20х13 сталь обработка резанием

Обновлено: 12.05.2024

Сталь 20Х13 относится к сплавам с содержанием углерода ниже среднего – 0,2% по массе. Это хромсодержащая сталь, обладающая некоторой устойчивостью к ржавлению – стойкость ей придает хром, содержащийся в ней.

Состав и расшифровка

Маркер 20Х13 означает, что содержание углерода – 0,2%, хрома – 13%. Количество других примесей, присадок в этом сплаве прямо не указано, но они есть. Сталь 20Х13 представляет собой отсылку к некоторым аналогам с химическим составом, в котором содержание хрома по массе выше 10%. Однако такого количества хрома недостаточно, чтобы 20Х13 считалась полноценной нержавейкой. Хром также придаёт стали ударную вязкость, из-за чего та сложна в резке и сверлении.

Колебания содержания углерода по массе возможны в пределах 1,6-2,5 промилле. В качестве дополнительных примесей – марганец и никель: их содержание не превышает 6 промилле в пересчёте на оба компонента. Удаление же полностью фосфора и серы, делающих любую сталь на основе железа хрупкой и ломкой, требует соблюдения технологий, которые недёшевы в своём применении. В сталях обычного качества содержание фосфора и серы не превышает 0,3 промилле – в пересчёте на обе эти примеси.

Характеристики и свойства

Для каждого вида продукции, выпускаемой из стали 20Х13, разработан свой ГОСТ. Твёрдость по Роквеллу – не более 28 единиц (давление, при котором она теряет форму – 5000 земных атмосфер). Плотность 20Х13 – 7,67 г/см3. Температура, при которой сталь 20Х13 белеет и делается мягкой, – за 1500 градусов. Чтобы она полностью расплавилась и начала стекать, потребуется накал в печи не менее 1600 градусов по Цельсию – это и есть температура окончательного плавления. Предел прочности – 157-289 МПа: испытательная нагрузка допускается в этом интервале в зависимости от температуры, до которой нагрета заготовка. Чем выше эта температура, тем меньше предел прочности: при дальнейшем повышении от 600 градусов по Цельсию он ещё больше сокращается (менее 157 МПа на разрыв, слом, надлом с трещинами). Состав 20Х13 магнитится – он относится частично к ферритным сталям (класс мартенситно-ферритный), ферромагнетик.

Свариваемость 20Х13 – ограниченная: примесь хрома образует на поверхности заготовок, сработанных из этого состава, прочную и плотную оксидную пленку, препятствующую свариваемости, поэтому без подогрева до нескольких сот градусов перед сварочным сеансом не обойтись. Термический отжиг перед сваркой потребует по окончании сварочных работ проведения медленного остывания сварных деталей до температуры окружающей среды (вместе с печью). Вручную же сварить детали из состава 20Х13 без предподогрева весьма затруднительно: шов не окажется в полной мере прочным, возможен отрыв заготовок друг от друга в самые ответственные моменты ударно-вибрационной нагрузки.

Дело в том, что подогрев превращает окись в окалину, которая легко осыпается, обнажая неокисленный нижний слой, именно в эти моменты и должны свариваться вместе обе заготовки.

Физические

При нагреве состава 20Х13 от комнатной температуры до 900 градусов значение теплопроводности возрастает с 23 до 28 ватт на метр длины заготовки, нагреваемой на каждый градус Цельсия. Удельная теплоёмкость в интервале температур от 100 до 700 градусов по Цельсию растёт с 461 до 963 джоулей на килограмм веса этой же заготовки, нагреваемой на один такой градус.

Электрическое удельное сопротивление при нагревании с 20 до 700 градусов по Цельсию возрастает начиная с 0,0588 Ом на метр проволоки из стали 20Х13 сечением в 1 мм2. Конечное значение составляет 0,1122 Ом на метр такой же проволочной заготовки.

Механические

Стойкость к коррозии в паре или дистиллированной, речной, озёрной воде – до 100 мкм/год. В почвенной или в морской воде сталь 20Х13 ржавеет до 1 мм/год вглубь. Теоретически 5-миллиметровый лист проржавеет в водопроводной воде полностью за 50 лет, в морской – за 5. Сталь нестойка в большинстве солей, кислот и щелочей: те её активно разрушают, как и сплавы любых железосодержащих марок.

Присадки – никель, хром, марганец – находятся в ряду Бекетова по активности левее водорода, а это значит, что, к примеру, раствор всё той же серной кислоты реагирует с каждым из этих компонентов сплава 20Х13 по отдельности, превращая заготовку в смесь соответствующих солей. Однако протравливание серной кислотой только что полученных заготовок производится, к примеру, перед анодированием.

Технологические

Нормализация 20Х13 осуществляется при температуре чуть больше 1000 градусов. Отпуск – при 600-725, закалка – при 1050. Куют этот состав при 1250 градусах, при остывании же до 850 ковать его прекращают. Сечение толщиной до 15 см медленно охлаждается самостоятельно. Интервал в 15-40 см нуждается в дополнительном отжиге при ковке, при этом допускается однократное переохлаждение.

При термоотпускании заготовки возможно дополнительное охрупчивание сплава – изменяется его фазовое состояние (внутренняя структура кристаллической решётки).

Выпуск

Формование сплава 20Х13 производится по следующему сортаменту: квадратные и круглые пруты, полосовая сталь, стальная лента с толщиной до 1 мм, стальные листы от 0,6 мм, цельные кованые элементы, например, «стрелки» для забора, «подвески» для ворот и калиток, круглая труба от 1/4 до 2 дюймов с толщиной стенок до 10 мм, стальная проволока диаметром разреза от 1 до 6 мм.

Аналоги и заменители

Состав 12Х13 заменяется российским аналогом 14Х17Н2. Для зарубежных марок свойственны следующие изменения.

Немецкий состав DIN

Американский (AISI, SAE, ASTM)

Перед заменой проводят экспертное сравнение в соответствии с пожеланиями заказчика.

Применение

Состав 20Х13 применяют для метизов – болты, гайки, прессующие шайбы. Для гроверных шайб такой сплав не подойдёт – он является низкоуглеродистым, и пружинящего эффекта, лежащего в основе шайбы Гровера, не произойдёт. Болты и гайки, плоские шайбы из этого состава отличаются существенной устойчивостью к ржавлению – из-за наличия 13% хрома, значительно приближающего этот сплав к нержавеющим. Для энергетической отрасли сгодится применение сплава в качестве исходного материала к валам моторов и генераторов, лопастей турбин.

Возведение печей бытового назначения возможно из-за принадлежности сплава 20Х13 к числу жаростойких и жаропрочных. Он отлично выдержит температуру, не меняя свои свойства, при которой, к примеру, алюминиевые сплавы давно бы расплавились. И хотя любая марка стали выдерживает нагревание свыше 1300 градусов, не теряя формы, такие сплавы при температуре в несколько сот градусов жары «отпустились» бы, превратившись в «пластилиновую сталь», чрезмерно гибкую и эластичную.

Наконец, состав 20Х13 активно идёт на изготовление конструкций теплоперегонных установок, где производится термический крекинг сырой нефти и перегонка вторсырья, когда-то изготовленного из нефтепродуктов, например, разложение пластиковых бутылок из ПЭТ на вторичные бензомасла: такая сталь выдержит многие тысячи циклов «нагрев-охлаждение», не потеряв свои свойства (теплостойкость).

Обработка

Несмотря на ограниченную свариваемость состава 20Х13, применяются все три типа сварки: ручная дуговая, ручная газовая (ацетилен-кислород-метан), (полу) автоматическая (в инертной среде, например, в атмосфере углекислого газа или аргона). При сваривании в несколько сеансов этапы предподготовки и завершающий повторяются по циклической схеме. Нарушение технологии, пренебрежение подготовкой и поствыдержкой после сварки обернётся непрочностью сварных швов с вытекающими отсюда последствиями. Вначале заготовки размечаются согласно чертежу. Затем они разрезаются строго по этой разметке. Домашние или гаражные условия предполагают использование малогабаритных станков (пильного, фрезерного, а также болгарки). В промышленных же условиях частью конвейерного производства является фрезерная резка или лазерно-плазменное разрезание. Края деталей, по которым накладываются сварные швы, отшлифовываются до металлического блеска. На этом этапе возможные насечки и выбоины полностью удаляются. При необходимости производится обезжиривание их спиртом, ацетоном, бензином высокого качества (высшей степени очистки).

Предварительный прогрев (термообработка) производится с помощью газовой горелки (можно использовать газосварочную) либо при помощи паяльной лампы. На этом этапе полностью исключается попадание воды в сварочный стык. Режимы предпрогрева предусматривают нагрев стали до температуры, при которой она начинает светиться в темноте красноватым свечением. Прогрев и очистив края деталей, сварку производят при помощи точек-прихваток. Затем накладывается основной сварочный шов – по всей длине. На последней стадии, дождавшись остывания только что выполненного стыка (как правило, несколько минут), сбивают и счищают натёкший от электродов шлак. Счистив лишний наплавленный металл с помощью шлифовальной машинки, просматривают только что выполненный стык на «непровар».

В условиях промышленного производства сварных функциональных блоков и узлов может применяться рентгенологическое обследование на непроваренные точки и участки. Если таковые были найдены, то проблемные участки подчищают, подогревают и переваривают (проваривают), пока дефекты не окажутся устранены.

20х13 сталь обработка резанием

Перлит , в свою очередь, осложняет процесс резания следующими факторами: сильный абразивный износ; повышенные силы резания.

