Чем отличается сталь 40х13 от 20х13

Обновлено: 05.05.2024

Материал для ножей должен иметь определенные свойства. Быть достаточно мягким, чтобы заточить, твердым, чтобы при резании не затупился. Не ржаветь, противостоять перепадам температуры, достаточно безопасным для пищевой промышленности. Необходимые качества достигаются составом и обработкой. Популярный сплав для производства ножей нержавеющий 40Х13. Он применяется в быту, промышленности, у рыболовов, охотников. Эта сталь отличается от других — невысокой стоимостью и легкостью в обслуживании. Качество материала зависит от страны производителя, чистоты сплава.

Характеристики стали

Сталь — мартенситного класса, предназначена для деталей, работающих при температурном диапазоне до 450 градусов, а также в коррозионных средах. Относится к группе Х13. Отсутствие никеля уменьшает образование карбидов, что способствует стабильности механических свойств. Количественный состав дополнительных легирующих элементов одинаков по группе. Это позволяет иметь ряд механических и химических свойств в результате применения технологии термообработки:

Коррозионная устойчивость.
Жаропрочность.
Жаростойкость.
Износостойкость.

Стойкость к коррозии обеспечивает содержание мартенсита, карбидов и остаточного аустенита в закаленном состоянии микроструктуры. Отличается повышенной устойчивостью к вибрации и знакопеременным нагрузкам, которые возникают у изделий, работающих до температуры выше 300 градусов Цельсия.

Для материала такого класса получить сочетание прочности и твердости — не просто. Чем выше твердость, тем более хрупкие становятся детали, а при нагрузках на удар они будут склонны к образованию трещин.

Термическую обработку применяют в зависимости от условий работы изделия. Для валов и осей, работающих в условиях механического и коррозионного износа во влажной среде, применяют нормализацию с выдержкой и высоким отпуском. Для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам при эксплуатации, применяют ступенчатую закалку с высоким отпуском, количество циклов зависит от требуемой твердости поверхности.

Показатель твердости поверхности для ножа 40-60 HRC. Рабочий диапазон 52-58 HRC. Сталь 40Х13 трудно поддается закалке. Но можно добиться 57 HRC. Состояние поставки обеспечивает твердость проката до 229 HB.

Хорошо подвергается горячей деформации — ковке при режиме медленного нагрева и охлаждения. Холодная деформация ограничена.

Сплав выпускается в горячекатаном виде. Бывает листовой, фасонный, сортовой прокат, калиброванный пруток, полоса, лента, проволока.

Способы обработки

Рассматриваемая сталь подвергается двум основным видам обработки: термической и механической. Термообработка стали 40х13 применяется для придания ей соответствующих технологических свойств. Механическая – для создания требуемой формы, решения поставленных технических задач.

Подобный металл специалисты относят к той категории материалов, которые при проведении термической обработки требуют определённого специфического подхода. Именно этот вид обработки придаёт требуемые свойства.

Сталь 40х13 в печи для закаливания

Основными видами термической обработки являются:

последовательная закалка;
медленный отпуск после нагрева;
горячая и холодная пластическая деформация;
отжиг.

После проведения закалки в структуре образуются следующие компоненты:

карбиды;
мартенситы;
некоторые остатки так называемых аустенитов.

Первые два способа обработки позволяют придать стали хорошую коррозийную стойкость и отличные механические свойства. Это удаётся за счёт того, что она обладает хорошей пластической деформацией. Закалка такой стали происходит с помощью постепенного нагрева до температуры более 950 °С, но не более 1100 °С. Последовательный нагрев необходим потому, что эта марка стали обладает повышенной чувствительностью к трещинам. Чтобы избежать проявления негативных последствий металлическую деталь (особенно с толщиной более 100 миллиметров необходимо нагревать более 10 минут).

Чтобы избежать появления трещин, в том числе и в глубине металла, образец подвергают так называемому отпуску. То есть, постепенному понижению температуры и выдерживанию образца при температуре до 300 °С. В этом случае сталь приобретает свои максимальные прочностные характеристики. Если температурный режим не будет выдержан, и процесс произойдёт при 450 °С, сталь потеряет свои характеристики по ударной вязкости. Наилучшие коррозийные свойства и хорошую пластичность она приобретает при соблюдении следующих параметров. Последовательный нагрев до температуры 700 °С, последующая выдержка в течение 20 минут, охлаждение в ёмкости с маслом.

В качестве смягчающей термической обработки используется так называемый отжиг. Деталь нагревается до температуры 800 °С. Далее проводят медленное охлаждение в самой печи до температуры около 500 °С.

