Сталь 20 улучшение твердость

Обновлено: 03.05.2024

Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78.

Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77, ГОСТ 10702-78.

Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74.

Лист тонкий ГОСТ 16523-70.

Лента ГОСТ 6009-74, ГОСТ 10234-77.

Полоса ГОСТ 1577-81, ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70.

Проволока ГОСТ 5663-79, ГОСТ 17305-71.

Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70.

Преимущества стали и его недостатки

Марка стали 20 имеет основное достоинство – этот высококачественный сплав с хорошими технологическими характеристиками можно приобрести по умеренной цене. При использовании металла для производства продукции отмечаются его преимущества:

является одновременно пластичным и прочным, устойчивым к истиранию;
сохраняет необходимые качества при работе в диапазоне температур (-40 — +450 оС);
имеет низкую флокеночувствительность;
устойчив к воздействию среды, находящейся под высоким давлением (газ, пар);
в структуре сплава практически не образуются трещины после его обработки давлением;
металл обладает высокой свариваемостью (до его термообработки);
после выполнения сварочных работ швы не требуется закаливать;

При использовании металла необходимо учитывать его главный недостаток – появление признаков коррозии на поверхности. Для недопущения такого процесса необходимо покрытие специальным защитным химсоставом (гальваника).

Расшифровки маркировки

Сталь 20 — углеродистая. Именно процентное содержание вещества – углерода, определяет название сплава. По ГОСТу 1050-88 его должно быть от 0,17 до 0,24%, или среднее значение – 0,2%. Оно и используется для маркировки металла.

Состав и структура

Основа — железо. Дополнительные компоненты:

Углерод (0,2%). От данного компонента зависит прочность, твердость сплава. Чем его больше, тем выше эти показатели, но при этом снижается пластичность.
Марганец (0,6%). Это сильный раскислитель. При его добавлении снижается количество серы в составе. Увеличивает показатель прочности, износоустойчивости у поверхности структуры сплава. Улучшает ковку, сварку металла.
Кремний (0,35%). Сильный раскислитель. Добавляется для уменьшения содержания азота, кислорода, водорода. Это снижает количество пор, газовых раковин, которые негативно влияют на прочность.
Медь (0,3%), хром (0,2%), никель (0,3%). Эти компоненты нужны для повышения устойчивости к образованию ржавчины, увеличения механической стойкости.
Сера (0,04%), фосфор (0,035%). Вредные компоненты, которые ухудшают его технические характеристики, свойства.

От количества дополнительных компонентов зависят свойства, параметры готовой продукции. Для их изменения состав может насыщаться разными легирующими добавками.

Массовая доля элементов стали 20 по ГОСТ 1050-2013

C (Углерод)	Si (Кремний)	Mn (Марганец)	P (Фосфор)	S (Сера)	Cr (Хром)	Ni (Никель)	Cu (Медь)	Fe (Железо)
0,17 — 0,24	0,17 — 0,37	0,35 — 0,65	< 0,03	< 0,035	< 0,25	< 0,30	< 0,30	остальное

Характеристики и свойства

Показатель плотности — 7850 кг/м3.
Начало плавления сплава — от 1500 °C.
Теплопроводность готовой продукции без увеличенного количества легирующих добавок — 48 Вт/м*К.
Теплоемкость — 490 Дж/кг*К.
Линейное расширение — 11.6*10-6 1/град.
Электрическое сопротивление — 220 Мом*мм.

Низкая устойчивость к воздействию щелочей, кислот.
Быстрое образование ржавчины при длительном воздействии влаги.

Чтобы сделать сталь устойчивой к коррозионным процессам, производители наносят гальваническое покрытие, основой которого является хром, цинк.

Простая механическая обработка.
Средние показатели твердости, прочности.
Модуль упругости — 200 Мпа.
Относительное удлинение на разрыв — 26%.
Максимальное сужение структуры — 55%.
Предел выносливости металла — 14 кг/мм2.
Ударная вязкость металлических поверхностей — 780 кДж/м2.
Прочность структуры на разрыв — до 46 кг/мм2.

Металл хорошо проводит электрический ток, является паромагнетиком.

Механические свойства

Механические свойства при повышенных температурах

Механические свойства проката

Механические свойства поковок

Механические свойства стали после ХТО

Свойства по стандарту ГОСТ 1050-2013

Предел текучести, σ0,2, МПа	Временное сопротивление разрыву, σв, МПа	Относительное удлинение при разрыве, δ5, %	Относительное сужение, ψ, %
> 245	> 410	> 25	> 55

Свойства по стандарту ГОСТ 2284-79

Сортамент	Предел текучести, σ0,2, МПа	Временное сопротивление разрыву, σв, МПа	Относительное удлинение при разрыве, δ5, %
Лента отожженная	—	310-540	18
Лента нагартованная	—	490-830	—

Технологические свойства

Температура критических точек

Ударная вязкость

Ударная вязкость, KCU, Дж/см2

Предел выносливости

Химические свойства

У материала невысокая химическая устойчивость к большинству кислотных соединений. Если на поверхность попадёт влага, на ней останется ржавчина. Из-за неё сильно ухудшается внешний вид, прочность.

