20Х13 — коррозионно-стойкая мартенситная сталь с содержанием хрома порядка 13% и углерода около 0,20%. Классический выбор для валов, штоков, рабочих кромок, насосной арматуры и деталей, где требуется сочетание износостойкости, прочности и умеренной коррозионной стойкости в воде, паре и слабых средах. Ниже — структурированное руководство по выбору режимов, построению техпроцесса и контролю качества именно для 20Х13.
1. Ключевые тезисы для технолога
- Базовая схема: отжиг для обрабатываемости → закалка 1000–1050 °C → отпуск по цели (низкий 150–250 °C для твёрдости или высокий 600–750 °C для вязкости и стабильности).
- Опасная зона отпуска: ~450–550 °C — возрастает хрупкость и падает ударная вязкость; избегать без обоснования.
- Детали большой толщины — предпочесть масло; тонкие — газ/воздух. Всегда оперативный отпуск после закалки.
- Для стабильности размеров и снижения остаточного аустенита — двойной отпуск; для особо точных — крио между отпусками.
- Гарантировать защиту поверхности (вакуум/инерт), затем финиш и пассивацию — это ощутимо влияет на коррозионную стойкость.
2. Нормативная база и состав
Марка 20Х13 регламентируется действующими российскими стандартами по нержавеющим сталям; свойства и поставка в прутках, поковках, лентах и пр. определяются соответствующими техническими условиями.
| Элемент | Содержание, % (типично по нормативу) | Назначение легирования |
|---|---|---|
| C | 0,16–0,25 | Обеспечение мартенситного превращения и твёрдости |
| Cr | 12,0–14,0 | Коррозионная стойкость, карбидообразование |
| Si | до 0,6 | Дезоксидант, устойчивость к окалине |
| Mn | до 0,6 | Дезоксидант, прокаливаемость |
| Ni | до 0,6 | Стабилизация аустенита (ограниченно) |
| P, S | нормируемые следы | Контроль хрупкости и свариваемости |
3. Целевые структуры и эксплуатационные сценарии
- После закалки — мартенсит (допустим небольшой остаточный аустенит).
- Низкий отпуск (150–250 °C) — высокая износостойкость, HRC обычно ~48–52, но ограниченная ударная вязкость.
- Высокий отпуск (600–750 °C) — сорбит/троостит отпуска, HRC ~28–36, максимальная вязкость и размерная стабильность.
4. Режимы термообработки — подробно
4.1. Отжиг (смягчающий и процессный)
- Смягчающий: 750–850 °C, охлаждение с печью до ~500 °C, далее на воздухе. Цель — HB ~170–220, улучшение резания/штамповки.
- Процессный: 730–790 °C, воздух — между деформациями/мехобработкой для снятия наклёпа.
4.2. Закалка
- Предподогрев массивных деталей: 600–750 °C, затем аустенитизация 1000–1050 °C с минимально достаточной выдержкой.
- Охлаждение: масло 40–80 °C — для крупных сечений; воздух/газ — для тонких/средних (минимизация деформаций).
- Отпуск — немедленно после охлаждения до комнатной температуры.
4.3. Отпуск (выбор по требуемым свойствам)
| Цель | Температура, °C | Ориентир по времени | Ожидаемая твёрдость | Комментарии |
|---|---|---|---|---|
| Износостойкость, кромки | 150–250 | ≥1 ч на каждые ~25 мм экв. толщины | ~HRC 48–52 | Рекомендован двойной отпуск для стабилизации |
| Компромисс прочность/вязкость | 300–400 | как выше | ~HRC 38–45 | Для валов/шестерён умеренной нагруженности |
| Избегать без обоснования | 450–550 | — | — | Зона отпускной хрупкости |
| Вязкость, стабильность размеров | 600–750 | ≥1–2 ч (по сечению) | ~HRC 28–36 | Под ударные/вибрационные нагрузки |
5. Карта режимов по толщине и назначению
| Экв. толщина, мм | Закалка | Среда | Отпуск-1 | Отпуск-2 | Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|---|
| ≤20 | 1000–1030 °C, 20–30 мин | Воздух/газ | 180–220 °C, ≥1 ч | 180–220 °C, ≥1 ч | ~HRC 49–52, минимальная деформация |
| 20–50 | 1000–1050 °C, 30–45 мин | Масло 40–80 °C | 200–240 °C, ≥1,5 ч | 200–240 °C, ≥1 ч | ~HRC 47–50, хорошая износостойкость |
| 50–100 | 1020–1050 °C, 45–60 мин | Масло → воздух | 220–240 °C, ≥2 ч | 220–240 °C, ≥1,5 ч | ~HRC 45–49, контроль деформаций обязателен |
| По вязкости | 980–1020 °C, 30–60 мин | Масло/воздух | 650–700 °C, 1–2 ч | 650–700 °C, 1–2 ч | ~HRC 28–36, высокая ударная вязкость |
6. Обеспечение коррозионной стойкости
- Печи с защитной атмосферой или вакуум — для предотвращения окалины и обезуглероживания.
- После термообработки — шлифование/полирование до чистого металла, при необходимости пассивация.
- Рабочие среды: вода/пар, слабые неокисляющие растворы; хлоридные среды требуют осторожности, предпочтителен лучший финиш.
7. Контроль качества и приёмка
- Твёрдость: по Роквеллу (HRC) для закалённых/отпущенных; по Бринеллю (HB) — после отжига; по Виккерсу (HV) — при тонких слоях.
- Структура: отсутствие крупного зерна и перегрева; контроль распределения карбидов после отпуска.
- Размеры/формоустойчивость: контроль до/после закалки и окончательного отпуска; при точных допусках — стабилизирующий отпуск.
- Поверхность: отсутствие обезуглероженного слоя, пятен перегрева и оставшейся окалины на рабочих поверхностях.
8. Типовые дефекты, причины и действия
| Дефект | Вероятные причины | Профилактика/исправление |
|---|---|---|
| Хрупкость после отпуска | Отпуск в зоне 450–550 °C; длительная выдержка | Избегать опасной зоны; низкий или высокий отпуск; двойной отпуск |
| Недобор твёрдости | Низкая температура аустенитизации; слишком медленное охлаждение; высокий остаточный аустенит | Поднять температуру в допустимых пределах; ускорить закалку; крио + повторный отпуск |
| Крупное зерно | Перегрев выше верхней границы и избыточная выдержка | Жёсткий контроль температуры; минимально достаточные выдержки |
| Трещины после закалки | Резкое охлаждение массивной детали; концентраторы напряжений | Ступенчатый нагрев; подбор среды; конструктивные скругления; немедленный отпуск |
| Потеря коррозионной стойкости | Окалина/обезуглероживание; грубый финиш; отпуск в опасной зоне | Защитная атмосфера/вакуум; шлиф/полир + пассивация; корректные режимы отпуска |
9. Вопросы клиентов и ответы технолога
- «Можно снять напряжения при ~500 °C?» — Для 20Х13 этот диапазон опасен по хрупкости. Выберите 150–200 °C либо ≥600 °C — исходя из требований по свойствам.
- «Почему упала коррозионная стойкость после термообработки?» — Поверхностные дефекты и/или неверный отпуск. Решение: защитная атмосфера, съём окалины шлифованием, пассивация, корректный отпуск.
- «Как уменьшить деформации?» — Ступенчатый подогрев, выбор среды по сечению, фиксаторы/направляющие, газовая закалка под давлением, немедленный отпуск.
10. Шаблон техпроцесса (пример)
- Материал/плавка/партия/эквивалентная толщина — фиксировать в маршрутной карте.
- Отжиг (при необходимости): 750–850 °C → охлаждение с печью до ~500 °C → воздух. Цель: HB 170–220.
- Закалка: 1000–1050 °C, выдержка по сечению (минимально достаточная); среда — масло (толстосечение) или воздух/газ (тонкое).
- Отпуск: по требованию к свойствам — 150–250 °C (двойной) либо 600–750 °C (возможно двойной). Ориентир — ≥1 ч на 25 мм.
- Финиш: шлифование/полирование; при необходимости — пассивация.
- Контроль: твёрдость, размеры, внешний вид, выборочный металлографический контроль.
11. Примечания по сварке и мехобработке
- Свариваемость ограничена: предпочтителен предварительный подогрев, последующая термообработка для снятия напряжений и восстановления свойств.
- Мехобработка после смягчающего отжига даёт лучшую стойкость инструмента и предсказуемые допуски; шлифование — с контролем тепловложения.
Источники
- ГОСТ 5632 — Нержавеющие стали и сплавы. Марки.
- ГОСТ 5949 — Металлопродукция из сталей нержавеющих. Технические условия.
- Справочники и даташиты по 20Х13/X20Cr13/1.4021 (режимы закалки и отпуска, предостережение по 450–550 °C).
- Промышленные обзоры по AISI 420 (диапазоны закалки 980–1050 °C; избегать отпуска 425–600 °C).
- Материалы по отпускной хрупкости мартенситных нержавеющих сталей (исследования на AISI 420).