Сталь 20х13 и её особенности, характеристики и использование

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.

Стандарты

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.

Характеристики

В связи с этим такую сталь не применяют для изготовления метательных ножей.

Указанные выше характеристики марка будет иметь исключительно при полном соблюдении всех процессов термической обработки. Термообработка проводится по различным технологиям, но существует два самых распространённых способа:

1. Сначала металл закаливают в масле, соблюдая температурный режим – 950–990 градусов Цельсия, затем проводится низкий отпуск. Этот метод относят к одному из самых лучших: с его применением удаётся получить оптимальное соотношение крепости и твёрдости.
2. Закалка происходит при температуре 1020–1060 градусов Цельсия с охлаждением в обычной воде. Для достижения необходимых свойств применяется отпуск при 400 градусах Цельсия. Подобная термическая обработка несколько сложнее по своей технологии, но даёт возможность добиться более высоких показателей упругости стали.

Марка 8Cr13MoV, используемая для ножей, производится с применением горячей ковки под высоким давлением. Работа со сплавом ведётся при температурном режиме 1140 градусов, доводка – при 850 градусах. Металл во время отпуска становится хрупким, что может приводить к возникновению неоднородности состава.

Сталь плохо поддаётся шлифовке, сварке вовсе не поддаётся. 8Cr13MoV является устойчивой к коррозиям, а конкретно – к воздействию воды и некоторых солей.

Плюсы

Широкое распространение сталь 8Cr13MoV получила багодаря своим положительным качествам:

1. Доступная стоимость. Несмотря на небольшую цену сплава, изделия из него получаются довольно качественные, что позволяет конкурировать им с более дорогими аналогами. Ножи из этой стали долго прослужат в быту.
2. Сравнительно высокие показатели прочности и твёрдости. Лезвие долго держит заточку и не крошится при работе с грубыми материалами.
3. Устойчивость к образованию ржавчины. Изделия из такого металла не требуют сложного ухода.
4. Простое затачивание. Даже после продуктивного и длительного использования режущую кромку из 8Cr13MoV легко привести к заводскому состоянию при помощи брусков.
5. Правильная термическая обработка позволяет создавать клинки с увеличенной пластичностью, что даёт возможность использовать эту марку для производства тонких кухонных ножей.

Указанные преимущества делают изделия из этой стали весьма желанными и популярными.

Минусы

Несмотря на все достоинства сплава, нельзя забывать и про его недостатки:

1. Существует возможность образования ржавчины. Сталь обладает устойчивостью к коррозии, но если она долго поддаётся воздействию влаги, на ней возникают небольшие точки ржавчины, которые прогрессируют дальше. Чтобы клинки служили долго, желательно после каждого использования протирать их сухой тряпочкой.
2. Низкий показатель упругости. Из-за этого минуса ножи из такой марки лучше не подвергать высоким ударным нагрузкам. Для метания они тоже совершенно не подходят: большая вероятность раскола.
3. Маленькая прочность, если провести неправильную термическую обработку. При несоблюдении всей технологии лезвия могут быть менее прочными.
4. Режущая кромка быстро теряет остроту. Если неправильно затачивать лезвие и не соблюдать угол 30 градусов, придётся часто подтачивать его, что значительно уменьшает срок службы ножа.

Существующие аналоги

Производством стали с аналогичными свойствами занимаются все развитые страны. В разных странах она имеет свою маркировку:

• в США это сталь, которая имеет маркировку AISI 420;
• в Германии аналогами нашей стали является целая линейка (от X38Cr13 до X46Cr13);
• Китай производит сталь под маркой 4С13;
• в Японии это сталь SUS 420J2;
• во Франции, тоже имеется целая линейка со схожими характеристиками. Это X40Cr14, Z33C13, Z38C13M, Z40C13, Z40C14, Z44C14, Z50C14.

SUS 420J2

AISI 420

Химический состав аналога 40х13 AISI 420

Все эти аналоги имеют хорошие антикоррозийные показатели. Они могут длительное время выдерживать воздействие с такими слабоагрессивными жидкостями, как спиртосодержащие напитки, вино и даже коньячный спирт.

Сталь 20Х13 – хромистая нержавеющая — Литейные заводы России

Классификация хромистых нержавеющих сталейСталь 08Х13Сталь 12Х13Сталь 30Х13

Сталь 40Х13

Применение стали 20Х13

Сталь 20Х13 применяют при изготовлении изделий для работы в слабоагрессивных средах:

• атмосферные условия, кроме морских;
• водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре;
• растворы азотной кислоты слабой и средней концентрации при умеренных температурах и др.

Сталь 20Х13 используют в тех случаях, когда изделия должны обладать достаточно высокой прочностью, а также высокой пластичностью и вязкостью. Сталь 20X13 удовлетворительно сваривается.

Сталь 20Х13 применяют также в качестве жаропрочного материала при температурах до 450-550 °С и в качестве жаростойкого — до 700 °С. 

Химический состав стали 20Х13

Сталь 20Х13 входит в стали типа Х13 вместе со сталями 08Х13, 12Х13, 30Х13 и 40Х13. Занимает свой интервал по содержанию углерода — от 0,16 до 0,25 %, количества остальных легирующих элементов и примесей — такие же, как и у других сталей типа Х13 (таблица 1). 

Таблица 1 — Химический состав стали 20Х13 по ГОСТ 5632-72

Класс стали 20Х13 по ГОСТ 5632-72

По классификации ГОСТ 5632-72 сталь 20Х13 относится к мартенситному классу. 

Превращения и микроструктура стали 20Х13

1. При нагреве отожженной стали 20Х13 полиморфное альфа-гамма превращение в ней происходит в интервале температур от 820 °С (Ас1) до 950 °С (Ас3). Температура точки Аr1 составляет 780 °С.
2. При изотермической выдержке или медленном охлаждении в интервале 800-550 °С аустенит распадается феррито-карбидную смесь.

   Эта феррито-карбидная смесь состоит из высокохромистого феррита и карбида типа Cr23C6.

3. При быстром охлаждении стали 20Х13 в ней происходит мартенситное превращение. Температура начала мартенситного превращения — 220 °С.

4. С повышением температуры отпуска происходит значительное снижение прочности с увеличением пластичности, а также снижение коррозионной стойкости.   

Сортамент стали 20Х13

Из стали 08Х13 производят следующую продукцию:

• лист толстый по ГОСТ 7350-77;
• лист тонкий по ГОСТ 5582-75;
• лента и подкат по ГОСТ 4986-78;
• сортовой прокат по ГОСТ 5949-75;
• трубы горячедеформированные по ГОСТ 9940-81;
• трубы холоднодеформированные и теплодеформированные по ГОСТ 9941-81;
• проволока по ГОСТ 18143-72.

Механические свойства стали 20Х13

Механические свойства стали 20Х13 в различных видах продукции представлено в таблице 2.

Таблица 2 — Механические свойства стали 20Х13 при 20 °С

Влияние понижения и повышения температуры на механические свойства прутка из стали 20Х13 после нормализации с 1000-1020 °С и отпуска при 730-750 °С показано в таблице 3.   

Таблица 3 — Механические свойства стали 20Х13при низких и повышенных температурах

Коррозионная стойкость стали 20Х13

Сталь 20Х13 обладает высокой стойкостью в атмосферных условиях (кроме морской атмосферы), речной и водопроводной воде.

Специальные свойства стали 20Х13

Для деталей, работающих при повышенных температурах длительное время, предельная рабочая температура составляет 450-475 °С, при кратковременной работе — 500-550 °С.

Плотность стали 20Х13 — 7,76 г/см3.

Термическая обработка сварных швов стали 20Х13

После сварки проводят отпуск сварных соединений или изделий. Температура отпуска зависит от уровня требуемых механических свойств. Чаще всего применяют отпуск при 680-760 °С. 

Технологические параметры стали 20Х13

Сталь 20Х13 имеет хорошую технологичность при горячей пластической деформации. Температурный интервал горячей пластической деформации составляет от 1100 до 875-950 °С. Нагрев под прокатку и ковку до 780 °С проводят медленно.  После горячей деформации применяют медленное охлаждение.

Для стали 20Х13 обычно применяют смягчающий отжиг при 750-800 °С с охлаждением в печи до 500 °С. Окончательная термическая обработка – закалка с 950-1000 °С с охлаждением в масле или на воздухе и отпуск на заданную твердость и коррозионную стойкость.

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.

ГОСТы и другие стандарты на сталь 20Х13

На сегодняшний день существуют следующие стандарты на сталь данного вида:

• кованая сталь квадратной и круглой формы;
• проволока на основе жаростойкой и высоколегированной стали;
• нагартованные прутки, обработанные на основе коррозийно-стойкой стали;
• поковки на основе сталей данного типа и их сплавов;
• тонколистовой и устойчивый к коррозии прокат, отличается жаропрочностью и жаростойкостью;
• высоколегированные и устойчивые к коррозии материалы и их сплавы;
• металл сортовой и калиброванный, устойчивый к коррозии, жаропрочный и жаростойкий;
• кованые и горячекатанные полосы;
• материалы круглые со специальной отделкой поверхности;
• прокат стальной сортовой горячекатаный круглой и квадратной формы;
• круглый калиброванный металл;
• кованые на основе инструментального металла горячекатанные полосы;
• калиброванные квадратные металлы;
• шестигранный калиброванный прокат;
• металл кованый круглый и квадратный;
• высоколегированные материалы и их сплавы, отличающиеся устойчивостью к коррозии, жаропрочностью и жароустойчивостью;
• полосовой сортовой горячекатанный прокат на основе стального материала;
• металл сортовой и калиброванный, устойчивый к коррозии, отличается жаростойкостью и жаропрочностью;
• сортовой горячекатанный шестигранный стальной прокат;
• стальные высокоточные фасонные профили;
• заготовки на основе конструкционного материала для применения в машиностроительной отрасли.

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