Сталь 20Х13 — состав, термообработка, коррозионная стойкость и аналоги

Что за сталь и к какому классу относится

По правилам ГОСТ 5632-2014 20 — углерод около 0,20 % в сотых долях, Х13 — хром около 13 %. Как читаются другие марки — в статье «Маркировка сталей».

Стандарт считает нержавеющей сталь с хромом не менее 10,5 % и углеродом не более 1,2 %. 20Х13 попадает в раздел мартенситного класса — сталей с основной структурой мартенсита. Класс определяют условно: по структуре небольшого образца после нагрева выше 900 °C и охлаждения на воздухе. В таблице 1 для 20Х13 отмечены два назначения — коррозионно-стойкая и жаропрочная.

Из класса следует главное практическое свойство: 20Х13 можно закалить и отпустить на нужную прочность, как конструкционную легированную сталь. Аустенитная 12Х18Н10Т так не упрочняется.

Химический состав по ГОСТ 5632-2014

Состав по маркировочному анализу — таблица 1 стандарта:

Остаточные элементы ограничены общими пунктами раздела 6: в хромистых сталях до 20 % хрома без легирования никелем допускается остаточный никель до 0,60 %, медь — не более 0,30 %.

Прутки и лист: по каким стандартам заказывать

Сортовой прокат — круг, квадрат, полоса, калиброванные прутки и серебрянка — поставляют по ГОСТ 5949-2018 (введён 1 февраля 2019 года взамен ГОСТ 5949-75, действует). Стандарт распространяется на горячекатаную и кованую металлопродукцию диаметром или толщиной до 200 мм; до 350 мм — по согласованию.

Прокат из сталей мартенситного класса по примечанию к п. 7.1.5 поставляют термически обработанным — отожжённым или отпущенным. Твёрдость 20Х13 в этом состоянии по таблице 1 — 126–197 HB. Это состояние для резания; рабочие свойства деталь получает после собственной закалки и отпуска.

Толстый лист — по ГОСТ 7350-77 (действует), 20Х13 в нём есть. Режим термообработки и нормы механических свойств листа из 20Х13 задаёт таблица механических свойств ГОСТ 7350-77, а не нормы ГОСТ 5949-2018 для сорта. Значения и сноски для своей толщины берите по таблице ГОСТ 7350-77.

Для расчёта массы в справочнике MetalGuide для 20Х13 принята плотность 7700 кг/м³; то же значение, 7,70 кг/дм³, даёт паспорт производителя стали 1.4021.

Пример. Круг 20Х13 диаметром 40 мм, длина 1 м: m = 3,1416 · 0,040² / 4 · 1 · 7700 ≈ 9,68 кг. Если посчитать по 7850 кг/м³, как для углеродистой стали, выйдет 9,86 кг — на 2 % больше. Для заказа партии это заметная разница, поэтому в калькуляторе массы металла выбирайте именно марку, а не «сталь вообще».

Что проверить при приёмке

В документе о качестве на прутки из 20Х13 сверьте три вещи:

• Марку и стандарт. 20Х13 по ГОСТ 5949-2018 для сорта или ГОСТ 7350-77 для толстого листа, а не «аналог» без указания стандарта.
• Состав. Углерод 0,16–0,25 %, хром 12,00–14,00 %, сера не более 0,025 %, фосфор не более 0,030 %. Плавка с углеродом у нижней границы после той же термообработки даст меньшую твёрдость, чем плавка у верхней.
• Состояние поставки и твёрдость. Для мартенситного класса — термически обработанное состояние и 126–197 HB. Если твёрдость выше, прокат не соответствует стандарту — и резать его будет тяжелее.

Если на чертеже заданы механические свойства после термообработки, укажите в заказе вариант 1 или 2 из таблицы 3 ГОСТ 5949-2018. Тогда изготовитель проката испытает образцы по нужному режиму, а вы получите подтверждение ещё до своей термообработки.

Термообработка и свойства

ГОСТ 5949-2018 в таблице 3 даёт для 20Х13 два варианта режима, по которому обрабатывают образцы. Оба начинаются с закалки с 1000–1050 °C с охлаждением на воздухе или в масле, различаются температурой отпуска.

Нормы относятся к образцам от проката до 60 мм. Для сечений 60–100 и 100–150 мм примечание к таблице допускает снижение удлинения, сужения и ударной вязкости на заданные величины.

Логика та же, что у конструкционных сталей: чем ниже температура отпуска, тем выше прочность и ниже пластичность. Паспорт производителя 1.4021 описывает два таких же состояния — QT700 с отпуском 650–750 °C и QT800 с отпуском 600–700 °C.

Коррозионная стойкость и магнитность

Приложение А к ГОСТ 5632-2014 рекомендует 20Х13 для деталей с повышенной пластичностью под ударной нагрузкой и для изделий в слабоагрессивных средах: атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре. Паспорт производителя уточняет: стойкость хорошая в умеренно агрессивных средах без хлоридов — мыла, моющие средства, органические кислоты.

Три ограничения, о которых стоит помнить:

• Хлориды. Морская вода, солевые туманы, хлорсодержащие моющие растворы — не для 20Х13.
• Состояние поверхности. Лучшая стойкость — у тонко шлифованной или полированной поверхности. Окалина и грубая обработка её снижают.
• Межкристаллитная коррозия. По данным производителя, в состоянии поставки и после сварки сталь к ней не стойка. У 12Х18Н10Т испытание на стойкость против МКК для проката по ГОСТ 5949-2018 обязательно, у 20Х13 — нет.

Магнитность. Производитель относит 1.4021 к ферромагнитным маркам. Магнит отличит 20Х13 от отожжённой аустенитной стали, но не от других хромистых марок — подробнее в статье «Нержавеющая сталь: AISI 304, 430 и 12Х18Н10Т».

Обработка резанием и сварка

Резание. По паспорту производителя обрабатываемость 20Х13 определяется твёрдостью: сталь режется примерно как углеродистая той же твёрдости. Черновую обработку удобнее вести в состоянии поставки (126–197 HB), чистовую — после закалки и отпуска с припуском на коробление. Инструмент и режимы подбирают под фактическую твёрдость, а не под слово «нержавейка» в заказе.

Сварка. Паспорт производителя 1.4021 требует:

1. Подогрев детали до 100–300 °C, если варят присадкой того же типа.
2. После сварки охладить деталь ниже температуры начала мартенситного превращения — примерно 120 °C.
3. Затем отпуск около 650 °C, чтобы вернуть шву часть пластичности.
4. В защитном газе не должно быть водорода и азота — они ухудшают механические свойства шва.

Без подогрева и отпуска в зоне сварки образуется хрупкий закалённый слой. Если деталь нельзя отпустить после сварки, варианты — другое соединение или другая марка; решение за технологом.

20Х13, 12Х18Н10Т и 40Х13: что выбрать

Практический выбор:

• Нужна прочность и умеренная коррозионная стойкость — валы, оси, крепёж, детали гидравлики и арматуры в воде и атмосфере: 20Х13 после закалки с отпуском.
• Нужна стойкость в агрессивных средах и сварка без термообработки — 12Х18Н10Т.
• Нужна твёрдость и износостойкость кромки — ножи, инструмент, пружины: 40Х13 после закалки с низким отпуском со шлифованной поверхностью.

Аналоги

Производитель называет для 1.4021 обозначение X20Cr13 по EN 10088-3 и приводит соответствия AISI 420, JIS 420J1, BS 420S29/420S37. Пределы по углероду и хрому у X20Cr13 те же, что у 20Х13: 0,16–0,25 % и 12–14 %. Но это приближённые аналоги: нормы механических свойств, режимы и контроль задают разные стандарты, а пределы состава AISI 420 задаёт свой стандарт — сверяйте по документу, по которому идёт поставка.

X20Cr13 (1.4021) и AISI 420 для 20Х13 указаны и в конвертере марок стали. Для ответственной детали замену согласует конструктор по сертификату на конкретную плавку.