Температура закалки и отпуска стали 40х13

В качестве альтернативы стандартному виду нагрева, для проведения термической обработки применяют нагрев токами высокой частоты. Особенно этот метод используется при необходимости проведения закалки поверхностного слоя детали. Это детали, которые входят в механизмы с узлами трения и качения, в элементы трубопроводной арматуры. Обычно такая закалка применяется только к деталям, толщина которых превышает 15 миллиметров. С её помощью удаётся добиться показателя твердости после закалки равного 36,5 HRC единиц.

Приведенные рассуждения доказывают, что марка стали 40х13 довольно критична к правилам соблюдения условий температурной обработки.

Она подвергается следующим видам механической обработки:

сверление отверстий;
заточка;
фрезерование;
ковка.

Проведение этих операций связано с определёнными трудностями:

Упрочнение поверхностного слоя (это связано с дополнительным нагревом заготовки в момент резания или сверления).
Проблемы с удалением отходов металлообработки (получаемая металлическая стружка образует длину узкую закрученную полоску). Это вызывает определённые неудобства при длительной обработке. Эту проблему решают с помощью установки специальных приспособлений на металлорежущий инструмент. Они производят периодический облом стружки.
Повышенный износ режущей кромки. Это связано с повышением температуры детали в месте соприкосновения с кромкой режущего инструмента. В этом случае наличие в этой марке кристаллических соединений (карбидов и мартенситов) создаёт эффект наличия в ней абразивных элементов что приводит к быстрому износу режущей кромки.

Кроме этого возникают трудности при заточке режущих инструментов, сделанных из этой стали. В момент заточки повышается температура затачиваемой кромки и образуется так называемый металлический наплыв. Это приводит к появлению неравномерного упрочнения края затачиваемой поверхности.

Ковка, как механическая обработка, производится только при нагреве детали до температуры 1250 °С. В процессе ковки допускается понижение температуры не ниже 850 °С.

После проведение этой операции (горячей деформации) допускается только медленное охлаждение с последующим низкотемпературным отжигом.

В доступный перечень механической обработки, к сожалению, не попадает сварка. Дело в том, эта марка металла относится к категории трудносвариваемых материалов. Поэтому этот метод обработки не применяется для соединения конструкций, изготовленных из этого материала.

Аналоги стали и область применения

4Х13 — старое название. Существуют зарубежные аналоги, отличающиеся чистотой сплава, отсутствием или наличием примесей.

Зарубежные аналоги разных поставщиков: американские AISI420, японские SUS420J2, французские X40Cr14, английские 420S45, итальянские X40Cr14, испанские F.3404, китайские 4C13, польские 4h23, чешские 17024. Все аналоги имеют похожие характеристики.

Мерительный инструмент.
Режущий инструмент.
Предметы домашнего обихода.
Медицинские инструменты.
Валы.
Пружины.
Подшипники.
Мерительные приспособления для ковочного производства.
Детали компрессорных установок.
Режущие ножи аппаратов для горячей штамповки.

Отзывы

Широкий круг потребителей отзывается об изделиях из данного материала положительно. Люди отмечают полное отсутствие ржавчины на всём протяжении работы с инструментом, а также высокую прочность. Производство этой марки занимает важное место в металлургии России, второе место по количеству объёмов, изготовляемых в год. Долговечность материала отмечают многие потребители. Прочность не заставляет покупателя мучиться над постоянной починкой и заточкой, если речь идёт о кухонном ноже, или над заменой различных деталей в механизмах. Грубо говоря, люди приобретают изделия из этого материала по следующим причинам:

долговечность,
высокая прочность,
низкая стоимость.

Обрабатывать лезвия кухонных ножей из материала этой марки не составляет труда. Достаточно использовать обычный точильный камень, который должен быть в каждом доме. Металл отличается своей мягкостью (в пределах разумного), поэтому прикладывать много сил, чтобы его наточить, не приходится. Дополнительной фишкой является то, что изделие остаётся острым длительное время.

Нельзя не отметить, что изделия не нуждаются в тщательном уходе, разве что придётся их своевременно точить (если речь идёт про ножи). В остальном же изделие достаточно купить, а служить оно будет долго, главное — не работать с твёрдыми поверхностями, так как лезвие ножей достаточно сильно гнётся при серьёзных физических нагрузках.

Недостатки использования

К недостаткам деталей, изготовленных из 40Х13 можно отнести:

Неустойчивость к агрессивным средам.
Плохая свариваемость деталей.
Для достижения необходимого показателя твердости необходимо применять многоступенчатую закалку с отпуском.
Не использовать на твердой поверхности.
Не рекомендовано хранить в сырых условиях, деталь подвергается точечной коррозии.

Появление коррозионных точек, из-за неправильного хранения, уберет повторная заточка, что относят к недостаткам и преимуществам стали.

Термическая обработка, закалка сталь 45, сталь 40Х

Название сплава расшифровывается как хромоникелевая конструкционная легированная сталь. За качество стали 40ХН отвечает ГОСТ 4543-71, который относит его к классу высокопрочных сталей для применения в конструкционных целях (хромоникелевый стальной сплав с легирующими элементами). То есть для получения изделий, применяемых при машиностроении и строительстве. Внедрение никеля в состав сплава — улучшает показатель химической устойчивости.

Данный факт впервые был представлен общественности во Франции химиком Жозефом Луи Прустом в 19-ом веке. Он выдвинул теорию о том, что железные метеориты практически не поддаются процессу коррозии из-за входящего в их состав никеля.

Механические свойства стали 40ХН

Спустя два десятка лет с того момента, Майкл Фарадей впервые изготовил сплав с соединениями железа и никеля, который отличался высокой устойчивостью к процессу коррозии. Однако получить сплав с улучшенными характеристиками по упругости, антикоррозийными свойствами и прочностью к механическому воздействию удалось лишь после химического вывода ковкого никеля. По характеристикам 40ХН имеет большую устойчивость к коррозийному процессу за счет добавления в состав хрома, который также усиливает прочностные свойства стали.

Состав 40ХН

40 ХН – сталь, имеющая в составе такие элементы как углерод – в процентном соотношении от 0,36% до 0,44% (один из самых важных элементов), марганец от 0,5% и вплоть до 0,8%, вкрапления никеля в соотношении от 1% до 1,4%, порошок кремния от 0,17% до 0,37%, элементы серы и фосфора – каждый из которых не превышает 0,035%, также соединения хрома от 0,45 до 0,75% и добавление 0,3% меди. Сталь 40ХН относится к высококачественным легированным сталям в первую очередь из-за содержания фосфора и серы менее 0,36% в процентном соотношении.

Химический состав стали 40ХН

Общие данные

Заменитель

Сталь 40ХФ, Сталь 40ХР, Сталь 45Х, Сталь 38ХА, Сталь 40ХН, Сталь 40ХС,

Вид поставки

Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 7414-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77.Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74.Полоса ГОСТ 82-70, ГОСТ 103-76, ГОСТ 1577-81.Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70. Трубы ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 13663-68.

Как изготовить нож из стали 40Х13

Технология изготовления ножа из стали 40Х13 такая же, как для других марок сталей. Если делать свой первый клинок, то сталь 40Х13 нужна, чтобы освоить технологический процесс.

Заготовка должна быть откована, желательно заданной конфигурации. Процесс ковки упрочняет структуру, что хорошо скажется на свойствах режущей части.

На поковку наносится шаблон будущего лезвия, вырезается по контуру. Резка производится только в отпущенном состоянии заготовки, с одновременным охлаждением. Нельзя допускать перегрева при резании.

Предварительно обрабатываются и затачиваются кромки, плоскость до нужных размеров, сверлятся отверстия в рукоятке для установки крепления штифтов. Производится термообработка (закалка, отпуск) для придания твердости и пластичности.

Заготовка шлифуется с обязательным охлаждением. Перегрев отпустит сталь, уменьшит прочность. Полируется до блеска.

Изготовленная деревянная ручка устанавливается на штифтах. Ее клеят на эпоксидный клей, шлифуют до гладкости, чтобы хорошо сидела в руке, обрабатывают маслом. Масло защищает от влажности, придает деревянной ручке красивый вид. Окончательная шлифовка режущей кромки лезвия. Удобный и практичный нож готов.

Закалка стали 40Х

При сильном нагреве практически все материалы изменяют свои физические характеристики. В некоторых случаях нагрев проводится целенаправленно, так как подобным образом можно улучшить некоторые эксплуатационные качества, к примеру, твердость. Термическая обработка на протяжении многих лет используется для повышения твердости поверхности стали.

Выполнять закалку следует с учетом особенностей металла, так как технология повышения твердости поверхности создается на основании состава материала. В некоторых случаях провести закалку можно в домашних условиях, но стоит учитывать, что сталь относиться к труднообрабатываемым материалам и для придания пластичности нужно проводить сильный нагрев до высоких температур при помощи определенного оборудования.

В данном случае рассмотрим особенности нагрева стали 40Х для повышения пластичности и проведения закалки или отпуска.

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.

Состав и расшифровка

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.

Характеристики и свойства

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

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.

Механические

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.

Применение

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.

Обзор стали 20Х13 и ее обработка

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Читайте также: