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:

• серы – до 0,04%;
• фосфора – 0,035%.

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/м³;
• 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.