Сталь 12х13 характеристики применение
Обновлено: 16.05.2024
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.
12Х13
Сталь 12Х13 применяется для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам; для изделий, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред при комнатной температуре, а также деталей, работающих при 450-500 °С; лопаток паровых турбин, работающих при температурах до +580 °С; труб и деталей котлов; деталей авиастроения, деталей авиационных приборов, винтов, болтов, гаек, небольших шестерен, деталей зацепления и лопаток компрессоров, термически обрабатываемых на твердость HRC
Химический состав стали 12Х13
| НТД | C | S | P | Mn | Cr | W | V | Ti | Si | Ni | Mo | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ТУ 14-1-1404-75 | 0,09-0,15 | ≤0,025 | ≤0,030 | ≤0,50 | 12,00-14,00 | ≤0,20 | ≤0,20 | ≤0,20 | ≤0,60 | - | ≤0,30 | ≤0,30 |
| ТУ 14-1-2186-77 | 0,09-0,15 | ≤0,025 | ≤0,030 | ≤0,60 | 12,00-14,00 | ≤0,20 | ≤0,20 | ≤0,20 | ≤0,60 | ≤0,60 | ≤0,30 | ≤0,30 |
| ГОСТ 5632-2014 | 0,09-0,15 | ≤0,025 | ≤0,030 | ≤0,80 | 12,00-14,00 | ≤0,20 | ≤0,20 | ≤0,20 | ≤0,80 | - | ≤0,30 | ≤0,30 |
По ТУ 14-1-1404-75 химический состав приведен для марки 12Х13-Ш.
По ТУ 14-1-2186-77 для стали, выплавленной электрошлаковым переплавом содержание S ≤ 0,015 %.
Механические свойства стали 12Х13
Механические свойства при 20°С
Механические свойства в зависимости от тепловой выдержки
Технологические свойства стали 12Х13
| Обрабатываемость резаньем | В закаленном и отпущенном состоянии при НВ 235 и σВ=730 МПа Kn тв.спл.=0,8 Kn б.ст.=0,5. Для улучшения обрабатываемости и получения твердости НВ ≤ 170 заготовки подвергают отжигу при 740-780 °C в течение 1-3 ч с охлаждением на воздухе. |
|---|---|
| Особенности термической обработки | Для получения показателей механических свойств и твердости, установленных СТ ЦКБ А 010 и для достижения максимальной коррозионной стойкости, детали (заготовки) арматуры должны подвергаться закалке и отпуску. Сталь мартенсито-ферритного класса применяют в закаленном и отпущенном состоянии. Для стали 12X13 обычно применяют два режима термической обработки, обеспечивающих сочетание коррозионной стойкости с различным уровнем прочности. Первый режим - закалка с 980-1020 °С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуск при 250-400 °С, охлаждение на воздухе. Второй режим - закалка с 920-950 °С, охлаждение в масле или на воздухе и отпуск 540-700 °С. Если сталь 12X13 используется как жаропрочный материал, то термообработку проводят в виде закалки с 1000-1050 °С на воздухе или масле и отпуска при 650-790 °С с охлаждением на воздухе, масле или в воде. Нагрев под закалку крупногабаритных и сварных изделий, а также изделий, имеющих резкие переходы по толщине, проводят с предварительным подогревом при 700-750 °С. При этом время выдержки уменьшается на 25 %. Не допускается проводить отпуск при 400-500 °С в связи с тем, что резко падает ударная вязкость изделия. Низкий отпуск (275-350 °С) не допускается для крепежных деталей и прецизионных пар, так как во время работы и хранения при минусовых температурах может произойти увеличение их размеров в результате превращения остаточного аустенита в мартенсит. Сварные узлы и изделия из стали 12X13 для повышения коррозионной стойкости подвергают отжигу по режиму: нагрев до 690-750 °С, выдержка - 1,5-2,0 ч, охлаждение на воздухе. |
| Свариваемость | Ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом, АрДС и КТС. Подогрев и термообработка применяются в зависимости от метода сварки, вида и назначения конструкции. |
| Склонность к отпускной хрупкости | Склонна. |
| Температура ковки | Начала - 1230 °C, конца - 850 °C. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-350 мм - в ямах. |
Температура критических точек стали 12Х13
| Критическая точка | Температура °C |
|---|---|
| AC1 | 730 |
| AC3 | 850 |
| AR3 | 820 |
| AR1 | 700 |
| MN | 370 |
Твёрдость стали 12Х13
| Состояние поставки, режим термообработки | HB |
|---|---|
| ГОСТ 18907"-73, ГОСТ 5949-75. Прокат г/к и кованый. Отжиг или отпуск | 121-197 |
Коррозионные свойства стали 12Х13
| Среда | Температура испытания °C | Длительность испытания, ч | Глубина мм/год |
|---|---|---|---|
| Вода | 300 | 50 | 0,001 |
| Морская вода | 3000 | 0,001 | |
| 7 % раствор HNO3 | 20 | 720 | 0,004 |
Жаростойкость стали 12Х13
| Среда | Температура испытания °C | Глубина мм/год | Группа стойкости или балл |
|---|---|---|---|
| Воздух | 600 | 0,02 | 4 |
| Воздух | 800 | 0,45 | 6 |
| Воздух | 900 | 1,5 | Малостойкая |
Физические свойства стали 12Х13
| Температура испытания, °С | 0 | 20 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Модуль нормальной упругости (Е, ГПа) | 217 | 217 | 212 | 206 | 198 | 189 | 180 | |||||||
| Модуль упругости при сдвиге кручением (G, ГПа) | 85 | 80 | 80 | 77 | 73 | 68 | 62 | |||||||
| Плотность (ρ, кг/м 3 ) | 7720 | 7720 | 7700 | 7670 | 7640 | 7620 | 7580 | 7550 | 7520 | 7490 | 7500 | |||
| Коэффициент теплопроводности (λ, Вт/(м · °С)) | 28 | 28 | 28 | 28 | 27 | 26 | 26 | 25 | 27 | |||||
| Уд. электросопротивление (R, МОм · м) | 506 | 506 | 584 | 679 | 769 | 854 | 938 | 1021 | 1103 | |||||
| Коэффициент линейного расширения (α, 10 -6 1/°С) | 10,2 | 11,2 | 11,4 | 11,8 | 12,2 | 12,4 | 12,7 | 13 | 10,8 | 10,8 | 11,7 | |||
| Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С)) | 473 | 487 | 506 | 527 | 554 | 586 | 636 | 657 | 657 | 666 |
Заказ в один клик
Металлопрокат из инструментальных, нержавеющих, жаропрочных, конструкционных, прецизионных, быстрорежущих и других сталей и сплавов
Сталь 20Х13 коррозионостойкая, жаропрочная, мартенситная
Цифра 20 указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, т.е. для стали 20Х13 это значение равно 0,20%.
Буква «Х» указывает на содержание в стали хрома. Цифра 13 после буквы «Х» указывает примерное количество хрома в стали в процентах, округленное до
целого числа, т.е. содержание хрома около 13%.
Вид поставки
Характеристики и назначение
Сталь 20Х13 относится к коррозионностойким, жаропрочным сталям мартенситного класса (основная структура мартенсит).
Сталь 20Х13 применяется для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам и работающие при температуре до 450—500 °С, а также изделия, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред при комнатной температуре.
Свариваемость
Сталь 20Х13 ограниченно свариваемая. Способы сварки РДС, АрДС и КТС. Подогрев и последующая термообработка применяются в зависимости от метода сварки, вида и назначения конструкции.
Максимально допустимые температура применения стали 20Х13 в средах, содержащих аммиак
Максимально допустимые температура применения стали 20Х13 в водородосодержащих средах
| Марка стали | Температура, °С, при парциальном давлении водорода, PH2, МПа (кгс/см 2 ) | ||||||
| 1,5(15) | 2,5(25) | 5(50) | 10(100) | 20(200) | 30(300) | 40(400) | |
| 20Х13 | 510 | 510 | 510 | 510 | 510 | 510 | 510 |
- Параметры применения сталей, указанные в таблице, относятся также к сварным соединениям.
- Парциальное давление водорода рассчитывается по формуле:
PH2 = (C*Pp)/100,
где C — процентное содержание в системе;
PH2 — парциальное давление водорода;
Pp — рабочее давление в системе.