Обрабатываемость резанием сталей с содержанием C < 0,25 % в значительной мере обусловлена вышеназванными свойствами феррита. При низких скоростях резания на режущей кромке образуются наросты. С повышением скорости резания износ инструмента постепенно увеличивается, при этом возрастает и температура резания. Учитывая эти факторы, следует выбирать инструмент по возможности с положительным передним углом. Поверхности низкого качества и с множеством заусенцев образуются прежде всего при низких скоростях резания, обусловленных технологией обработки.

Для углеродистых сталей с содержанием C от 0,25 до 0,4 % свойства перлита влияют на обрабатываемость резанием следующим образом: снижаются склонность к налипанию и образование наростов на режущей кромке; вследствие повышенной нагрузки на зону контакта возрастает температура резания и увеличивается износ инструмента; структура материала положительно влияет на чистоту обработки поверхности, на количество и форму стружки.

При дальнейшем повышении содержания углерода (0,4 % < C < 0,8 %) доля перлита увеличивается, а при 0,8 % C перлит остается единственной структурной составляющей. В целом стали считаются материалом, хорошо поддающимся резанию, только с точки зрения образования стружки и чистоты обработки поверхности. Вследствие повышенной твёрдости и прочности надлежит считаться с интенсивным износом. Для уменьшения износа следует работать с пониженной скоростью или с использованием СОЖ.

В заэвтектических углеродистых сталях (C > 0,8 %) при медленном охлаждении на воздухе также образуются феррит и цементит . В отличие от доэвтектических углеродистых сталей ферритовая решетка не образуется, феррит присутствует только в качестве раствора в перлите. Образование перлита начинается непосредственно от границ зерна аустенита. При содержании углерода значительно выше 0,8 % на границах зерна происходит осаждение цементита, т.е. даже свободный цементит образует оболочку вокруг зерен аустенита или перлита. Подобные стали при обработке резанием вызывают очень сильный износ. Наряду с интенсивным абразивным воздействием твёрдых и хрупких структурных составляющих, возникающие высокие давления и температуры даже при

сравнительно низких скоростях резания вызывают сильный износ по передней и задней поверхностям. В связи с этим надлежит работать с низкими скоростями резания и большими поперечными сечениями стружки, а также с прочными режущими кромками.

В инструментальных, легированных и быстрорежущих сталях увеличение легирующих элементов всегда приводит к ухудшению обрабатываемости (до Коб = 0,6) и росту шероховатости обработанной поверхности вследствие образования твердых карбидов. При этом, как правило, повышаются предел прочности σв при растяжении и твердость сталей, возрастает сопротивление сталей обработке резанием. Наихудшую обрабатываемость имеют структуры: сорбитообразный перлит, сорбит и тростит после закалки и отпуска. Наилучшей по обрабатываемости структурой инструментальных сталей является зернистый перлит с равномерно распределенными мелкими карбидами после тщательной проковки и сфероидизирующего отжига. В целом же в зависимости от химического состава у высоколегированных сталей коэффициент обрабатываемости снижается от Коб = 0,65 (хромистые, коррозионностойкие стали) до Коб = 0,3 (хромоникелевые жаростойкие стали).

Низкоуглеродистая сталь … такая как Ст. 3, Сталь 20… (содержание углерода <0,25%) требует особого внимания из-за сложностей со стружкодроблением и тенденции к налипанию (наростообразование на режущей кромке). Для дробления и отвода стружки необходимо обеспечить как можно большую подачу. Необходимо использовать высокую скорость резания для предотвращения наростообразования на режущей кромке пластины, которое может отрицательно сказываться на качестве обработанной поверхности. Применение пластин с острыми кромками и геометриями для ненагруженного резания уменьшают тенденции к налипанию материалов и предотвращают разрушение кромки.

При чистовой обработке таких сталей рекомендуется применение острых полированных геометрий пластин из кермета, при этом скорость резания должна быть в пределах от 150 до 450 м/мин (в зависимости от условий обработки и производителя пластин значение скорости резания может доходить до 500-700 м/мин). Кермет обеспечивает не только превосходную остроту режущей кромки, но способствует минимальному взаимодействию материала инструмента и обрабатываемого материала, что в свою очередь способствует получению высокого качества обрабатываемых поверхностей. Кермет как правило плохо работает на скоростях ниже 100 м/мин, качество обработки и стойкость пластин заметно снижаются.

Применение высококачественных СОЖ для чистовой обработки так же способствует улучшению обрабатываемости низкоуглеродистых сталей.

При фрезеровании низкоуглеродистых сталей основной проблемой так же является образование наростов и заусенцев. Одним из вариантов решения проблемы является применение скоростной обработки, применение инструментов с острой геометрией, применение качественных СОЖ.

Обрабатываемость низколегированной стали зависит от содержания легирующих элементов и термообработки (твёрдости). Для всех материалов в этой группе наиболее распространёнными механизмами износа являются лункообразование и износ по задней поверхности. Поскольку упрочнённые материалы выделяют в зоне резания больше тепла, распространённым механизмом износа также является пластическая деформация. Для низколегированной стали в неупрочнённом состоянии первым выбором будет серия сплавов и геометрий для стали. Для точения упрочнённых материалов предпочтительно использовать более твёрдые сплавы, пластины с многослойными износостойкими покрытиями (в определенных случаях керамику и CBN).

Высоколегированные стали с общим содержанием легирующих элементов более 5%. В эту группу входят и мягкие, и упрочнённые материалы. Обрабатываемость снижается с ростом содержания легирующих элементов и твёрдости. Что касается низколегированных сталей, то первым выбором будут сплавы и геометрии для стали. Сталь с содержанием легирующих элементов более 5% и твёрдостью более 450 HB предъявляет дополнительные требования в плане стойкости к пластической деформации и прочности кромки. Часто для сталей, в состав легирующих элементов которой входят хром, титан, марганец - рекомендуется применение прочных сплавов пластин с многослойными износостойкими покрытиями подобными для обработки чугунов, поскольку преобладающим становится износ по задней поверхности, выкрашивания.

При фрезеровании сталей высокой твёрдости важное значение приобретает взаимное расположение заготовки и фрезы для предотвращения выкрашивания режущей кромки (во избежание излишнего увеличения толщины стружки на выходе, а также по возможности проводить черновую обработку без применения СОЖ).

Нужно заметить, что в каталогах различных производителей инструмента мартенситные нержавеющие стали (типа 20Х13, 40Х13, 65Х13, 14Х17Н2, 95Х18 и др.) часто вносят в таблицы раздела группы Р. При обработке подобных материалов назначаются инструменты (марки сплавов) соответствующие для обработки сталей из раздела ISO группы Р. Мартенситная структура твердая, и вызывает в основном износ по задней поверхности. Применение твердых сплавов с многослойными износостойкими покрытиями, которые в сочетании обеспечивают и хорошую термостойкость, и высокую износостойкость позволяют вести обработку таких сталей без особых сложностей. Коэффициент обрабатываемости таких сталей в отожженном состоянии, или в закаленном и отпущенном состоянии при твердости 270-340HB для твердого сплава составляет Кʋтв.спл.=0,6-0,8.

Обрабатываемость многих сталей улучшается в результате отжига и отпуска , которые приводят к снижению действительного предела прочности при максимальном выделении из твердого раствора и максимальной коагуляции карбидов. Плохо обрабатываются стали и как с очень низкой твердостью, так и с высокой.

- мартенситные стали, которые имеют в качестве основной структурной составляющей мартенсит. Они содержат от 12 до 17 % Cr (хромистые стали) и имеют достаточно высокое содержание углерода (C), что позволяет подвергать такие сплавы закалке.

- мартенситно-ферритные сплавы имеют структуру, в которой, кроме мартенсита, содержится более 10 % феррита. Они включают от 13 до 18 % Cr (хромистые стали).

- ферритные стали отличаются структурой, основанной на феррите. В их составе есть от 13 до 30 % Cr (хромистые стали). Такие сплавы отличаются магнитными свойствами. Они имеют доступную себестоимость, что обусловлено низким содержанием никеля.

- аустенито-мартенситные стали имеют структуру, состоящую из аустенита и мартенсита в определенных пропорциях. Они включают от 12 до 18 % Cr и от 4 до 9 % Ni (хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали).

- аустенито-ферритные сплавы имеют структуру, включающую аустенит и минимум 10 % феррита (хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали).

- аустенитные стали имеют структуру, основанную на аустените (хромоникелевые стали, хромомарганцевоникелевые стали).

В сравнении с обычными сталями, высоколегированные коррозионно-стойкие и жаростойкие стали обладают худшей обрабатываемостью, так как содержат в больших количествах легирующие элементы: хром (15. 18 %), никель (8. 11 %), марганец (1.. .2 %). Иногда в них входят в небольших количествах титан, вольфрам, молибден, ниобий при некотором снижении содержания хрома и никеля.

Снижение обрабатываемости этих сталей связано с изменением их механических и теплофизических свойств. Например, жаростойкие (окалино-стойкие) и жаропрочные стали аустенитного класса отличаются высокой упрочняемостью при резании. Некоторые марки сталей в процессе пластического деформирования склонны к структурным превращениям, заключающимся в переходе аустенита в мартенсит. Эти стали, как правило, имеют низкую теплопроводность, что затрудняет отвод теплоты из зоны резания в стружку и заготовку. При этом повышаются температура резания и интенсивность износа инструментов, возможно образование термических трещин на кромках инструмента (пластин).

Стоит заметить, в определенных случаях предварительная термическая обработка на структуру - способствует улучшению обрабатываемости многих типов нержавеющих сталей.

При обработке нержавеющих сталей затруднен контроль над стружкообразованием, наиболее плохой контроль над стружкодробленим происходит при обработке аустенитных и дуплексных нержавеек, относительно хороший при обработке ферритной и мартенситной нержавеющих сталей. Обработка нержавеющих сталей сопровождается высокими силами резания и высокой температурой в зоне резания, липкие сорта склонны к налипанию на режущую кромку (образование наростов при невысоких скоростях обработки), склонны к упрочнению. Для снижения вероятности образования наростов рекомендуется обработка на скоростях более 100-120 м/мин. При черновой обработке, в случае, когда подача СОЖ строго в зону резания затруднена даже с применением высокого давления СОЖ через инструмент (державку) – рекомендуется работа без применения СОЖ для снижения вероятности возникновения термотрещин. При чистовой обработке применение СОЖ обязательно (при этом стоит заметить, что качество обработанных поверхностей, стойкость инструмента во многом зависит от качества СОЖ и схемы его подачи). Подача СОЖ под высоким давлением четко в зону резания может снизить износ инструмента до 2-5 раз. Нужно упомянуть и положительный опыт при охлаждения зоны резания углекислотой до температуры минус 50-70 градусов по Цельсию.

При работе на универсальных станках в качестве смазки (СОЖ) при обработке нержавеющих сталей часто применяют олеиновую кислоту, сало, иногда специализированные смазки (см .приложение 1 ).

Описание стали 40Х13 и ее обработка

Порой качество режущего инструмента зависит вовсе не от бренда, а от особенностей термообработки металлического сплава. Сталь марки 40Х13 — это тот самый случай. Она считается одной из самых востребованных марок на рынке, её отличает устойчивость характеристик при эксплуатации в самых разных средах.

Сталь марки 40Х13 всегда считалась одной из лучших. Такое мнение сложилось из-за того, что сплав представляет собой коррозионностойкий материал. Он позволяет изготовить ножи, дающее максимально острый рез за счет бритвенной заточки и тонкого лезвия. Неслучайно из этого сплава всегда делали скальпели и некоторые другие медицинские инструменты.

В соответствии с действующим ГОСТом, маркировка стали несёт в себе информацию об основных характеристиках металла:

число «40» означает долю углерода, одного из основных элементов любого стального сплава, придающего ему необходимую степень твердости (концентрация этого элемента варьируется в диапазоне от 0,36 до 0,44%);
«Х» указывает на введение легирующей добавки (хрома);
«13» обозначает долю хрома, она составляет 12-14%.

Присутствие хрома придает сплаву стойкость к агрессивным воздействиям рабочей среды, а его концентрация свыше 13% делает металл нержавеющим. Кроме того, хром оказывает воздействие на структуру и химические свойства стали.

По своему составу этот материал относится к группе среднеуглеродистых. Помимо хрома и углерода, он содержит:

кремний – до 0,8%;
марганец – 0,5-0,8%;
медь и никель – по 0,3%.

Присутствие никеля повышает параметры пластичности и прочностные характеристики материала. Кремний вводят для улучшения упругости и электрического сопротивления сплава. Как и во многих других железосодержащих сплавах, здесь имеются незначительные примеси серы и фосфора в концентрации 0,025-0,03%.

Плюсы и минусы

Среди основных преимуществ стали 40Х13 выделяют:

повышенную жаропрочность;
коррозионную стойкость.

Это материал не окисляется даже в соленой воде. Именно поэтому сплав востребован при производстве ножей для дайверов. Тем не менее, клинкам требуется постоянный уход. Если лезвие будет часто находиться в сырости, то рано или поздно оно начнет покрываться ржавым налетом. Помимо достоинств, сталь 40Х13 имеет и свои недостатки. Так, режущая кромка довольно мягкая: она хорошо поддается заточке, но при этом довольно быстро начинает тупиться. Поэтому охотником или путешественникам придется постоянно затачивать свой инструмент.

Химический состав и структура стали 40Х13 позволяют материалу выдерживать различные типы механической обработки. Хотя, как показывает практика, при этом нередко возникают определённые сложности. Из-за дополнительного нагревания в ходе сверления повышается прочность поверхности. Это делает процесс более трудоемким и затратным. При контакте с деталью из-за повышения температуры снижаются параметры износостойкости режущей кромки. При затачивании ножей может появиться металлический наплыв, который нарушает равномерность кромочной поверхности.

Определенные минусы возникают при фрезеровании:

необходимость в выведении отходов обработки;
быстрое изнашивание режущих поверхностей;
стружка, формирующаяся в ходе резания.

Это связано с тем, что в ходе обработки сталей методом резания стружка не ломается, а начинает завиваться форме удлиненной спирали. Именно поэтому приходится использовать дополнительные инструменты — стружколомы. Еще один недостаток связан с гибкостью ножей. Поэтому разрезать ими твердые поверхности не рекомендуется.

Наконец, сталь 40Х13 недостаточно устойчива к агрессивным средам и воздействию высокотемпературных режимов, поэтому сварка для этого материала категорически запрещена, особенно в домашних условиях.

Как и любая другая сталь, 40Х13 имеет свои физико-химические свойства: класс, свариваемость, магнитные свойства, твердость по Роквеллу и другие. Остановимся на них подробнее.

Физические характеристики стали 40Х13 во многом обусловлены химическим составом и структурой сплава:

твердость после проведения закалки – в диапазоне 460-550 МПа;
предел кратковременной прочности в зависимости от предназначения сплава составляет 55-880 МПа;
предел текучести при 20 градусах – 910 МПа;
относительное удлинение при разрыве – 10-15%;
ударная вязкость – 59 Дж/кв. см;
модуль упругости при 20 градусах – 2,18 МПа;
плотность – 7650 кг/м3.

Это мартенситная сталь из группы ферромагнетиков, поэтому она магнитится. Материал отличается пластичностью, он легко поддается вальцеванию. В ходе дополнительной термообработки изменяется структура стали. Как следствие, она приобретает новые механические характеристики. После проведения закалки и низкотемпературного отпуска материал приобретает повышенную устойчивость к коррозии в обычных атмосферных условиях, в слабокислотных растворах, а также в воде, за исключением морской. Чтобы придать устойчивость к агрессивным составам, поверхности подвергают шлифованию.

Низкая теплопроводность всегда считалась преимуществом любых стальных сплавов. Однако в процессе точения она создает сложности: в месте обработки резко возрастает температура. Как результат, образуется наклеп и происходит неравномерное упрочнение металлической поверхности.

Ещё одна особенность сплава марки 40Х13 — присутствие в её составе микроскопических карбидов. Эти вещества выполняют роль некоего абразива и ведут к выводу режущих поверхностей из строя. Всё это вызывает необходимость частой заточки инструмента.

После прохождения специальной закалки сплав 40Х13 приобретает устойчивость к окислению. На этом этапе полностью растворяются карбиды и создаётся антикоррозионная пленка. Любое снижение стойкости к коррозии может быть объяснено пониженной концентрацией хрома в карбиде либо понижением температуры плавления. Если весь процесс был проведён технологически верно, то подобного явления не должно возникнуть.

Плавка осуществляется при температурных воздействиях от 850 градусов. Этого достаточно для 100% деформирования сплава. Чтобы предотвратить растрескивание, технологический процесс предусматривает поочередное проведение нагрева и охлаждения.

Сортамент и аналоги

Технико-эксплуатационные свойства стали устанавливаются действующим нормативом ГОСТа 5632-72. Он распространяется на весь жаропрочный тонколистовой прокат. Сортамент металлоизделий, выпускаемых из этого типа стали, включает несколько групп проката:

прутки – ГОСТ 18907-73;
листовая сталь и полоса – ГОСТ 5582-75;
проволока – ГОСТ 18143-72.

Существуют аналоги сплава. Среди наиболее известных зарубежных марок выделяют:

AISI 420 — США;
Terraria 1.4031 — Германия;
4С13 — Корея.

Наибольшее распространение получил американский сплав ножевой стали марки 420. Его состав максимально похож на 40Х13. В сочетании с недорогой стоимостью этот продукт составляет серьезную конкуренцию отечественным материалам. К тому же качество термообработки зарубежного аналога превышает российское. Именно поэтому по некоторым своим характеристикам отечественные материалы отстают от импортных.

Листы стали 40Х13 имеет самое широкое применение. На сегодняшний день такая сталь наиболее востребована для изготовления кухонных ножей в бюджетной ценовой категории. Домохозяйки любят их за простоту ухода, поскольку при соблюдении стандартных правил они практически не ржавеют и при этом лезвия длительное время сохраняют свою остроту. Такой нож может разрезать любые продукты: овощи, фрукты, а также мясо и рыбу. Ножи из этого сплава популярны среди дайверов, туристов, водолазов и рыбаков. К тому же они используются для создания сувенирных клинков и могут стать настоящим украшением коллекции холодного оружия благодаря своему декоративному внешнему виду.

Однако сфера применения сплава 40Х13 этим не ограничивается. Из неё изготавливают:

скальпели медицинские;
пружины;
подшипники;
непрерывнолитые заготовки;
измерительные приспособления;
маникюрные инструменты;
компрессорные элементы и многие другие предметы, имеющие бытовое назначение.

Уход за такими инструментами имеет свои правила:

нельзя на длительное время оставлять их в стерилизаторах или во влажной среде;
тщательно просушивайте изделия после каждого использования, время от времени смазывайте машинным маслом (за исключением медицинского инструмента и ножей для разделки пищевых продуктов);
полируйте поверхность после каждой заточки: это снизит риск окисления;
при дезинфекции растворами типа «Ламинол» промывайте изделия водой для устранения остатков химических препаратов, иначе их агрессивные компоненты приведут к ускорению коррозионных процессов.

Термообработка

Термическая обработка сплавов заключается в последовательности операций, включающих нагрев, выдержку и дальнейшее охлаждение стали при определенных температурных режимах. От этого во многом зависят внутренняя структура материала и его технико-эксплуатационные характеристики. Именно поэтому температура для проведения закалки и отпуска подбирается индивидуально, с учетом особенностей использования обрабатываемого сплава.

Так, по требованиям ГОСТа 4543-71 закалка стали производится при температуре в 860 градусов, последующий отпуск — при 500 градусах в кипящем масле. Эта обработка придает сплаву повышенную прочность на разрыв и твёрдость. А если температурный режим будет изменён, то понизится параметр ударной вязкости. Для отжига прибегают к нагреву до 750-800 градусов с последующим медленным охлаждением при температуре в 500 градусов в печи. Завершается охлаждение на открытом воздухе. Такой подход способствует образованию равновесной структуры сплава. В температурном диапазоне от 850 до 1100 градусов сталь приобретает высокие технологические характеристики при пластической деформации. Если охлаждение и нагрев будут слишком быстрыми, то всегда велик риск появления внутренних напряжений, которые приводят к растрескиванию материала. Но и слишком медленное охлаждение может привести к неблагоприятным последствиям: оно вызывает хрупкость сплава.

Если сталь используется для производства скальпелей и других хирургических инструментов, её закаливают при температуре в 1020-1040 градусов. Отпуск выполняют при 350 градусах в щелочи. Подобный подход многократно увеличивает прочностные характеристики и упругость изделий. Ещё одним видом термообработки является нагрев деталей высокочастотными токами. Такой способ востребован при необходимости закалить только поверхностный слой. Это особенно актуально для производства деталей, испытывающих интенсивные нагрузки вследствие раскачивания или трения.

Благодаря обработке такими токами твердость изделия повышается до 36,5 HRC.

Технические характеристики легированной стали 20Х13

20х13 является коррозионный-стойкого и жаропрочного класса. Основа ее фазовой структуры представлена мартенситом. Марка обладает металлическим блеском с характерным для данного класса зеленоватым оттенком.

Химсостав регулирует государственный стандарт ГОСТ 5632-72, в соответствии с которым сталь 20х13 состоит из следующих элементов:

Углерод занимает 0,16-0,25% от общего состава. Содержание элемента сильно влияет на прочностные и технологические характеристики стали. Карбиды железа обладают повышенной твердостью, а также они делают возможным упрочнение стали за счет проведения термической обработки. Обратным эффектом такого легирования является ухудшение пластичных свойств и свариваемости.
Хром 12-14%. Повышает износостойкость стали благодаря образованию на его поверхности оксидов хрома. Помимо этого, он благоприятно воздействует на способность металла к термическому упрочнению, увеличивает сопротивление к образованию коррозии. Стали, легированные хромом, лучше переносят нагрузку в условиях повышенных температур.
Кремний (до 0,6%) и марганец (до 0,6%) — обязательные добавки для стали. Они являются главными раскислителями и способствуют удалению кислорода из ее состава. Помимо этого, данные компоненты хорошо влияют на технологические свойства, такие как пластичность и свариваемость. Марганец, кроме всего прочего, оказывает положительное воздействие на чистоту поверхности.
Никель (до 0,6%). Основное ее назначение в сплавах — повышение жаростойкости. Но стоит отметить, содержание его в 20х13 несущественно чтобы как-то заметно повлиять на ее характеристики.
Сера (до 0,0025%) и фосфор (до 0,03%) — вредные примеси, существенно снижающие прочностные свойства стали и ответственные за возникновение такого эффекта как хрупкость. Сера помимо этого повышает склонность сплава к красноломкости, что означает увеличение риска образования трещин при обработке давлением. Их попадание в сплав неизбежно в силу несовершенства технологии плавки и чистоты химсостава исходной шихты.
Остальная часть состава приходится на железо.

Аналоги

Сталь марки 20х13 является российским обозначением. Но помимо этого она имеет ряд мировых аналогов:

США 420.
Германия 1.4021.
Япония SUS420J1.
Китай 2Cr13.

Особенности стали

20х13 имеет плотность 7670 кг\м3. Температура плавления составляет около 1600 ºС. Упруга. Модуль Юнга равен 2 000 МПа. Хорошо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности колеблется в районе 23-28 Вт\(м*С). Отличается низкой способностью пропускать ток. Удельное электрическое сопротивление равно в среднем 800 Ом*м. Магнитится.

Предел прочности на разрыв равно 610 МПа. Твердость — около 28 единиц по шкале Роквелла. Деформироваться 20х13 начинает уже при нагрузке в 500 МПа. Предварительное провидение термической обработки позволяет увеличить механические свойства в 1,5-2 раза. Для сравнения после закалки с отпуском конструкционная сталь 45 повышенного качества обладает прочностью в 400 МПа.

Сталь 20х13 достаточна пластична. Относительное удлинение составляет 23%, а сужение 65%. Хорошо работает в условиях знакопеременных нагрузок. Предел выносливости равен 500 МПа. Сталь жаростойка. Ее механические свойства остаются неизменными при температуре окружающей среды 600 ºС.