Чтобы защитить материал от коррозии, следует наносить гальванические покрытия (хром, цинк, прочие схожие соединения).

Физические свойства

Уровень раскисления

Спокойная сталь 20. За счёт введения кремния и марганца, полностью отсутствует кислород. Оксидов железа также очень небольшое количество. Это и обеспечивает «спокойное» застывание металла в ковше. Однородность, плотность СТ20 на выходе отличные, только сверху формируется газовая раковина.
Кипящая сталь. Образовывается путём раскисления марганца, что ведёт к повышению содержания закиси железа. Соединение образует углекислый газ. В итоге формируются пузыри газа, выглядящие как кипящая масса. Такой металл очень пористый, химические элементы распределены неравномерно, что обуславливает ухудшение механических характеристик, увеличивает опасность появления трещин, ухудшает свариваемость. Но есть и достоинства – невысокая цена, отсутствие небезопасных отходов.
Полуспокойная СТ20. Нечто среднее между предыдущими разновидностями сплава.

Особенности термообработки

Для материала предусмотрена термообработка – закалка, отпуск, отжиг. После их выполнения изменяется ферритно-перлитная структура, которая преобразуется в мартенситную. Происходит уменьшение пластичности материала с одновременным увеличением его прочности.

При нагреве заготовок используются печи двух видов – индукционные, доменные. Для закалки выдерживается температурный режим от 790 до 820оС. Время нахождения изделий в печи может быть разным, определяется технологией. Охлаждение выполняется на воздухе, в масле или воде. Для отжига выполняют нагрев заготовок до 160 – 200оС.

Зависимо от степени раскисления можно выделить три типа стали:

Кипящая. Для раскисления применяется марганец. В составе повышается количество железа. При взаимодействии с углеродом выделяется большое количество углекислого газа. Особенность данного вида стали — высокая пористость. Основные компоненты металла распределяются по структуре неравномерно. Из-за этого снижается показатель прочности.
Спокойная. Образуется в процессе удаления кислорода из состава металла. Для этого в сплав вводится марганец, кремний. Внутри содержится минимальное количество оксида железа. Структура однородная, упорядоченная. Сталь получается высокопрочной. Газовые карманы, которые образуются возле поверхностей, удаляются механическим путем.

Третий вид — полустойкий сплав. Представляет собой комбинацию двух вариантов.

Виды прокатного профиля

Прокатный профиль из СТ 20 получают одним из двух способов:

Горячее деформирование. Данный метод используется только для изделий определенной толщины, который не должен быть выше 4 мм.
Холодное деформирование. Для малой толщины изделий. В результате процедуры происходит утолщение сплава.

Этими методами получают следующие виды проката:

Холоднокатаные трубы из стали, сваренной целиком. Листы подлежат соединению по краям швов, которые выступают по прямой линии. Это делают после предварительной их свертки по радиусу. Получаются цельные изделия с повышенной твердостью.
Бесшовные трубы. Применяется метод горячего и холодного волочения, что придает изделию максимальную прочность и устанавливает достаточно высокую цену.
Профиля всех видов: листы, швеллера, проволоки, прутки. Можно изготавливать любые по длине и ширине изделия.

Изготовление

Конверторный. Расплавленный металл продувается потоком воздуха.
Мартеновский. Плавка металлического лома в специальных печах.
С использованием электропечей. Позволяют контролировать рабочий процесс.

Материал применяется для изготовления разного вида проката:

Холодного деформирования. Применяется для прокатки заготовок толщиной не более 4 мм. При наклепе увеличивается прочность сплава.
Горячего деформирования. Применяется для прокатки заготовок толщиной свыше 4 мм.

Горячее деформирование — востребованная технология проката металла, но на поверхностях образуется окалина, из-за которой снижается прочность материала.

Основные отличия Стали 20 от Стали 20А

Добавление буквы «А» в конце обозначения Стали 20, указывает на то что Сталь 20А относиться к категории — сталь высококачественная. Основные отличия в химическом составе это более жёсткие требования по содержанию Серы (S) и более широкие по содержанию Углерода (С) (смотреть таблицу).

Следовательно Сталь 20А менее подвержено охрупчиванию.

Сферы применения

Определенные технические характеристики стали 20 объясняют ее применение в разных направлениях промышленности:

Производстве трубной арматуры (накидных гаек, штуцеров, фланцев, крестовин, ниппелей).
Изготовлении строительных материалов.
Сборке разных металлоконструкций, машин, судов, промышленного оборудования.

Из этого металла производят:

Бесшовные трубы. Изготавливаются путем холодного, горячего волочения. Их особенность — высокая прочность.
Цельносварные холоднокатаные трубы.
Различные профиля (проволоку, двутавры, швеллера, металлические уголки, листы разной толщины, прутки).

Изделия из этого сплава изготавливаются по определенным государственным стандартам:

ГОСТ 17305-91— производство проволоки разного сечения.
ГОСТ 82-70 — изготовление металлических лент разной ширины.
ГОСТ 16523-97 — производство легких листов малой толщины.
ГОСТ 10704-9 — изготовление труб.
ГОСТ 8479-70 — производство кованых деталей, поковок.
ГОСТ 1577-93 — изготовление металлических листов большой толщины.
ГОСТ 14955-77 — производство серебрянки, шлифовальных прутков.
ГОСТ 7417-75 — изготовление калиброванных прутков.
ГОСТ 8240-97, ГОСТ 1050-88 — производство фасонного, сортового проката.

В ГОСТах указываются основные требования к готовой продукции, ее испытания для допуска в продажу.

Стоимость тонны стали

СТ20 включена в класс чёрных металлов. Стоимость тонны лома зависит от региона приобретения и колеблется в пределах 28000-30000 рублей.

Стоимость складывается из ряда факторов, среди которых коррозийные следы (их появление возможно в результате хранения материала) и объём партии. Сдача лома обуславливает повышение цены. В подобном случае наценка осуществима лишь при реализации тысячи тонн и более.

Аналоги материала

Для некоторых изделий допускается замена материала сталью, имеющей аналогичные качества. Продукция российских производителей — сталь 40Х, 30, 25, 15. Металл-заменитель может поставляться из-за рубежа – 20 (Китай), S20C (Япония), 1020, 1023 (США), C22R (Германия).

Сталь 20 - конструкционная углеродистая качественная

Сталь 20 относится к разряду обогащенных углеродом конструкционным сталям высокого уровня качества. На производства поставляется в нескольких вариациях – серебрянка, калиброванная, кованная или горячекатаная. Можно выделить пять типов данной разновидности стали по требованиям к ее механическим свойствам.

Типы стали по требованию к механическим свойствам:

Первый тип представляет собой сталь всех используемых видов обработки, но без проведенных испытаний по растяжению и ударной вязкости.
Второй тип – это образцы нормализованной стали всех типов обработки размеров в двадцать пять миллиметров, которые подвергаются испытаниям на растяжение и ударную вязкость.
Третий тип представляет собой все те же образцы, на которых проводятся вышеупомянутые испытания. Единственное отличие – это их размер. В этом типе он составляет от двадцати шести до ста миллиметров.
Четвертый тип представляет собой образцы из заготовок с размером - до сотни миллиметров, которые были обработаны термическим путем. Они также применяются для проведения испытаний над материалом.
Пятый тип – это также образцы, которые изготовлены из отожженных или выскоопущенных сталей. Еще одно технологическое решение – это образцы из нагартованной стали.

Сталь 20 может быть при необходимости заменена схожими материалами марок 15 и 25.

Технологические свойства стали 20

Для начала процесса ковки достаточно разогреть сталь до +1280 градусов Цельсия, а завершаться процесс должен при температуре -750 градусов Цельсия, при том что охлаждение поковки производится воздушным способом. Сталь марки 20 относится с типу нефлокеночувствительных, а также она не склонна к отпускной способности. Возможность сваривания данного типа стали ничем не ограничена, за исключением тех деталей, которые подвергались химико-термической обработке.

Сталь 20 зачастую используется в процессе производства тех деталей, которые работают со сравнительно небольшим нагружением. Это могут быть оси, пальцы или шестерни, а также и те детали, которые будут подвергаться цементированию для продления срока службы. Помимо всего, такой тип стали может быть использован в процессе изготовления особо тонких деталей, в большинстве своем работающих на истирание. Без термической обработки этот вид стали используется в производстве крюков подъемных кранов, а также прочих деталей, эксплуатация которых производится под некоторым давлением в диапазоне температур от -40 до +450 градусов Цельсия. Химико-термическая обработка наделяет сталь 20 всеми необходимыми свойствами для использования ее в качестве основы для деталей, главной особенностью которых является высокий уровень прочности поверхности.

Химический состав стали 20

Состав марки стали 20 очень разнообразен, ведь в нем представлен углерод, марганец, кремний, медь, мышьяк, никель, фосфор и сера. По сути своей данный тип стали представляет собой очень интересную смесь, в составе которой имеется феррит и перлит. В процессе термической обработки структуру материала можно изменить до пакетного мартенсита. Стоит отметить, что данные преобразования структуры приведут к тому, что прочность стали увеличиться, а ее пластичность, наоборот, уменьшиться. Если сталь 20 подвергнуть термической обработке, после этого она может быть использована в процессе изготовления особой продукции метизного типа.

Сталь 20 по ГОСТ 1050-88

Процесс термообработки представлен основными видами, среди которых необходимо выделить:

Отжиг, включая процедуру гомогенизации и нормализации, выполняется для получения металла, микроструктура которого отличается однородностью и зернистостью, с растворением включений. Следующее за этой операцией охлаждение выполняется в медленном режиме, что позволяет воспрепятствовать появлению мартенсита;

Закалку выполняют при соблюдении высокого уровня скорости охлаждения, что позволяет получить мартенситные структуры. При определении критичного уровня скорости охлаждения, требуемой для выполнения закалки, учитываются марки и разновидности материалов;

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.

Закалка и выполнение высокого отпуска (улучшение)

Для сталей используют процесс упрочнения при закалке методом быстрого охлаждения, производимого на воздухе, в масле или воде. Такая процедура способствует созданию неравновесного строения мартенсита. Операция закалки позволяет стали получить такие характеристики, как высокая твёрдость, низкий уровень пластичности и вязкости. Например, у стали 40ХНМА (SAE 4340) после того, как проведена процедура закалки, показатель твёрдости составляет более 50 HRC, поэтому материал не может быть использован по причине хрупкости и предрасположенности к разрушению. Проведение следующего отпуска, заключающегося в таких операциях, как нагрев до 450 C… 500 0C и выдерживание при этом температурном режиме, позволяет уменьшить внутренние напряжения, учитывая такие явления как распад мартенсита, изменение расстояний решётки. При этом незначительно снижается уровень твёрдости допоказателя 45…48 HRC. Процедура корригирования выполняется для стали, имеющей в своем составе 0,3…0,6 % углерода.
Отжиг представляет собой разновидность термообработки и состоит в проведении нагрева до установленного температурного режима, выдержки и охлаждения. При этом происходит возобновление, рекристаллизирование и гомогенизирование металла. Целью операции является требование снизить уровень твердости, что позволяет повысить обрабатываемость металла, улучшить структурный состав и достичь большей степени гомогенности металла, снять напряжения внутри решетки.

3.2.2 Низкоуглеродистые стали для цементации

Для изготовления деталей, которые работают при условиях трения, ударных и переменных нагрузок, применяют низкоуглеродистые стали, которые содержат до 0,2 % углерода и поддаются цементации с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. Стали для цементации подразделяются на три группы:

— углеродистые стали с сердцевиной, которая не упрочняется во время последующей термической обработки;

— низколегированные стали с незначительно упрочняемой сердцевиной;

— легированные стали с сильно упрочняемой сердцевиной при термической обработке.

К сталям первой группы относятся стали 10, 15, 20. В результате низкой прокаливаемости их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной. Даже после закалки с охлаждением в воде слои, которые расположены под цементированным слоем, имеют ферритно-перлитную структуру, и, соответственно, низкую твердость и прочность.

К сталям второй группы относятся низколегированные стали 20Х, 20ХР, 20ХН, которые после цементации подвергают закалке в масле, что позволяет получить бейнитные структуры по сечению детали и следующие механические свойства: sв до 750 МПа, δ до 12%, КСU — 0,6…0,7 МДж/м2.

К сталям третьей группы относятся стали типа 20ХГР, 20ХНР, 12Х2Н4, 18Х2НВ, 30ХГТ, которые после охлаждения в масле закаливаются на мартенсит. Если после закалки в цементированном слое сохраняется большое количество остаточного аустенита, то такие стали подвергают обработке холодом, а затем низкому отпуску.

Процесс производства закалки

Закалка представляет вид термообработки металлов и их сплавов, стекла, и заключается в нагревании до температурного уровня, превышающего критические значения, и проведением быстрого охлаждения. Выполнение закалки металла, позволяющей получить качественные характеристики, не следует приравнивать к обычному виду обработки, производимой для осуществления фазовых преобразований.

Охлаждение зачастую выполняют в водной или масляной среде, но имеются и иные методы: твёрдый теплоноситель псевдокипящего характера, поток сжатого воздуха, водяное облако, полимеры.

Существуют такие виды закалки:

для сталей, обладающих полиморфическими преобразованиями;
для преобладающей части цветных металлов без наличия полиморфического преобразования.

После закалочной операции возрастает твердость материала, но он приобретает хрупкость, наблюдается снижение уровня пластичности и вязкости при повторных процедурах нагрева и охлаждения. Применение отпуска металла после операции закаливания с полиморфным преобразованием позволяет добиться уменьшения хрупкости, повышая при этом характеристики пластичности и вязкости. При выполнении процедуры без структурных преобразований используют операцию старения. Отпуск способствует незначительному понижению твердости и прочностных характеристик металла.

Учитывая температурные режимы нагревания, выполняется разделение процедуры закаливания на полную и неполную. Полное закаливание выполняют нагреванием на 30…50 0С по уровню выше линии GS для сталей, обладающих доэвтектоидной и эвтектоидной структурой, для заэвтектоидной — по линии PSK (согласно диаграммы железоуглеродистых сплавов). При этом наблюдается образование структуры аустенита и аустенит + цементит. При производстве неполного закаливания выполняют нагрев выше линии PSK, что ведет к появлению излишних фаз.

Проведение отпуска позволяет снимать напряжения закаливания.

Для определенной категории изделий требуется проведение неполного или выборочного закаливания, к примеру, процесс производства катан (японских мечей) предполагает выполнение закаливания по режущей кромке.

Механические свойства стали 20 после нормализации

Стандарт	Состояние поставки	Предел текучести, ReH (МПа)	Сопротивление разрыву, Rm (МПа)	Минимальное относительное удлинение σ,%	Относительное сужение,%	Термообработка
ГОСТ 1050	После нормализации	245	410	25	55	После нормализации
ДСТУ 7809	После нормализации	245	410	25	55	После нормализации

Среды для закалки

При выполнении закаливания для получения эффекта переохлаждения аустенита до мартенситного превращения требуется провести ускоренную процедуру охолаживания. Причем это надо выполнить в промежутке 650…400 0C, где аустенит имеет свойства меньшей устойчивости и осуществляется ускоренное преобразование в смесь ферритно-цементитного состава. При температуре свыше 650 0C наблюдается невысокая скорость преобразования аустенита, что позволяет проводить процесс остывания в размеренном режиме при условии постоянного контроля за его ходом.

Сырьем для образования закалочных сред может быть использована вода, масло, водополимерные среды (Термат), солевые растворы, обладающие следующим механизмом воздействия. При опускании в среду закалки вокруг поверхности изделия из перекаленного пара происходит образование плёнки. Процедура охлаждения осуществляется посредством паровой рубашки и продолжается относительно долго. При достижении определенной температуры, задаваемой исходя из компонентов жидкости, происходит разрыв паровой рубашки, начинается кипение жидкости, проходящее на поверхности изделия, и достигается быстрое остывание.

Процесс медленного кипения происходит в несколько этапов:

плёночное;
пузырьковое;
конвективный теплообмен. При этом наблюдается явление более низкого уровня температуры на поверхности металла в сравнении с температурными показателями кипения жидкости. Учитывая невозможность кипения жидкости, происходит замедление охлаждения.

Химический состав стали 20 в соответствии с ДСТУ 7809, %

С	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	As
0.17-0.24	0.17-0.37	0.35-0.65

Способы закалки

Закалку деталей выполняют, используя такие способы:

производство закалки с одним охладителем представляет собой процесс опускания в среду нагретой детали, где ее требуется оставить до полного охлаждения. Используют при обработке деталей простой формы, для производства которых применяют углеродистый и легированный прокат;
закалка сталей, имеющих в своем составе высокий процент углерода, выполняется в двух средах с применением прерывистой закалки. Вначале проводится ускоренное охлаждение (в воде), а затем — постепенное (в масле);
для термообработки участка детали выполняют струйное закаливание путем орошения струёй воды сильного напора. При этом не происходит формирования паровой рубашки и обеспечивается глубокое прокаливание. Проводится на установках ТВЧ;
охлаждение детали, выполняемое при температуре превышения мартенситной точки, проводится с использованием ступенчатой закалки. При этом требуется обеспечить условия для соблюдения технологии охлаждения и выдержки в данной среде, чтобы все точки сечения детали обладали температурой, создаваемой в закалочной ванне. Затем выполняют постепенное охлаждение и закаливание, обеспечивая преобразование аустенита в мартенсит;
при изотермической закалке проводится выдержка стали в закалочной среде установленный технологией период времени для изотермического преобразования аустенита.

При выполнении отпуска, представляющего один из видов термообработки, происходит стадия распада мартенсита и рекристаллизации.

Проведение операции отпуска дает возможность получить материал, обладающий пластичными свойствами, и уменьшить его хрупкость, сохраняя показатели прочности. С этой целью выполняется нагрев изделий в промежутке от 150…260 0C до 370…650 0C и проведение медленного остывания.

Конструкционная сталь
Инструментальная сталь
Магнитная сталь

Описание марки стали 20ЮЧ

Марки стали 20юч представляют собой конструкционную легированную сталь, устойчивую к коррозионному растрескиванию. Как правило, к такому виду относятся высокопрочные нержавеющие стали различных классов. Улучшенные технические характеристики достигаются благодаря особой термической обработке.

Конструкционная сталь — сплав, который применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определенными механическими, физическими и химическими свойствами.
см. Википедию

Данный материал в основном используется для производства изделий, с помощью которых строят трубопроводы. К таким относятся:

плоские фланцы,
корпуса и днища,
нефтяные и газопроводные трубы, обладающие повышенной коррозионной устойчивостью и хладостойкостью,
детали, работающие в средах с высоким содержанием сероводорода и углекислого газа,
элементы, функционирующие при температуре от -40°С до +475°С.

Помимо этого из стали марки 20ЮЧ производят трубопроводную арматуру с применением термической обработки, а также сварные сосуды для газовой и нефтяной промышленности. К тому же детали из этого материала используются в системах поддержания пластового давления, которые активно добываются на нефтедобывающих предприятиях.

Технические характеристики углеродистой стали 20

Характеристики стали 20 на протяжении длительного периода обеспечивают ее востребованность практически во всех отраслях машиностроения. Изготовленные из конструкционного сплава детали отличаются устойчивостью к высоким рабочим нагрузкам.

Расшифровка марки

Сплав относится, согласно ГОСТу 1050-88, к конструкционным углеродистым качественным сталям, к которым предъявляются более жесткие требования по составу и условиям производства.

Маркировка свидетельствует об усредненном содержании главного компонента (углерода) в сотых долях процента – 0,20%. С увеличением его концентрации повышается поверхностная твердость материала, но одновременно снижается пластичность. Диапазон допустимых концентраций углерода в металле нормативами установлен в пределах 0,17-0,24%.

Марганец и кремний используются в качестве раскислителей. Они способствуют удалению из металла кислорода и других газов, повышающих пористость его структуры. Содержание кремния находится в пределах 0,17-0,35%, марганца – 0,35-0,60%.

В малых количествах в сплаве содержатся и другие элементы, оказывающие положительное влияние на его свойства. Однако их концентрации слишком малы:

никеля – до 0,3%;
хрома – 0,2%;
меди – 0,3%.

Неизбежно присутствие в металле минимальных количеств вредных примесей, ухудшающих его механические свойства:

Аналоги и сортамент

Марку стали 20 можно заменить схожими по свойствам отечественными аналогами: 15; 25; 30; 40Х.

Аналоги стали производятся также во многих странах:

1020, 1023, H10200 – США;
C18, C25E – Италия;
1.0405, C22R – Германия;
C25-2 – Бельгия;
S20C, S20CK – Япония;
SM20C – Южная Корея;
XC25 – Франция;
Ck22 – Швейцария;
1450 – Швеция;
М1020 – Австралия.

Номенклатура продукции представлена:

сортовым прокатом разных стандартов;
шлифованным прутком ГОСТа 14955-77;
листовым прокатом и лентой;
коваными заготовками;
газопроводными трубами;
швеллерами и кругами.

Свойства материала

Физические свойства стали 20:

удельный вес – 7850 кг/м 3 ;
температура плавления – 1500 градусов;
коэффициент теплопроводности – 48 Вт/м*К;
удельная теплоемкость – 490 Дж/кг*К;
коэффициент линейного расширения – 11,6*10-6 1/град;
удельное электросопротивление – 220 Мом*мм.

Сталь не отличается большой устойчивостью к действию воды или химически агрессивных сред. При контакте с ними на поверхности изделий образуются следы ржавчины. Для защиты от коррозии на них наносится гальваническое покрытие.

Среди механических свойств сплава следует выделить показатели:

твердости – 163 МПа, придающие ей высокую износостойкость;
модуля упругости – 200 МПа;
предела прочности на разрыв – 36-46 кг/мм2;
ударной вязкости – 780 кДж/м2;
предела выносливости – 14 кг/мм2;
относительного удлинения – 23-26%;
относительного сужения – 55%;
температур ковки – 1280-750 градусов.

Сплав отличается хорошей свариваемостью и не требует предварительной подготовки.

Режимы термической обработки

При помощи термической обработки возможно улучшение технических характеристик стали 20 без введения дорогих легирующих добавок:

закалка позволяет придать сплаву требуемые свойства;
отпуск снимает внутренние напряжения и повышает его прочность;
отжиг выравнивает структуру металла.

После термообработки феррито-перлитная структура стали превращается в мартенсит, при котором происходит повышение прочности и уменьшение пластичности металла. В зависимости от химического состава подбираются критические точки, нагрев заготовок ведется в доменных или индукционных печах. Температурный режим закалки – 790-820 градусов. Время выдержки составляет от нескольких часов до полутора суток.

После нагревания в структуре сплава происходит первичная перестройка. Охлаждение проводится в воде или масле. Крупные изделия охлаждают на воздухе. Каждый из способов связан с некоторыми недостатками: при водяном охлаждении возможно возникновение окалины; при использовании масла существует вероятность его воспламенения и образования токсичного дыма.

Отпуск проводится при температурах 160-200 градусов. После термообработки на поверхности деталей могут возникнуть небольшие дефекты, которые снимаются механическим способом. Поэтому заготовки для закалки делаются с учетом припуска.

Уровни раскисления

Процесс раскисления необходим для восстановления железа из его оксидов и удаления частиц кислорода из структуры сплава. По характеру застывания углеродистая сталь 20 делится на три типа.

Кипящая сталь неоднородна по структуре и содержит большое количество газа. Из-за его обильного выделения поверхность расплава кипит. Такой металл обладает повышенной хрупкостью и плохой свариваемостью. Однако у него есть и свои плюсы:

низкая стоимость;
экономичность производства;
отсутствие отходов.

Кипящая сталь используется для производства менее ответственных деталей.

Спокойная сталь образуется при раскислении металла с помощью кремния и марганца. Она содержит минимальное количество окислов железа и имеет плотную однородную структуру. Процесс раскисления проводится при высокой температуре и позволяет максимально удалить из металла растворенный кислород. Расплав застывает спокойно, без выделения пузырьков газа. Такая сталь обладает высокой устойчивостью к ударным нагрузкам и используется для производства опорных конструкций.

Полуспокойная сталь характеризуется промежуточными свойствами.

Преимущества и недостатки

Как и любые углеродистые сплавы, сталь 20 обладает множеством плюсов и небольшими минусами. К ее несомненным достоинствам относятся:

отличное сочетание прочности и пластичности, которое делает ее незаменимой для изготовления изделий, работающих на истирание;
сталь не склонна к образованию трещин при обработке давлением;
не чувствительна к возникновению флокенов;
свариваемость металла до термообработки неограниченна;
сварные швы не требуют последующей термообработки;
нет склонности к отпускной хрупкости;
сплав устойчив в условиях действия сверхкритических температур пара, в трубах высокого давления;
выдерживает диапазон рабочих температур от -40 до +450 градусов;
сталь хорошо штампуется при любой температуре;
за счет цементации возможно повышение поверхностной твердости;
сталь отличается оптимальным соотношением цены и качества.

Недостатком сплава является подверженность коррозийным процессам. Для защиты изделий от окисления их поверхность покрывают защитным составом.

Область применения

Благодаря характеристикам стали 20 ее применение затрагивает широкий спектр отраслей. В машиностроении она используется для изготовления:

крепежных приспособлений;
соединительных элементов между узлами механизмов;
деталей, требующих высокой поверхностной прочности, например, червячных пар, шестерен;
малонагруженных деталей, подвергающихся эксплуатации при 350 градусах.

Широкое применение сталь получила для производства:

труб и переходных элементов – крестовин, гаек, штуцеров, предназначенных для паропроводов;
бесшовных труб, устойчивых к высоким давлениям;
сварных конструкций с прямоугольным сечением;
котлов высокого давления.

В строительстве сочетание хорошей свариваемости с прочностью позволяет использовать сталь для изготовления:

несущих ферм;
перекладин и балок;
крепежных деталей.

Сталь 20 сегодня является одним из самых практичных и удобных для обработки сплавов.

Сталь 20

Во многом эксплуатационные качества металла зависят от концентрации углерода, так как с увеличением его концентрации повышается твердость поверхности, как и хрупкость. Довольно распространенным металлом можно назвать сталь 20. Применяется она в машиностроительной области на протяжении длительного периода. Марка стали 20 обладает эксплуатационными качествами, которые подходят для создания подшипников скольжения, труб, валов и многих других изделий. Государственные стандарты определяют химический состав Ст 20. Во много расшифровка определяет то, какие химические элементы включаются в состав. Сталь 20 ГОСТ применяется только при маркировке металлов, которые производятся на территории стран СНГ. В других странах применяются собственные стандарты, но химический состав и эксплуатационные качества остаются схожими.

Химический состав

Для обеспечения длительного срока службы химический состав оставляется сбалансированным. Кроме этого, в составе нет большого количества легирующих элементов, за счет чего обеспечивается простота производства. Состав стали 20 характеризуется следующим образом:

Основная часть металла представлена железом. Показатель его концентрации составляет 98%.
Как ранее было отмечено, основные эксплуатационные характеристики зависят от количества углерода и равномерности его распределения. При маркировке указывается именно этот элемент, в рассматриваемом случае его концентрация 0,2%. Стоит учитывать, что в нормативной документации указывается предел, которому должна соответствовать марка: от 0,17 до 0,24%.
В составе также отмечается большая концентрация магния и кремния: первый элемент в пределе 0,35-0,65%, второй 0,17-0,37%. Эти элементы также во многом определяют эксплуатационные характеристики металла.
В составе есть и другие химические элементы, в том числе вредные. Их концентрация выдерживается в строгом пределе, так как их наличие становится причиной снижения прочности и надежности, прочности и ухудшению других качеств.

Несмотря на то, что процесс легирования существенно повышает стоимость металла, этот процесс позволяет существенно увеличить характеристики материала. Примером назовем добавление в состав хрома, за счет которого структура становится более устойчивой к воздействию влаги. Все нержавеющие стали имеют высокий показатель концентрации хрома в составе.

Основные характеристики и свойства

При выборе металла уделяется много внимания основным характеристикам. К ним отнесем:

Показатель твердости. Он может варьировать в большом диапазоне и зависеть от того, была ли проведена термическая обработка. Твердость стали 20 выдерживается на уровне 163 МПа. Этого вполне достаточно для изготовления различных изделий, которые обладают высокой износостойкостью.
Также учитывается и плотность. Менее плотные материалы применяются для изготовления изделий, которые будут обладать небольшим весом. В рассматриваемом случае показатель составляет 7,85 к/см 3 .
Рассматривая основные характеристики учитывается предел текучести и предел прочности. Они рассматриваются при создании различных проектов. Металл Ст 20 может улучшаться для того, чтобы увеличить характеристики материала.
Структура характеризуется тем, что не склонна к отпускной хрупкости и образованию флокенов.
Проводимая термообработка стали 20 позволяет существенно увеличить срок службы изделия. Проводится она при определенных режимах. К примеру, для ковки структура нагревается до температуры 1 280 градусов Цельсия.
При необходимости есть возможность проводить сваривание деталей.
Ударная вязкость стали 20 определяет то, что металл часто применяется при изготовлении валов и других подобных изделий, которые могут использоваться при создании элементов, применяемых при создании различных механизмов. Модуль упругости также учитывается при рассмотрении основных свойств металла.
Средний коэффициент теплопроводности определяет то, что структура может нагреваться достаточно быстро, но при этом тепло отводится с высокой эффективностью.

Механические свойства стали 20 определяют довольно широкое распространение этой марки в машиностроительной и других область промышленности. Как ранее было отмечено, технические характеристики могут улучшаться при проведении термической обработки или легировании. Перестроение структуры металла позволяет повысить твердость поверхностного слоя, при добавлении других химических веществ могут придаваться особые качества, к примеру, коррозионная стойкость.

Термическая обработка предусматривает изменение структуры за счет оказания воздействия определенной температуры. Критические точки выбираются в зависимости от особенностей химического состава. К особенностям подобной процедуры отнесем следующие моменты:

Для оказания требуемого воздействия применяется специальное оборудование. Примером можно назвать доменные и индукционные печи. На протяжении длительного периода использовали именно доменные печи, но они уступают индукционным. Второй вариант исполнения подходит для установки в небольших мастерских.
Критические точки учитываются при проведении рассматриваемой процедуры. Стоит учитывать, что они уже были выявлены для всех металлов, поэтому не нужно проводить исследования повторно.
Заготовка разогревается до требуемой температуры, после чего происходит первичное перестроение структуры. Время выдержки также является важным показателем, который должен учитываться, как и скорость нагрева.
Уделяется внимание и процессу охлаждения. Слишком большие заготовки охлаждаются на воздухе, так как возникают проблемы с созданием требующейся среды. На протяжении длительного периода охлаждение проводилось в воде, но это приводило к появлению окалины. Обеспечить более высокое качество термической обработки возможно за счет применения масла в качестве охлаждающей среды. Однако, при охлаждении в масле следует учитывать высокую вероятность образования токсичного дыма и воспламенения поверхности от высокой температуры.

Цвета закалки стали

Во многих случаях после термической обработки образуются поверхностные дефекты. Именно поэтому процедура применяется для заготовок или изделий, которые созданы с учетом припуска. После закалки часто проводится отпуск, который позволяет снять внутренние напряжения и снизить вероятность повреждения изделия при падении или возникновении ударной нагрузки.

Область применения

Низкая стоимость определяет то, что сталь 20, применение которой связано с изготовлением различных изделий, стали использовать для создания различного рода заготовок. Рассматривая особенности стали марки 20 и ее области применения, отметим следующие моменты:

Чаще всего применяется при котлостроении. Примером назовем изготовление труб и нагревательных элементов различного назначения.
В промышленность поставляются заготовки в виде прутка или листа.
Очень часто сталь улучшается путем цементации. Это позволяет увеличить твердость поверхности, но пластичную сердцевину. Примером можно назвать различные оси, кулачки и валики, пальцы и шпиндели, толкательные клапана, пальцы рессора и другие элементы, получившие широкое распространение в машиностроении.
На производственные площадки поставляется прокат с различным диаметром. При этом заготовка может обрабатываться резанием при применении токарного и фрезерного, сверлильного и другого оборудования.
Трубы изготавливаются при применении электросварки. Для этого применяется листовая сталь, которая сваривается в точке соприкосновения. При применении метода горячей деформации получают бесшовные трубы, которые обладают высокими эксплуатационными характеристиками.

Подобные стали применяются на протяжении длительного периода. Стоит учитывать, что температура применения довольно низкая. Другими словами, структура может быстро нагреваться, за счет чего существенно повышается пластичность. Также металл не может выдерживать воздействие низкой температуры, так как она делает структуру более хрупкой. Существенно увеличить область применения стали 20 смогли при правильном проведении термической обработки, а также легировании структуры.

Аналоги стали 20

Как ранее было отмечено, рассматриваемые стандарты маркировки применяются исключительно при производстве металла на территории стран СНГ. Зарубежные производители проводят выпуск большого количества аналогов, которые обладают схожими эксплуатационными характеристиками. Производство стали 20 налажено в США, Германии, Японии и многих других европейских странах. Зарубежные аналоги могут обладать несколько иным химическим составом, но эксплуатационные качества во многом схожи. Если рассматривать аналоги с другим химическим составом, то можно уделить внимание стали 30, 40Х и другим легированным сплавам. По своим основным качествам они несколько отличаются, но все же могут применяться при изготовлении идентичных изделий.

В заключение отметим, что низкая концентрация углерода определяет необходимость в проведении термической обработки. Очень часто выполняется закалка, а также отпуск, которые позволяют повысить твердость и износостойкость поверхности, но при этом снизить хрупкость. Проводится цементация и другие процедуры внесения химических веществ в поверхностный слой. К примеру, цементация позволяет существенно увеличить твердость изделия. Многие процессы предусматривают применение специального оборудования. Поэтому в домашних условиях провести улучшение металла не получится.

Читайте также: