Сталь 20: качественные характеристики и области примения

Общие данные

Заменитель

Сталь 15, Сталь 25

Вид поставки

Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050-74, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 8509-86, ГОСТ 8510-86, ГОСТ 8240-72, ГОСТ 8239-72. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77, ГОСТ 10702-78. Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74. Лист тонкий ГОСТ 16523-70. Лента ГОСТ 6009-74, ГОСТ 10234-77. Полоса ГОСТ 1577-81, ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70. Проволока ГОСТ 5663-79, ГОСТ 17305-71. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70. Трубы ГОСТ 10704-76, ГОСТ 10705-80, ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 5654-76, ГОСТ 550-75.

Назначение

После нормализации или без термообработки крюки кранов, муфты, вкладыши подшипников и другие детали, работающие при температуре от -40 до 450°С под давлением, после ХТО — шестерни, червяки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины.

Преимущества стали и его недостатки

Марка стали 20 имеет основное достоинство – этот высококачественный сплав с хорошими технологическими характеристиками можно приобрести по умеренной цене. При использовании металла для производства продукции отмечаются его преимущества:

• является одновременно пластичным и прочным, устойчивым к истиранию;
• сохраняет необходимые качества при работе в диапазоне температур (-40 — +450 оС);
• имеет низкую флокеночувствительность;
• устойчив к воздействию среды, находящейся под высоким давлением (газ, пар);
• в структуре сплава практически не образуются трещины после его обработки давлением;
• металл обладает высокой свариваемостью (до его термообработки);
• после выполнения сварочных работ швы не требуется закаливать;

При использовании металла необходимо учитывать его главный недостаток – появление признаков коррозии на поверхности. Для недопущения такого процесса необходимо покрытие специальным защитным химсоставом (гальваника).

Расшифровки маркировки

Сталь 20 — углеродистая. Именно процентное содержание вещества – углерода, определяет название сплава. По ГОСТу 1050-88 его должно быть от 0,17 до 0,24%, или среднее значение – 0,2%. Оно и используется для маркировки металла.

Состав и структура

Основа — железо. Дополнительные компоненты:

1. Углерод (0,2%). От данного компонента зависит прочность, твердость сплава. Чем его больше, тем выше эти показатели, но при этом снижается пластичность.
2. Марганец (0,6%). Это сильный раскислитель. При его добавлении снижается количество серы в составе. Увеличивает показатель прочности, износоустойчивости у поверхности структуры сплава. Улучшает ковку, сварку металла.
3. Кремний (0,35%). Сильный раскислитель. Добавляется для уменьшения содержания азота, кислорода, водорода. Это снижает количество пор, газовых раковин, которые негативно влияют на прочность.
4. Медь (0,3%), хром (0,2%), никель (0,3%). Эти компоненты нужны для повышения устойчивости к образованию ржавчины, увеличения механической стойкости.
5. Сера (0,04%), фосфор (0,035%). Вредные компоненты, которые ухудшают его технические характеристики, свойства.

От количества дополнительных компонентов зависят свойства, параметры готовой продукции. Для их изменения состав может насыщаться разными легирующими добавками.

Медная проволока

Массовая доля элементов стали 20 по ГОСТ 1050-2013

C (Углерод)	Si (Кремний)	Mn (Марганец)	P (Фосфор)	S (Сера)	Cr (Хром)	Ni (Никель)	Cu (Медь)	Fe (Железо)
0,17 – 0,24	0,17 – 0,37	0,35 – 0,65	< 0,03	< 0,035	< 0,25	< 0,30	< 0,30	остальное

Если массовая доля алюминия не менее 0,02 или вводятся по отдельности или в любом сочетании Ti, V, Nb, Al (Ti + V + Nb + Al < 0,015), то содержание азота не нормируется. Допускается снижение уровня содержания кремния при применении других раскислителей, например, Al, Ti, V, Nb. Допускается снижение уровня содержания марганца при удовлетворении всех требований к механическим свойствам.

Характеристики и свойства

Физические свойства:

1. Показатель плотности — 7850 кг/м3.
2. Начало плавления сплава — от 1500 °C.
3. Теплопроводность готовой продукции без увеличенного количества легирующих добавок — 48 Вт/м*К.
4. Теплоемкость — 490 Дж/кг*К.
5. Линейное расширение — 11.6*10-6 1/град.
6. Электрическое сопротивление — 220 Мом*мм.

Химические свойства:

1. Низкая устойчивость к воздействию щелочей, кислот.
2. Быстрое образование ржавчины при длительном воздействии влаги.

Чтобы сделать сталь устойчивой к коррозионным процессам, производители наносят гальваническое покрытие, основой которого является хром, цинк.

Механические параметры:

1. Простая механическая обработка.
2. Средние показатели твердости, прочности.
3. Модуль упругости — 200 Мпа.
4. Относительное удлинение на разрыв — 26%.
5. Максимальное сужение структуры — 55%.
6. Предел выносливости металла — 14 кг/мм2.
7. Ударная вязкость металлических поверхностей — 780 кДж/м2.
8. Прочность структуры на разрыв — до 46 кг/мм2.

Металл хорошо проводит электрический ток, является паромагнетиком.

Рулоны стали

Механические свойства

Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/м2
		410	25	55
		490	7	40
		390	21	50
		390-490		50	163
		340-440		50	163
		490	7	40	207
		410	25	55
		340-490	28		127
20	280	430	34	67	218
200	230	405	28	67	186
300	170	415	29	64	188
400	150	340	39	81	100
500	140	245	40	86	88
700		130	39	94
800		89	51	96
900		75	55	100
1000		47	63	100
1100		30	59	100
1200		20	64	100

Механические свойства проката

Термообработка, состояние поставки	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/м2
Сталь калиброванная горячекатаная, кованая и серебрянка 2-й категории после нормализации	410	25	55
Сталь калиброванная 5-й категории после нагартовки	490	7	40
Сталь калиброванная 5-й категории после отжига или высокого отпуска	390	21	50
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после отпуска или отжига	390-490		50	163
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после сфероидизирующего отжига	340-440		50	163
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой нагартованная без термообработки	490	7	40	207
Полосы нормализованные или горячекатаные	410	25	55
Лист термообработанный 1-2-й категории	340-490	28		127
	430	34	67	218
	405	28	67	186
	415	29	64	188
	340	39	81	100
	245	40	86	88
	130	39	94
	89	51	96
	75	55	100
	47	63	100
	30	59	100
	20	64	100

Механические свойства поковок

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/м2	HB
Нормализация
КП 175	<100	175	350	28	55	64	101-143
КП 175	100-300	175	350	24	50	59	101-143
КП 175	300-500	175	350	22	45	54	101-143
КП 175	500-800	175	350	20	40	49	101-143
КП 195	<100	195	390	26	55	59	111-156
КП 195	100-300	195	390	23	50	54	111-156
КП 215	<100	215	430	24	53	54	123-167
КП 215	100-300	215	430	20	48	49	123-167
Закалка. Отпуск.
КП 245	100-300	245	470	19	42	39	143-179

Механические свойства стали после ХТО

Сечение, мм	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/м2	HB	HRCэ
Цементация 920-950 °С, воздух. Закалка 800-820 °С, вода. Отпуск 180-200 °С, воздух.
50	290-340	490-590	18	45	54	156	55-63

Свойства по стандарту ГОСТ 1050-2013

Предел текучести, σ0,2, МПа	Временное сопротивление разрыву, σв, МПа	Относительное удлинение при разрыве, δ5, %	Относительное сужение, ψ, %
> 245	> 410	> 25	> 55

 

Свойства по стандарту ГОСТ 2284-79

Сортамент	Предел текучести, σ0,2, МПа	Временное сопротивление разрыву, σв, МПа	Относительное удлинение при разрыве, δ5, %
Лента отожженная	–	310-540	18
Лента нагартованная	–	490-830	–

 

Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1280, конца 750. Охлаждение на воздухе.

Свариваемость

Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС.

Обрабатываемость резанием

В горячекатанном состоянии при НВ 126-131 и sB = 450-490 МПа, Ku тв.спл. = 1,7 и Ku б.ст. = 1,6.

Склонность к отпускной способности

Не склонна.

Флокеночувствительность

Не чувствительна.

Температура критических точек

Критическая точка	°С
Ac1	735
Ac3	850
Ar3	835
Ar1	680

Ударная вязкость

Ударная вязкость, KCU, Дж/см2

Состояние поставки, термообработка	+20	-20	-40	-60
Отжиг	110	68	47	10
Номализация	157	109	86	15-38

Предел выносливости

σ-1, МПа	τ-1, МПа	n	σB, МПа	σ0,2, МПа	Термообработка, состояние стали
206		1Е+7	500	320
245			520	310
225			490	280
205	127				Нормализация 910 С, отпуск 620 С.
193			420	280
255	451				Цементация 930 С, закалка 810 С, отпуск 190 С.

Химические свойства

У материала невысокая химическая устойчивость к большинству кислотных соединений. Если на поверхность попадёт влага, на ней останется ржавчина. Из-за неё сильно ухудшается внешний вид, прочность.

Чтобы защитить материал от коррозии, следует наносить гальванические покрытия (хром, цинк, прочие схожие соединения).

Физические свойства

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	212	208	203	197	189	177	163	140
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	78	77	76	73	69	66	59
Плотность, pn, кг/см3	7859	7834	7803	7770	7736	7699	7659	7917	7624	7600
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)		51	49	44	43	39	36	32	26	26
Уд. электросопротивление (p, НОм · м)		219	292	381	487	601	758	925	1094	1135
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	12.3	13.1	13.8	14.3	14.8	15.1	15.2
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	486	498	514	533	555	584	636	703	703	695

Уровень раскисления

• Спокойная сталь 20. За счёт введения кремния и марганца, полностью отсутствует кислород. Оксидов железа также очень небольшое количество. Это и обеспечивает «спокойное» застывание металла в ковше. Однородность, плотность СТ20 на выходе отличные, только сверху формируется газовая раковина.
• Кипящая сталь. Образовывается путём раскисления марганца, что ведёт к повышению содержания закиси железа. Соединение образует углекислый газ. В итоге формируются пузыри газа, выглядящие как кипящая масса. Такой металл очень пористый, химические элементы распределены неравномерно, что обуславливает ухудшение механических характеристик, увеличивает опасность появления трещин, ухудшает свариваемость. Но есть и достоинства – невысокая цена, отсутствие небезопасных отходов.
• Полуспокойная СТ20. Нечто среднее между предыдущими разновидностями сплава.

Особенности термообработки

Для материала предусмотрена термообработка – закалка, отпуск, отжиг. После их выполнения изменяется ферритно-перлитная структура, которая преобразуется в мартенситную. Происходит уменьшение пластичности материала с одновременным увеличением его прочности.

При нагреве заготовок используются печи двух видов – индукционные, доменные. Для закалки выдерживается температурный режим от 790 до 820оС. Время нахождения изделий в печи может быть разным, определяется технологией. Охлаждение выполняется на воздухе, в масле или воде. Для отжига выполняют нагрев заготовок до 160 – 200оС.

Виды

Зависимо от степени раскисления можно выделить три типа стали:

1. Кипящая. Для раскисления применяется марганец. В составе повышается количество железа. При взаимодействии с углеродом выделяется большое количество углекислого газа. Особенность данного вида стали — высокая пористость. Основные компоненты металла распределяются по структуре неравномерно. Из-за этого снижается показатель прочности.
2. Спокойная. Образуется в процессе удаления кислорода из состава металла. Для этого в сплав вводится марганец, кремний. Внутри содержится минимальное количество оксида железа. Структура однородная, упорядоченная. Сталь получается высокопрочной. Газовые карманы, которые образуются возле поверхностей, удаляются механическим путем.

Третий вид — полустойкий сплав. Представляет собой комбинацию двух вариантов.

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.

Изготовление

Способы производства:

1. Конверторный. Расплавленный металл продувается потоком воздуха.
2. Мартеновский. Плавка металлического лома в специальных печах.
3. С использованием электропечей. Позволяют контролировать рабочий процесс.

Материал применяется для изготовления разного вида проката:

1. Холодного деформирования. Применяется для прокатки заготовок толщиной не более 4 мм. При наклепе увеличивается прочность сплава.
2. Горячего деформирования. Применяется для прокатки заготовок толщиной свыше 4 мм.

Горячее деформирование — востребованная технология проката металла, но на поверхностях образуется окалина, из-за которой снижается прочность материала.

Мартеновские печи

Основные отличия Стали 20 от Стали 20А

Добавление буквы «А» в конце обозначения Стали 20, указывает на то что Сталь 20А относиться к категории — сталь высококачественная. Основные отличия в химическом составе это более жёсткие требования по содержанию Серы (S) и более широкие по содержанию Углерода (С) (смотреть таблицу).

Химический элемент	%
	Сталь 20	Сталь 20А
Углерод (C)	0.17-0.24	0.15-0.25
Сера (S), не более	0.04	0.035

Следовательно Сталь 20А менее подвержено охрупчиванию.

Сферы применения

Определенные технические характеристики стали 20 объясняют ее применение в разных направлениях промышленности:

1. Производстве трубной арматуры (накидных гаек, штуцеров, фланцев, крестовин, ниппелей).
2. Изготовлении строительных материалов.
3. Сборке разных металлоконструкций, машин, судов, промышленного оборудования.

Из этого металла производят:

1. Бесшовные трубы. Изготавливаются путем холодного, горячего волочения. Их особенность — высокая прочность.
2. Цельносварные холоднокатаные трубы.
3. Различные профиля (проволоку, двутавры, швеллера, металлические уголки, листы разной толщины, прутки).

Изделия из этого сплава изготавливаются по определенным государственным стандартам:

1. ГОСТ 17305-91— производство проволоки разного сечения.
2. ГОСТ 82-70 — изготовление металлических лент разной ширины.
3. ГОСТ 16523-97 — производство легких листов малой толщины.
4. ГОСТ 10704-9 — изготовление труб.
5. ГОСТ 8479-70 — производство кованых деталей, поковок.
6. ГОСТ 1577-93 — изготовление металлических листов большой толщины.
7. ГОСТ 14955-77 — производство серебрянки, шлифовальных прутков.
8. ГОСТ 7417-75 — изготовление калиброванных прутков.
9. ГОСТ 8240-97, ГОСТ 1050-88 — производство фасонного, сортового проката.

В ГОСТах указываются основные требования к готовой продукции, ее испытания для допуска в продажу.

Стальные листы

Стоимость тонны стали

СТ20 включена в класс чёрных металлов. Стоимость тонны лома зависит от региона приобретения и колеблется в пределах 28000-30000 рублей.

Стоимость складывается из ряда факторов, среди которых коррозийные следы (их появление возможно в результате хранения материала) и объём партии. Сдача лома обуславливает повышение цены. В подобном случае наценка осуществима лишь при реализации тысячи тонн и более.

Аналоги материала

Для некоторых изделий допускается замена материала сталью, имеющей аналогичные качества. Продукция российских производителей — сталь 40Х, 30, 25, 15. Металл-заменитель может поставляться из-за рубежа – 20 (Китай), S20C (Япония), 1020, 1023 (США), C22R (Германия).

Зарубежные аналоги Стали 20

Страна	США	Германия	Япония	Франция	Англия	Евросоюз	Италия	Бельгия	Испания
Стандарт	—	DIN,WNr	JIS	AFNOR	BS	EN	UNI	NBN	UNE
Марка	1020	1,0402	S20C	1C22	050A20	1,0402	C18	C25-1	1C22
	1023	1,0405	S20CK	2C22	055M15	1,1151	C20	C25-2	C22
	1024	1,1151	S22C	AF42	070M20	1,1152	C21		C25k
	G10200	C22	STB410	AF42C20	070M26	2C22	C22		F.112
	G10230	C22E	STKM12A	C20	1449-22CS	C20E2C	C22E		F.1120
	H10200	C22R	STKM12A-S	C22	1449-22HS	C22	C22R
	M1020	Ck22	STKM13B	C22E	1C22	C22E	C25
	M1023	Cm22	STKM13B-W	C25E	22HS		C25E
		Cq22		XC15	430
		St35		XC18	C22
		St45-8		XC25	C22E
Страна	Китай	Швеция	Болгария	Венгрия	Польша	Румыния	Чехия	Швейцария	Юж.Корея
Стандарт	GB	SS	BDS	MSZ	PN	STAS	CSN	SNV	KS
Марка	20	1450	20	A45.47	20	OLC20	12022	Ck22	SM20C
	20G		C22	C22E	K18	OLC20X	12024		SM20CK
	20R		C22E						SM22C
	20Z

Условные обозначения

Механические свойства
σB	временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа
σ0,2	предел текучести условный, МПа
σсж	предел прочности при сжатии, МПа
σсж0,2	предел текучести при сжатии, МПа
σ0,05	предел упругости, МПа
σизг	предел прочности при изгибе, МПа
σ-1	предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
δ5 , δ4 , δ10	относительное удлинение после разрыва, %
ψ	относительное сужение, %
ν	относительный сдвиг, %
ε	относительная осадка при появлении первой трещины, %
τК	предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
τ-1	предел выносливости при испытании на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
KCU и KCV	ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами вида U и V, Дж/см2
HRCэ и HRB	твёрдость по Роквеллу (шкала C и B соответственно)
HB	твёрдость по Бринеллю
HV	твёрдость по Виккерсу
HSD	твёрдость по Шору
Физические свойства
E	модуль упругости нормальный, ГПа
G	модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа
ρn	плотность, кг/м3
λ	коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°C)
ρ	удельное электросопротивление, Ом∙м
α	коэффициент линейного теплового расширения, 10-61/°С
с	удельная теплоёмкость, Дж/(кг∙°С)