Обзор стали 20X13

Обзор стали 20X13

Сплав 20Х13 — коррозионностойкая жаропрочная сталь мартенситного класса, широко применяемая в различных отраслях промышленности. Мартенсит — твердая и хрупкая фаза, образующаяся при быстром охлаждении (закалке) стали с высоких температур. Об характеристиках мартенситных сталей расскажем ниже. Мартенситные сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

В энергетическом машиностроении они используются для изготовления турбинных лопаток, болтов, гаек и арматуры крекинг-установок. В печном строении из этих сталей изготавливают муфели, жаровые трубы и рекуператоры. В химической промышленности применяются для создания емкостей для агрессивных сред. В нефтеперерабатывающей промышленности из них производят теплообменники и арматуру. В судостроении используются для изготовления валов, насосов и гребных винтов, а в строительстве – для производства крепежных изделий и арматуры. Важно отметить, что сталь марки 20Х13 не рекомендуется использовать в средах, содержащих хлориды, так как это может привести к коррозионному растрескиванию.

Описание и основные свойства стали 20х13

Химический состав сплава:

• Углерод: 0,16-0,25%
• Хром: 12-14%
• Марганец: 0,5-1,0%
• Кремний: 0,5-1,0%
• Железо: основа (около 84%)

Свойства:

• Высокая прочность и твердость благодаря содержанию углерода.
• Коррозионная стойкость обусловлена высоким содержанием хрома.
• Жаропрочность — сохраняет свои свойства при температурах (до 500°C).
• Свариваемость — ограниченная.
• Обрабатываемость — в закаленном и отпущенном состоянии режется труднее, чем в отожженном.

Физические свойства:

• Плотность — 7670 кг/м³.
• Температура критических точек — Ac1 = 820°C, Ac3(Acm) = 950°C, Ar1 = 780°C.
• Твердость по Бринеллю — 126-197 МПа (зависит от температуры и режима обработки).
• Допустимое напряжение — 500-630 МПа (зависит от вида проката).

20Х13 — универсальная сталь, обладающая комплексом ценных свойств, что делает ее востребованной в различных областях.

Технические параметры производства стали 20х13

Сталь 20Х13 плавится в электродуговых печах с основным или кислым футерованием, а также в индукционных тигельных печах. При плавке в электродуговых печах с основным футерованием используется шихта, состоящая из шихтовых материалов — руды, окатышей и флюса, а также лома. В индукционных тигельных печах шихта состоит из шихтовых материалов и металлического скрапа.

Сталь 20Х13 разливается в слитки, которые формуются в изложницы, предварительно нагретые до температуры 120-150°C. 

Ковка стали 20Х13 производится в интервале температур от 1200 до 850°C. Важно учитывать, что эта марка стали склонна к образованию трещин во время ковки.

Сталь 20Х13 подвергается термической обработке — закалке и отпуску. Закалка выполняется при температуре 950-1000°C с охлаждением в масле или на воздухе. Отпуск осуществляется при температуре 550-650°C.

Анализ химического состава стали 20х13

Химические элементы, входящие в состав этой марки нержавеющей, стали, прочно связаны между собой, образуя характерную для мартенсита пространственную структуру. Каждый из элементов играет свою роль. Рассмотрим более подробно:

1. Углерод (C): 0.16-0.25% — является основным элементом, который влияет на прочностные характеристики стали. Элемент повышает твердость и прочность, но при этом может снижать пластичность и ударную вязкость. В стали 20Х13 содержание углерода среднее, что обеспечивает хороший баланс между прочностью и пластичностью.
2. Кремний (Si): ≤0.60% —используется как раскислитель для удаления кислорода из стали. Он также увеличивает прочность и твердость, повышая износостойкость. Кремний улучшает устойчивость стали к окислению при высоких температурах.
3. Марганец (Mn): ≤0.60% — улучшает прочностные характеристики, способствует закалке и увеличивает износостойкость. Также он действует как раскислитель и улучшает структуру стали, уменьшая склонность к образованию трещин.
4. Хром (Cr): 12.00-14.00% — основной легирующий элемент в стали 20Х13. Он значительно повышает коррозионную стойкость, создавая на поверхности защитную оксидную пленку. Хром также увеличивает прочность и твёрдость стали, улучшая её устойчивость к износу и окислению.
5. Никель (Ni): ≤0.60% — улучшает коррозионную стойкость и пластичность сплава. Он также способствует улучшению механических свойств при низких температурах. В составе стали 20Х13 никеля немного, что позволяет сохранить прочность и твёрдость, но в то же время добавить устойчивость к агрессивным средам.
6. Фосфор (P): ≤0.035% — является вредной примесью в стали, поскольку повышает хрупкость и снижает пластичность. Тем не менее, в небольших количествах он может улучшать обрабатываемость стали.
7. Сера (S): ≤0.025% — также является вредной примесью, так как увеличивает хрупкость стали и снижает ударную вязкость.

Сталь 20Х13 — сбалансированный материал с хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью благодаря содержанию хрома. Она применяется в условиях, где требуются высокие прочностные характеристики и стойкость к агрессивным средам.

Физические особенности стали 20х13

На свойства стали 20Х13 сильно влияют особенности ее феррито-карбидной микроструктуры. Включает феррит (мягкий) и карбиды хрома (твердые). Обеспечивает баланс между прочностью, пластичностью и вязкостью. Зернистость: 5-8 баллов по шкале ГОСТ 11343. Зернистость стали в диапазоне 5-8 баллов по шкале ГОСТ 11343 оказывает значительное влияние на её свойства. Мелкое зерно обеспечивает более высокую прочность стали, поскольку препятствует распространению микротрещин и повышает устойчивость материала к нагрузкам. Это также способствует увеличению вязкости, улучшая способность стали поглощать и рассеивать энергию ударов, что делает её менее хрупкой и более устойчивой к внезапным разрушениям.

Хотя мелкозернистая структура может немного снизить пластичность по сравнению с крупнозернистой, диапазон 5-8 баллов поддерживает хороший баланс свойств, обеспечивая приемлемую пластичность. Кроме того, мелкое зерно улучшает обрабатываемость стали, снижая вероятность возникновения дефектов при механической обработке. 

Более высокая прочность и вязкость, обусловленные мелкозернистой структурой, также способствуют повышенной износостойкости стали, делая её более устойчивой к истиранию и поверхностным повреждениям. Таким образом, зернистость 5-8 баллов по шкале ГОСТ 11343 обеспечивает оптимальное сочетание прочности, вязкости и износостойкости, что делает сталь подходящей для использования в условиях высоких нагрузок и износа. Сохраняет свои свойства при высоких температурах. Сваривается с использованием различных методов, требует предварительной и последующей термической обработки. Трудно поддается резанию металлообрабатывающим оборудованием.

Методы и техники сварки стали 20х13

Выбор метода сварки зависит от толщины металла, требуемой прочности, наличия оборудования и квалификации сварщика.

Популярные методы:

Ручная дуговая сварка (РДС) с покрытыми электродами ЭИ-12, ЭИ-13НЖ, ЭИ-40НЖ, ЭИ-411НЖ, ОЗС-6.

• Преимущества: — простота, доступность, универсальность.
• Недостатки — разбрызгивание металла, низкая производительность, зависимость от квалификации сварщика.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом (АДС) АН-АН1, АН-3, АН-16, АА-20, ФУГ-А.

• Преимущества — высокое качество сварного шва, меньшее разбрызгивание металла, высокая производительность.
• Недостатки — сложность оборудования, необходимость подготовки флюса.

Газовая сварка (ГС) с присадочными материалами Св-08Х13Н, Св-08Г2СМН в атмосфере аргона, гелия, смеси аргона с кислородом или углекислого газом.

• Преимущества — чистота сварного шва, возможность сварки в различных пространственных положениях.
• Недостатки — низкая производительность, необходимость газового оборудования.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС):

• Преимущества — глубокое проплавление, высокое качество сварного шва, отсутствие расплескивания металла.
• Недостатки — сложность и дороговизна оборудования, необходимость вакуумирования камеры.

Лазерная сварка (ЛС):

• Преимущества — высокая точность, скорость сварки, минимальная зона термического влияния.
• Недостатки — сложность и дороговизна оборудования, ограниченная толщина свариваемых деталей.

Дополнительные техники:

• Предварительный подогрев. Применяется для уменьшения сварочных напряжений и деформаций.
• Межслойная проковка. Используется для улучшения механических свойств сварного шва.
• Термическая обработка после сварки. Снимает внутренние напряжения, повышает прочность и твердость.

Важно:

Перед сваркой необходимо очистить свариваемые поверхности от ржавчины, масла и других загрязнений. Для получения качественного сварного шва необходимо строго соблюдать режим сварки, рекомендованный для данной, стали и метода сварки. Сварку стали 20Х13 должны выполнять сварщики с соответствующей квалификацией.

Обработка стали 20х13: методы и рекомендации

Сталь 20Х13 — это нержавеющая хромистая сталь, известная высокой коррозионной стойкостью, прочностью и износостойкостью, что делает её востребованной в различных отраслях промышленности. Это же вызывает необходимость в металлообработке на разном оборудовании.

Свойства, влияющие на механическую обработку:

• Высокая твердость стали 20Х13 может усложнять обработку резанием.
• Низкая вязкость делает сплав хрупким и склонным к трещинам при ударных нагрузках.
• Низкая теплопроводность может приводить к образованию закалочных зон при сварке и резке.

Рекомендации по механической обработке:

Резка:

• Используйте твердосплавный инструмент с твердостью выше HRC 60-65.
• Применяйте небольшие глубины резания (0,1-0,3 мм) для уменьшения тепла и предотвращения трещин.
• Обеспечьте обильное охлаждение инструмента и заготовки для отвода тепла.
• Применяйте низкие скорости резания для уменьшения трения и нагрева.

Сверление:

• Используйте твердосплавные сверла с подходящей геометрией.
• Предварительное центрирование поможет избежать отклонений сверла и сколов.
• Применяйте низкие скорости сверления и подачи для уменьшения трения и нагрева.
• Обильное охлаждение сверла и заготовки необходимо для отвода тепла.

Фрезерование:

• Применяйте твердосплавные фрезы с подходящей геометрией.
• Используйте небольшие глубины резания (0,1-0,3 мм на сторону) для уменьшения тепла и предотвращения трещин.
• Обеспечьте обильное охлаждение фрезы и заготовки.

Шлифование:

• Применяйте абразивные круги из корунда или электрокорунда.
• Обильное охлаждение круга и заготовки необходимо для отвода тепла.
• Используйте небольшие радиальные подачи для уменьшения тепла и предотвращения трещин.

Термическая обработка:

• Рекомендуется проводить отжиг при 650-700°C с медленным охлаждением для снятия внутренних напряжений.
• Не рекомендуется, так как может привести к трещинам.
• Может потребоваться после механической обработки для достижения нужной твердости и вязкости. Температура и время отпуска зависят от требуемой твердости.

Расшифровка и классификация стали 20х13

Цифра 20 обозначает содержание углерода в стали, в данном случае это 0,20%. Буква "Х" указывает на присутствие хрома, а цифра 13 обозначает процентное содержание хрома, то есть 13%.

По классификации согласно ГОСТ, сталь 20Х13 относится к группе хромистых нержавеющих и жаропрочных сталей. В соответствии с ГОСТ 5632-72, она классифицируется как мартенситный класс стали. В плане применения, сталь 20Х13 используется как конструкционная и коррозионностойкая.

Сравнение и альтернативы стали 20х13

По ГОСТ:

• 12Х13;
• 40Х13;
• 30Х13;
• 08Х17Т.

По DIN:

• X12Cr13;
• X40Cr13;
• X30Cr13;
• X8Cr17;

По AISI:

• 403;
• 420;
• 304;
• 308.

Свойства стали могут незначительно отличаться в зависимости от точного химического состава и технологии производства. При выборе стали необходимо учитывать конкретные условия эксплуатации и требования к детали.

Стандарты и нормативы для стали 20х13

Химический состав регламентируется ГОСТ 5632-72 «Стали коррозионностойкие и жаропрочные. Классификация и общие требования». Сталь 20Х13 выпускается в различных сортах:

• Прутки ГОСТ 5949-75
• Кованые поковки ГОСТ 25054-81
• Листы горячекатаные ГОСТ 18907-73
• Ленты холоднокатаные ГОСТ 4986-79
• Проволока ГОСТ 18143-72
• Трубы ГОСТ 10706-76

Размеры и точные параметры каждого сортамента регламентируются соответствующими ГОСТ. Термическая обработка стали 20Х13 регламентируется ГОСТ 14963-80 "Стали коррозионностойкие и жаропрочные. Методы контроля".