Стойкость стали 20Х13 против щелевой эрозии
| Группа стойкости | Балл | Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18H10T |
| Стойкие | 2 | 0,75-1,5 |
Применение стали 20Х13 для изготовления основных деталей арматуры атомных станций
| Марка стали | Вид полуфабриката или изделия | Максимально допустимая температура применения, °С |
| 20Х13 ГОСТ 5632, ГОСТ 24030 | Листы, трубы, поковки, сортовой прокат. Крепеж | 600 |
Химический состав, % (ГОСТ 5632-2014)
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Ti | S | Р |
| не более | не более | ||||||
| 0,16-0,25 | 0,8 | 0,8 | 12,0-14,0 | — | — | 0,025 | 0,030 |
Химический состав, % (ГОСТ 5632-81)
| С | Si | Mn | Cr | S | Р | Ti | Cu | Ni |
| не более | не более | |||||||
| 0,16-0,25 | 0,8 | 0,8 | 12,0-14,0 | 0,025 | 0,030 | 0,2 | 0,30 | 0,6 |
Физические свойства
Модуль нормальной упругости Е, ГПа
| Марка стали | При температуре испытаний, °С | |||||||||
| 20 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | |
| 20X13 | 218 | 214 | 208 | 200 | 189 | 181 | 169 | — | — | — |
Модуль упругости при сдвиге на кручение G, ГПа
| Марка стали | При температуре испытаний, °С | |||||||||
| 20 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | |
| 20X13 | 86 | 84 | 80 | 78 | 73 | 69 | 63 | — | — | — |
Плотность ρ кг/см 3 при температуре испытаний, °С
| Сталь | 20 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 |
| 20X13 | 7670 | 7660 | 7630 | 7600 | 7570 | 7540 | 7510 | 7480 | 7450 | — |
Коэффициент теплопроводности λ Вт/(м*К) при температуре испытаний, °С
| Сталь | 20 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 |
| 20X13 | — | 26 | 26 | 26 | 26 | 27 | 26 | 26 | 27 | 28 |
Удельное электросопротивление ρ нОм*м
| Марка стали | При температуре испытаний, °С | |||||||||
| 20 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | |
| 20X13 | 588 | 653 | 730 | 800 | 884 | 952 | 1022 | 1102 | — | — |
Коэффициент линейного расширения α*10 6 , К -1 , при температуре испытаний, °С
| Сталь | 20-100 | 20-200 | 20-300 | 20-400 | 20-500 | 20-600 | 20-700 | 20-800 | 20-900 | 20-1000 |
| 20X13 | 10,2 | 11,2 | 11,5 | 11,9 | 12,2 | 12,8 | 12,8 | 13,0 | — | — |
Удельная теплоемкость c, Дж/(кг*К), при температуре испытаний, °С
| Сталь | 20-100 | 20-200 | 20-300 | 20-400 | 20-500 | 20-600 | 20-700 | 20-800 | 20-900 | 20-1000 |
| 20X13 | 112 | 117 | 123 | 127 | 132 | 137 | 147 | 155 | 159 | — |
Температура критических точек, °С
Механические свойства
| ГОСТ | Состояние поставки | Сечени | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 |
| не менее | |||||||
| ГОСТ 5949-75 | Пруток. Закалка с 1000-1050 °С на воздухе или в масле; отпуск при 600-700 °С, охл. на воздухе или в масле | 60 | 635 | 830 | 10 | 50 | 59 |
| Пруток. Закалка с 1000-1050 °С на воздухе или в масле; отпуск при 660-770 °С, охл. на воздухе, в масле или в воде | 60 | 440 | 650 | 16 | 55 | 78 | |
| ГОСТ 18907-73 | Пруток шлифованный, обработанный на заданную прочность | 1-30 | — | 510-780 | 14 | — | — |
| ГОСТ 7350-77 | Лист горячекатаный или холоднокатаный. Закалка с 1000-1050 °С на воздухе; отпуск при 680-780 °С, охл. на воздухе или с печью (образцы поперечные) | Св. 4 | 372 | 509 | 20 | — | — |
| ГОСТ 25054-81 | Поковка. Закалка с 1000-1050 °С на воздухе или в масле | 1000 | 441 | 588 | 14 | 40 | 39 |
| ГОСТ 4986-79 | Лента холоднокатаная. | До 0,2 | — | 500 | 8 | — | — |
| Отжиг или отпуск при 740- 800 °С | 0,2-2,0 | — | 500 | 16 | — | — | |
| ГОСТ 18143-72 | Проволока термообработанная | 1,0-6,0 | — | 490-780 | 14 | — | — |
Механические свойства заготовок сечением 14 мм в зависимости от температуры отпуска
| tотп.°С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 | Твердость HRCэ |
| 200 | 1300 | 1600 | 13 | 50 | 81 | 46 |
| 300 | 1270 | 1460 | 14 | 57 | 98 | 42 |
| 450 | 1330 | 1510 | 15 | 57 | 71 | 45 |
| 500 | 1300 | 1510 | 19 | 54 | 75 | 46 |
| 600 | 920 | 1020 | 14 | 60 | 71 | 29 |
| 700 | 650 | 78 | 18 | 64 | 102 | 20 |
| 700 | 650 | 78 | 18 | 64 | 102 | 20 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 1050 °С на воздухе.
Механические свойства при повышенных температурах
| tисп.°С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 |
| Нормализация при 1000-1020 °С; отпуск при 730-750 °С. При 20 °СНВ 187-217 | |||||
| 20 | 510 | 710 | 21 | 66 | 64-171 |
| 300 | 390 | 540 | 18 | 66 | 196 |
| 400 | 390 | 520 | 17 | 59 | 196 |
| 450 | 370 | 480 | 18 | 57 | 235 |
| 500 | 350 | 430 | 33 | 75 | 245 |
| 550 | 275 | 340 | 37 | 83 | 216 |
| Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, прокатанный. Скорость деформирования 16 мм/мин; скорость деформации 0,009 1/с | |||||
| 800 | 59 | 70 | 51 | 98 | — |
| 850 | — | — | 43 | — | — |
| 900 | — | — | 66 | — | — |
| 1000 | 39 | 61 | 59 | — | — |
| 1150 | 21 | 31 | 84 | 100 | — |
Механические свойства прутков при отрицательных температурах
| tисп.°С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 |
| Сечение 25 мм. Нормализация при 1000 “С, охл. на воздухе; отпуск при 680-750 °С | |||||
| +20 | 540 | 700 | 21 | 62 | 76 |
| -20 | 560 | 730 | 22 | 59 | 54 |
| -40 | 580 | 770 | 23 | 57 | 49 |
| -60 | 570 | 810 | 24 | 57 | 41 |
| Сечение 14 мм. Закалка с 1050 °С на воздухе; отпуск при 600 °С | |||||
| +20 | — | — | — | — | 71 |
| -20 | — | — | — | — | 81 |
| -60 | — | — | — | — | 64 |
Механические свойства при испытании на длительную прочность
| tисп.°С | Предел ползучести, МПа | Скорость ползучести, %/ч | tисп.°С | Предел длительной прочности, МПа | τ, ч |
| 450 | 125 | 1/100000 | 450 | 289 | 10000 |
| 470 | 75 | 1/100000 | 470 | 191 | 10000 |
| 500 | 47 | 1/100000 | 500 | 255 | 100000 |
| 550 | 29 | 1/100000 | 550 | 157 | 100000 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Предел выносливости σ-1 = 367 МПа при n = 10 7 (образцы гладкие).
Обзор стали 12Х13
Среди сталей, отличающихся особой коррозионной устойчивостью, состав 12Х13 (1Х13) нашёл широкое применение в производстве как строительных крепёжных материалов, так и бытовых приборов и устройств, к которым предъявляются довольно жёсткие требования по условиям окружающей среды и по нагрузке.
Расшифровка сокращения 12Х13 – 0,12% углерода, 13% хрома. Содержание хрома в стали от 13% ставит однозначно полученный состав в разряд нержавеек, которым не страшна никакая водная среда за счёт прочной оксидной плёнки, выдаваемой хромом. Технические и бытовые приборы, в конструкциях которых содержится именно такая сталь, не боятся высокой влажности, однако ни одна сталь не «выживет» в условиях концентрированных паров кислот, щелочей и некоторых солей, при повышенной температуре вступающих в реакцию со всеми примесями сплава, включая и хром.
