Технические характеристики углеродистой стали 20

Технические характеристики углеродистой стали 20

• Total:

Предприятия, занимающиеся машиностроением, производством станков, тракторов, гидравлического оборудования, металлоконструкций, строительством, являются потребителями этого материала.

Основные характеристики стали 20 – качественный конструкционный сплав, относящийся к среднеуглеродистом классу. Он имеет незначительное количество вредных примесей. Материал способен изменять свои качества после обработки – механической, термической, химико-термической.

Такие особенности позволяют применять сплав:

• для изготовления труб, соединительных, переходных элементов трубопроводов, арматуры;
• при производстве деталей для механизмов – это червячные пары, валы, шестерни, вкладыши подшипников, крепежные и соединительные изделия;
• при выпуске металлоконструкций – строительной арматуры, несущих и вспомогательных элементов зданий, крепежа;
• для изготовления узлов котельного оборудования, работающего под давлением.

Нормативные документы, регламентирующие выпуск стали

На металлургических комбинатах при выплавке используют ГОСТ 1050 88 для стали конструкционной углеродистой качественной. Он определяет основные требования к выпускаемой продукции, соблюдение необходимых характеристик материала:

• допустимое процентное соотношение химических элементов в нем (углерода, кремния, марганца, хрома, серы, фосфора, никеля, азота, мышьяка, других);
• указывает на использовании ГОСТов для сортамета проката;
• предусматривает исполнение обязательных технических требований при выпуске продукции.

Каждая поставка стали 20 сопровождается документом – сертификатом качества. В нем указывается производитель продукции, её получатель, номер партии, химический состав материала, его механические свойства.

Основные параметры

Углеродистая сталь появляется в результате сочетания железа и углерода и представляет собой металлический сплав.

Показательной величиной для углеродистых сталей является наличие атомов углерода в их структуре. Цифровое выражение этой величины в процентных долях фигурирует в обозначении марки сплава.

Девяносто восемь процентов этого сплава состоят из железа, а содержание углерода находится в пределах 0,17−0,24 процента. Остальную часть занимают примеси (марганец, никель, сера) — до 1 процента.

Качественная конструкционная сталь марки 20 с низким содержанием структурного углерода имеет следующие физические и механические свойства:

• удельную массу — 7,85 г/см3;
• показатель твердости — HB 10 -1 = 163 МПа;
• относительное удлинение при разрыве 12−20%.

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.

Свойства стали 20

Удельный вес материала составляет 7,85 г/см3. Твердость по Бринеллю доходит до 10 -1 = 163 МПа. Критические точки наступают при температуре:

• Ac1 = 735°
• Ac3(Acm) = 850°
• Ar3(Arcm) = 835°
• Ar1 = 680°

Начальная температура ковки достигает 1280°С, конечная — 750°С. Охлаждают произведенные элементы на открытом воздухе.

Обрабатываемость материала резанием возможна в горячекатаном состоянии. Свариваемость большинства вариаций деталей не ограничена. Сложность возникает только с элементами после химико-термической обработки. Для них доступны следующие способы сварки:

• ручная дуговая (РДС)
• аргонно-дуговая под флюсом и газовой защитой (АДС)
• контактная точечная сварка (КТС)

Очевидными плюсами данного вида стали является отсутствие флокеночувствительности и склонности к отпускной хрупкости. Что гарантирует надежность и долгий срок службы деталей из нее.

Виды прокатного профиля

Прокатный профиль из СТ 20 получают одним из двух способов:

1. Горячее деформирование. Данный метод используется только для изделий определенной толщины, который не должен быть выше 4 мм.
2. 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.

к содержанию ↑

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:

1. Чаще всего применяется при котлостроении. Примером назовем изготовление труб и нагревательных элементов различного назначения.
2. В промышленность поставляются заготовки в виде прутка или листа.
3. 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.
4. На производственные площадки поставляется прокат с различным диаметром. При этом заготовка может обрабатываться резанием при применении токарного и фрезерного, сверлильного и другого оборудования.
5. 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.

Технологические свойства

Сталь 20 является высокотехнологичным сплавом. Она хорошо поддается как обработке давлением так резанию. Штампуется как в горячем, так и в холодном состоянии. Не имеет предрасположенности к образованию трещин при обработке давлением.

Сплав относиться к первой группе свариваемости. Ее сварка не требует проведения предварительного нагрева и последующей термической обработки. Сварные швы получаются плотными и при сварке в стык по прочности не уступают цельному металлу.

Также сталь 20 относиться к цементируемой категории сплавов. Процесс цементации заключается в насыщение поверхности сплава частицами углерода. Для этого ее нагревают в специальной среде углекислого газа. Как результат, твердость цементируемого слоя получается до 62 HRC, а сердцевина при этом остается «мягкой» 20-35 HRC. Данная химикотермическая обработка сильно повышает долговечность изделия при воздействии переменных нагрузок.

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.

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.

Стандартизация и применение

Обрабатывающая промышленность производит на базе материала сталь 20 широкий ассортимент металлических изделий, изготовление которых отрегулировано государственным стандартом (ГОСТ).

Список прокатной продукции:

• прокат стальной, сортовой, включая фасонный;
• прут стальной, калиброванный;
• прут стальной, шлифованный;
• лист толстый;
• лист тонкий;
• стальная полоса;
• поковки (кованные формы);
• катанка (проволка);
• труба.

Трубный и листовой прокат, обширно используются при изготовлении труб для отопительных котлов. Стальной лист, прут или полоску с помощью электросварки несложно превратить в прямошовный трубный элемент какой-либо конструкции.

Марки стали 20кп и 20пс, прошедшие нормализацию без последующей термообработки, применяют в изготовлении патрубков, штуцеров, фланцев, вилок, корпусов, эксплуатируемых в условиях от 20 до 425 градусов Цельсия.

Процессы цементации и цианирования повышают механическую твердость поверхности материала при наличии сердцевины, не обладающей высокой прочностью. Улучшенная характеристика механической прочности позволяет использовать термически обработанный материал в дальнейших производственных циклах.

В аграрном и автотракторном машиностроении сплавы, прошедшие термообработку, используют для производства типовых изделий разного назначения:

• шпинделей;
• звёздочек;
• шпилек;
• видов крепежа;
• толкателей клапанов;
• валиков переключения передач, масляных насосов, кулачковых валиков.

Сталь применяется при изготовлении грузозахватных элементов подъемных кранов, составляющих подшипников скольжения. Все это требует от материала высоких показателей прочности.

Способность стали 20 меняться и производство бесшовных труб

Изготовление бесшовных труб – мероприятие крайне ответственное и затратное. Используют их чаще всего для возведения нефте- и газопроводов, на предприятиях повышенной опасности, связанных с химической промышленностью. Одним словом, у бесшовных труб не должно быть «слабых мест».

Характеристики марки стали 20 позволяют использовать ее для производства труб с помощью методов и горячего, и холодного волочения. В первом случае получают горячекатаные толстостенные трубы с высокими показателями прочности. Температурный режим на протяжении всего процесса изготовления – выше 1100ºС. Охлаждают трубы долго, придавая им окончательный, «ГОСТовый вид». (изготовление трубы из стали 20, гост 8732-78).

Во втором варианте заготовка нагревается, но поскольку температура не поддерживается, основной процесс проходит уже при обычной температуре. Метод используют для получения бесшовных труб с тонкими стенками.