Обзор стали 20Х13 и ее обработка

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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).

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».