Сталь 12Х13 относится к классу не только нержавеющих, но и к группе жаропрочных составов. Марка 12Х13 по свойствам похожа на некоторые аналоги, производимые за рубежом, однако в России приобретать её как состав 1Х13 (по устаревшей классификации) дешевле в несколько раз. В качестве иных примесей – кремний (0,8% по массе), марганец (столько же), никель (0,6%), четверть промилле фосфора и 0,3 промилле серы. Как видно, от серы и фосфора избавиться в полной мере весьма сложно, но свести их количество к минимуму надо, ведь оба этих элемента крайне вредны – они портят любую сталь, делают её хрупкой. По ГОСТу содержание серы и фосфора в стали не должно быть выше оговоренной массовой доли, в противном случае сломанные преждевременно изделия отправятся в утиль, на переработку.
Удельный вес состава 12Х13 – 7,72 г/см3, твёрдость материала – 121 мегапаскаль при долговременной порче от оказываемой тестовой перегрузки. Если нужно провести испытания при большем моменте силового воздействия, то давления в 187 МПа окажется достаточно, чтобы почти моментально смять, сломать, разорвать заготовку.
Сталь 12Х13 может находиться в холодной, тёплой (для человека) или горячей подсоленной либо подкисленной органическими растворами кислот воде, не потеряв при этом ни одного микрона толщины.
Однако она, как и всякий стальной сплав, боится растворов минеральных кислот крепостью более 1%, не подлежит очистке высокоактивными абразивными средствами, содержащими концентрированные щёлочи и закристаллизованные кислоты, некоторые соли, аммиак.
Аналогов за рубежом у состава 12Х13 – не один десяток.
Американские: AISI 410, S41000.
Немецкие: 1.4006, 1.4021, X10Cr13, X12CM3, X12Cr13, X20Cr13, X7Cr13.
Японские: SUS410, SUS410S, SUS410TB, SUS410TK, SUS420J1.
Французские: 410F20, Z10C13, Z10C14, Z12Cr13, Z13C13.
Английские: 403S17, 410C21, 410S2, 410S21, 420S37, ANC1A.
Общеевропейские марки: 1.4006, X10Cr13, X12Cr13, X20Cr13.
Итальянские: X10Cr13, X12Cr13, X20Cr13.
Испанские: F. 3401, X10Cr13
Китайские: 1Cr13, 2Cr13.
Шведский – 2302.
Польские: 1H13, 2H13.
Чешские: 17021, 17022.
Показатель качества – максимум сведений о марке стали.
Нержавейка 12Х13 идёт на изготовление листовой, полосовой, трубной и прутковой стали. Изделия изготавливаются по конкретному ГОСТу, соответствующему определённому классу.
При разрезании учитывают следующие особенности стали 12Х13. Закалённый и отпущенный сплав, когда твёрдость по Бринеллю достигла 235 МПа, а критический её предел, после которого деталь сомнётся мгновенно, составляет 730 МПа, в целях снижения твёрдости детали пропускают через стадию отжига при 760°C. Среднее время процедуры – пара часов. Дальнейшее остывание происходит на открытом воздухе, без необходимости держать эти заготовки в погашенной и остывающей печи.
Чтобы заготовки обрели большую прочность и сопротивляемость образованию ржавчины, производятся закалка и отпускание. Закалка производится в среднем при 1000°С. Охлаждают заготовки в масле (но не в его отработке) либо на открытом воздухе. Отпускание достигается повторным нагревом до 325°С – с остыванием на открытом воздухе. Альтернативный способ – закалить сталь 12Х13 при 935°С, остудить в масле или на воздухе, а затем произвести отпуск при 620°С. В качестве применения как жаропрочной основы сталь закаливают до 1025°С, остужают в масле или на воздухе, а затем отпускают при 720°С, выдержав в масле, в воде или на открытом воздухе. Нельзя отпускать сплав 12Х13 при 450°С – ударно-вибрационная устойчивость снизится заметно.
Сварке изделия из 12Х13 подлежат лишь ограниченно, с помощью сварочного флюса, всеми доступными способами, так как из-за окисной плёнки нержавейка паяется и варится очень плохо.
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.
Читайте также: