закалка с температуры 880 °C в масле и низкий отпуск при 160–200 °C. Глубина цементованного слоя составляет обычно 0,5–1,5 мм в зависимости от времени выдержки и требований чертежа.
До каких отрицательных температур работоспособна сталь 20Х?
ГОСТ 4543-2016 не нормирует ударную вязкость при отрицательных температурах для стали 20Х. На практике, с учётом низкого содержания углерода в сердцевине и хорошей пластичности, изделия из 20Х работоспособны при температурах до -40 °C в зависимости от конструкции и условий нагружения. Для работы при более низких температурах следует предусматривать дополнительные испытания или выбирать специализированные хладостойкие марки.
Какой зарубежный аналог стали 20Х используется в европейских проектах?
В европейской документации ближайший аналог – 20Cr4 (1.7027) по EN 10084:2008. В американской системе ему соответствует SAE 5120. В китайском стандарте – 20Cr по GB/T 3077-2015. Для японских проектов применяется SCr420 по JIS G 4053. При замене необходима проверка соответствия требованиям конкретного чертежа.
Можно ли применять сталь 20Х для изготовления пружин или рессор?
Нет. Сталь 20Х не предназначена для пружин и рессор. Для таких изделий применяются специальные пружинные стали: 65Г, 60С2А, 50ХФА и аналогичные марки с высоким содержанием углерода и специфическим легированием, регламентируемые ГОСТ 14959-2016. Сталь 20Х – цементуемая, её назначение – детали с упрочнённым поверхностным слоем при вязкой сердцевине.
В чём разница между 20Х и 20ХН, 20ХГНМ?
Сталь 20ХН дополнительно легирована никелем (1,4–1,8%), что обеспечивает лучшую прокаливаемость и хладостойкость. Сталь 20ХГНМ содержит марганец, никель и молибден – эта комплексная система легирования даёт высокую прокаливаемость для крупных сечений и лучшие усталостные характеристики. Сталь 20Х применяют для деталей сечением до 15–20 мм, 20ХН – до 30–40 мм, 20ХГНМ – для ещё более крупных ответственных деталей. Выбор определяется сечением детали и требованиями чертежа.
Прокат из стали 20Х в наличии на складе в Екатеринбурге
УРТК поставляет горячекатаные и калиброванные прутки, полосу и лист из стали 20Х по ГОСТ 4543-2016. Сертификаты качества на каждую партию. Порезка в размер. Отгрузка по всей России.
Посмотреть прокат в каталоге