Марка 20х13 отличается повышенной сопротивляемостью к образованию коррозии. Она хорошо проявила себя в работе в условиях слабоагрессивных сред: пресная и речная вода, пар. Не устойчива к большинству кислот, щелочей, а также к морской воде.

Термообработка

Сталь 20х13 отличается повышенными технологическими свойствами. Она хорошо обрабатывается как резанием так и давлением. Не флокочувствительна. Имеет незначительную склонность к отпускной хрупкости. 20х13 относится к первой группе свариваемости. Сварка осуществляется без предварительного нагрева. Шов при этом получается прочный и плотный.

Термическая обработка для стали 20х13 представляет собой следующую последовательность действий:

Нормализация при 1000-1200 ºС, затем идет отпуск при 730-750 ºС. Предел прочности такой стали на выходе равен 710 МПа.
Закалка 1050 ºС с последующим равномерным охлаждением на воздухе. Конечная прочность равна уже 1600 МПа.

20Х13 (2Х13)

Товары из стали 20Х13 (2Х13) в наличии:
Круг
Лист
Полоса
Квадрат
Лента
Шестигранник
Поковка

Сталь 20Х13 (02Х13, 2Х13, ЭЖ2) хромистая коррозионностойкая жаропрочная, мартенситного класса

Заменители: Сталь 12Х13, Сталь 14Х17Н2

Сталь 20Х13 применяется: для изготовления лопаток паровых турбин, работающих при температурах до +580°С; клапанов, болтов и труб; деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударных нагрузкам и работающих при температуре до 450-500 °С; изделий, подвергающихся действию слабоагрессивных сред при комнатной температуре; цельнокатаных колец различного назначения; различных деталей авиастроения (карбюраторных игл, втулок, шестерен авиационных приборов, деталей аппаратуры непосредственного впрыска топлива и лопаток компрессоров, термически обрабатываемых на твердость HRC

Химический состав в %

НТД

ТУ 14-1-1404-75

0,16-0,25

≤0,025

≤0,030

≤0,50

12,00-14,00

≤0,20

≤0,60

≤0,30

ТУ 14-1-2186-77

0,16-0,24

≤0,025

≤0,030

≤0,60

12,00-14,00

≤0,20

≤0,60

≤0,50

≤0,30

ГОСТ 5632-72

0,16-0,25

≤0,025

≤0,030

≤0,80

12,00-14,00

≤0,20

≤0,80

≤0,60

≤0,30

По ТУ 14-1-1404-75 химический состав приведен для марки 20Х13-Ш. По ТУ 14-1-2186-77 для стали, выплавленной электрошлаковым переплавом содержание S ≤ 0,015 %.

sв — Предел кратковременной прочности, [МПа]
sТ — Предел текучести, [МПа]
s0,2 — Предел пропорциональности (допуск на остаточную деформацию — 0,2%), [МПа]
d5 — Относительное удлинение при разрыве, [ % ]
y — Относительное сужение, [ % ]
KCU — Ударная вязкость, [ кДж / м2]
HB — Твердость по Бринеллю, [МПа]
HV — Твердость по Виккерсу, [МПа]
HSh — Твердость по Шору, [МПа]

В зависимости от типа проката марка 20х13 обладает различными механическими свойствам. Их значение регулируется следующими стандартами:

На пруток ГОСТ 5949-75.
Для листа горяче- и холоднокатаного ГОСТ 18907-73.
Проволока ГОСТ 18143-72.
Лента холоднокатаная ГОСТ 4986-79.

Основное назначение 20х13 — это всевозможные узлы и детали для энергетического машиностроения. Сюда входят элементы турбинных установок и печей, арматура для крекинг-установок, крепежные соединения, работающие при температуре 550 ºС.

Рейтинг: 0/5 — 0 голосов

Применение стали 20х13

Сталь 20х13 обладает большим количеством особенностей, которые определяют широкое его распространение. Жаропрочность и коррозионная стойкость ценится в нижеприведенных случаях:

Машиностроительная промышленность.
При производстве турбинных лопаток, на которые оказывается воздействие высокой температуры и давления.
При создании крепежей с высокой прочностью и коррозионной стойкостью.
Выпуск деталей, которые подвержены воздействию атмосферных осадков и органических слей.
При изготовлении колец самого различного предназначения.
Авиационная промышленность.
Выпуск изделий, работающих при невысокой температуре и в агрессивной химической среде.
При создании деталей для компрессорных машин, которые работают с нетрозными газами.

Трубные доски 20х13

Термическая обработка позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики сплава. Это связано с тем, что при сильном нагреве происходит перестроение кристаллической решетки для упрочнения структуры и повышения твердости поверхностного слоя. Применение стали 20х13 позволило существенно продлить эксплуатационный срок изделий, которые служат в тяжелых эксплуатационных условиях.

Читайте также: