Чистое железо характеризуется ограниченным перечнем свойств и как основной металл не представляет большого интереса. Но сплавы на его основе обладают колоссальными возможностями, нужно только определить химический состав и сделать правильную термическую обработку.
Самые распространенные конструкционные стали
Все стали на основе железа относятся к черной металлургии и имеют многочисленную классификацию. Она производится по различным параметрам: по химическому составу, назначению, содержанию вредных элементов, прочности и ударной вязкости, гибкости и многим другим. Конструкционные - стали самые распространенные в применении. Некоторые из них обладают универсальными свойствами и взаимозаменяемостью.
Конструкционная сталь 20 относится к среднеуглеродистому классу, имеет феррито-перлитную структуру. Сталь качественная, т. е. имеет сниженное содержание вредных элементов: серы и фосфора. Без ограничений по свариваемости. Оптимальное сочетание прочности и пластичности делает ее просто универсальным материалом для производства трубного проката, деталей, подвергаемых последующей термомеханической и термохимической обработке (цементированию, оцинкованию и хромированию).
Двадцатка нашла свое применение
Сталь 20, свойства которой могут изменяться в больших пределах с помощью химико-термической, термомеханической обработки, наиболее востребована в трубном производстве при изготовлении деталей с твердой поверхностью и мягкой серединой. Это могут быть валы, звездочки, передачи, болты, крюки кранов, арматура, листы для штампования (профнастил), гайки и болты для неответственного крепления. Изготавливаемые трубы из такой марки стали применяют для передачи газов, пара, неагрессивных жидкостей, подающихся под давлением. Это трубы перегревателей, трубопроводов, котлов высокого давления и коллекторов.
Изменение структуры термохимической обработкой
Одна и та же марка может менять свои характеристики с помощью термической обработки. Марка стали 20 обладает хорошими пластическими характеристиками, поэтому изделия из нее получают несколькими методами: отливкой, холодным или горячим прокатом или волочением. После получения деталей методом отливок к ним может применяться химико-термическая обработка. Цель этой процедуры – получить твердый износостойкий слой, не поддающийся коррозии, и пластичную мягкую середину.
Для этого готовая деталь помещается в соответствующую среду (обкладывается сухим углеродосодержащим веществом, помещается в газообразную или жидкую среду), после чего выдерживается от нескольких часов до 1,5 суток при высокой температуре. Механическая обработка деталей к этому моменту должна быть закончена, так как после термохимической обработки изделие будет иметь уже окончательную структуру. Элемент насыщает верхний слой изделия (от 0,3 до 3,0 мм), соответственно улучшая его структуру и свойства.
В зависимости от применяемого вещества обработка называется: цианированием (покрытие цинком), цементацией (углеродом), хромированием (хромом). Углерод придает прочность, цинк - коррозионную стойкость, хром, вдобавок ко всему перечисленному, делает поверхность зеркальной.
Изменение структуры механической обработкой
В отличие от предыдущего метода обработки, который проводится исключительно для придания твердости в верхнем слое металла и гибкости во внутреннем, термомеханическая обработка – это один из методов придания формы. Сталь 20 может быть деформирована как горячим, так и холодным способом. В каждом виде есть свои преимущества и недостатки. Но используются они исходя из наиболее нужных свойств.
Горячее деформирование применяется к изделиям, имеющим толщину стенки более 5 мм. Так как при нагревании металла образуется окалина и обезуглероженный микрослой (нежелательная структура), то применять этот вид прокатки для тонкостенных деталей нецелесообразно. Однако он имеет одно большое преимущество перед холодной деформацией.
Холодное деформирование применяется к деталям, имеющим толщину менее 5 мм. Для холодного волочения подходят только «мягкие» виды стали. Во время прокатки металл испытывает значительные деформации, или наклеп. Это приводит к увеличению его прочности и наличию больших напряжений в структуре. Такой металл из-за его тонких стенок нельзя нагреть (провести отпуск, т. е. восстановить прежнюю структуру). Он более подвержен разрушению при ударах и других динамических нагрузках. Конструкционная стальная труба (сталь 20) различается методами изготовления и получаемыми техническими характеристиками, влияющими на применение. Для производства каждого вида трубы существуют свои ГОСТы, нормы, оборудование.
Холоднокатаные трубы с прямым швом
Процесс производства начинается с подготовки стальной полосы. Для этого листы стали режутся в полосы и свариваются в одну длинную ленту. Подается лента на гибочные валки, где и принимает форму трубы. Следующий этап – сварка. Для любой конструкции это самое слабое место. Устранить недостатки, которые возникают при сварке (появление оксидов и выгорание углерода), полностью невозможно, но, используя некоторые приемы, их можно снизить. Чтобы соединить сталь 20, используется электродуговая сварка в защитной среде инертного газа (аргона) или же индукционная сварка (токами высокой частоты). Труба проходит обязательный контроль сварного шва, после чего режется на детали нужной длины и складируется.
Холоднотянутые трубы со спиралевидным швом
Подготовка стали для производства этого вида трубы повторяет тот же процесс, как и для труб с прямым видом шва. Также идентичны: сварка, контроль и обрезка. Отличается только угол сворачивания ленты, при котором последующий шов огибает трубу по спиралевидной кривой. В силу своей конструктивной особенности этот метод наиболее прочный. И выдерживает большие нагрузки на разрыв, чем данные изделия с прямым швом.
Бесшовные трубы
Бесшовные трубы особо прочные, обладают несколькими достоинствами: у них нет сварных (слабых мест), в структуре стали отсутствуют какие-либо напряжения, толщина труб составляет не менее 5 мм. Их производство - более сложный процесс, поэтому и дорогостоящий. Сталь 20 уникальна тем, что трубы могут изготавливаться двумя способами - холодным и горячим волочением.
Горячекатаные бесшовные
После разогрева свыше 1100ºС заготовка прошивается гильзой и образует внутренний диаметр. По мере дальнейшего волочения труба принимает заданные размеры внутреннего, наружного диаметра и толщины стенки. В течение всего технологического процесса температура прокатываемой заготовки остается высокой. И только после принятия окончательной формы туба охлаждается. Во время длительного охлаждения происходит отпуск, убираются все негативные последствия проката, повышенная прочность и хрупкость. При полном охлаждении приобретает сталь 20 характеристики, которые имелись изначально. Этот технологический процесс предполагает изготовление только труб со стенами не менее 5 мм, а максимальная толщина может достигать 75 мм.
Холоднотянутые бесшовные
В отличие от предыдущего метода, в этом соблюдается небольшой температурный нюанс. Заготовка нагревается, но после первичной прошивки гильзой температура не поддерживается, и заготовка вытягивается в холодном состоянии. Этот метод отличается от горячекатаного тем, что можно изготавливать прочные трубы с тонкими стенками, тогда как при горячекатаном методе предусматриваются только толстые стенки. Для конечной структуры эти два метода идентичны, так как после холодной прокатки трубы подвергаются нормализации, при которой частично восстанавливается структура, и уходят напряжения.
Это далеко не весь перечень изделий, в основу которых ложится сталь 20 ГОСТ 1050-74. Увеличиваются потребности населения, появляются новые идеи и производства. Но эта марка только меняет форму и назначение, оставляя за собой право на существование.
