Изготовление литых деталей из стали 20Х13Л

Свойства и особенности, как достигаем качества

1. Наши возможности

АО «Завод специального машиностроения «Маяк» специализируется на изготовлении фасонных отливок с механической обработкой из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса 20Х13Л. Материал относится к классу хромистых (12–14 % Cr) сталей, упрочняемых термической обработкой, и предназначен для ответственных деталей, работающих при ударных нагрузках в слабоагрессивных средах, в пресной воде, паре и при умеренных температурах, в том числе под нагрузкой. Высокая прочность и твёрдость сочетаются с удовлетворительной коррозионной стойкостью и износостойкостью.

· Нормативная база: работаем по ГОСТ 977-88 «Отливки стальные. Общие технические условия»

· Типовые детали: рабочие колёса и корпусные детали насосов, корпуса арматуры, детали запорной и регулирующей аппаратуры, лопатки, втулки, кронштейны, фланцы, патрубки, детали, работающие в пресной воде, паре и слабоагрессивных средах, детали, требующие повышенной твёрдости и износостойкости, детали теплотехнического и энергетического оборудования, а также другие детали, работающие при умеренных температурах под нагрузкой.

· Полный цикл на одном предприятии: разработка литейной технологии → моделирование литейных процессов в ProCast → изготовление модельной оснастки → выплавка → заливка → термообработка → механическая обработка → неразрушающий и разрушающий контроль → приёмка.

Максимальная масса отливки

6 000 кг

Максимальные габариты отливки

4 000 х 2000 х 1000 мм

Технология литья

Литьё в ХТС (холодно-твердеющие смеси)

Полный цикл — гарантия качества. Концентрация всех переделов в рамках одного предприятия позволяет контролировать качество на каждом технологическом этапе, сокращать сроки поставки и нести полную ответственность за соответствие отливок и готовых деталей требованиям нормативной документации. По запросу заказчика предоставляется полный комплект сопроводительных документов: сертификаты плавок, протоколы механических испытаний, заключения неразрушающего контроля и акты приёмки.

2. Химический состав стали 20Х13Л

Химический состав стали 20Х13Л регламентируется ГОСТ 977-88. Нормы состава приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Химический состав стали 20Х13Л по ГОСТ 977-88

Элемент	C	Mn	Si	Cr	Ni	P	S
20Х13Л	0,16–0,25	≤ 0,80	≤ 0,80	12,00–14,00	≤ 1,00	≤ 0,030	≤ 0,025

Инженерная логика состава

· Cr 12,00–14,00 % — хром — основа коррозионной стойкости и основной элемент, обеспечивающий прокаливаемость и упрочняемость стали. Хром образует на поверхности плотную пассивную оксидную плёнку, защищающую металл в слабоагрессивных средах, пресной воде и паре, а также повышает жаростойкость и сопротивление окислению при умеренных температурах эксплуатации.

· C 0,16–0,25 % — углерод — определяет упрочняемость стали: при закалке формируется мартенситная структура, обеспечивающая высокую прочность и твёрдость. Содержание углерода ограничивают сверху, чтобы сохранить достаточную пластичность, вязкость и удовлетворительную свариваемость.

· Mn ≤ 0,80 % — марганец — раскислитель и дополнительный элемент, повышающий прокаливаемость; связывает серу, снижая её вредное влияние на горячеломкость.

· Si ≤ 0,80 % — кремний — раскислитель, повышающий жаростойкость (окалиностойкость) стали при умеренных температурах.

· Ni ≤ 1,00 % — никель — улучшает пластичность и ударную вязкость, снижает склонность к хрупкому разрушению при сохранении высокой прочности.

· P ≤ 0,030 % и S ≤ 0,025 % — жёсткие ограничения по фосфору и сере гарантируют требуемый уровень пластичности, ударной вязкости и технологичности.

Ключевое следствие. Мартенситная матрица с высоким содержанием хрома при литье — источник технологической «капризности» (см. раздел 4): значительная объёмная усадка, склонность к ликвации хрома и углерода, высокие внутренние напряжения при закалке и опасность образования закалочных трещин.

3. Механические свойства

Механические свойства стали для отливок марки 20Х13Л нормируются ГОСТ 977-88.

3.1. Нормируемые значения (ГОСТ 977-88)

Таблица 2 — Нормируемые механические свойства стали 20Х13Л (ГОСТ 977-88)

Марка	Рекомендуемый режим ТО	σт, МПа	σв, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU +20 °C, кДж/м²
20Х13Л	Закалка 1000–1050 °C + высокий отпуск 600–700 °C	539	686	15	35	294

Значения приведены для отливок с толщиной стенки до 100 мм.

Инженерная логика прочностных характеристик

· Сочетание прочности и вязкости. Значения σв не менее 686 МПа, σт не менее 539 МПа, δ5 не менее 15 % и KCU не менее 294 кДж/м² определяют главное достоинство стали — высокую прочность при умеренной пластичности. Для мартенситного класса характерно более высокое отношение σт/σв, чем у аустенитных сталей: металл хорошо сопротивляется пластической деформации и пригоден для деталей, работающих под нагрузкой.

· Роль закалки. Именно термическая обработка формирует свойства: закалка (1000–1050 °C с охлаждением в масле или на воздухе) фиксирует мартенситную структуру и обеспечивает высокую прочность и твёрдость. Быстрое охлаждение требует строгого контроля, поскольку мартенситное превращение сопровождается значительными внутренними напряжениями и опасностью закалочных трещин.

· Роль высокого отпуска. Немедленный высокий отпуск (600–700 °C) после закалки обязателен: он снимает внутренние напряжения, повышает вязкость и пластичность, стабилизирует структуру и геометрию отливки. Режим отпуска подбирается так, чтобы избежать интервала отпускной хрупкости.

· Работа при умеренных температурах. Механические свойства стабильны в рабочем диапазоне температур, что важно для деталей энергетического и теплотехнического оборудования.

· Стабильность геометрии. Полная термическая обработка стабилизирует размеры отливки перед механической обработкой, что особенно важно для точных корпусных деталей.

4. «Капризность» стали 20Х13Л и меры борьбы с ней

Сталь 20Х13Л по своей природе является сложным объектом для литейного производства. Мартенситная структура, высокое содержание хрома и углерода, значительная усадка и чувствительность к режиму термообработки — всё это требует строгого соблюдения технологии на каждом переделе. Рассмотрим основные проблемы, с которыми сталкиваются при литье этой стали, и меры, которые мы применяем для их решения. 4. «Капризность» стали 20Х13Л и меры борьбы с ней

4.1. Усадочная пористость и ликвация

Хромистые стали имеют значительную объёмную усадку и склонность к ликвации хрома и углерода. Металл долго остаётся в интервале кристаллизации, питание корочки затруднено — отсюда рассеянная усадочная пористость и химическая неоднородность. Наши меры: моделирование в ProCast (анализ температурного поля, горячих пятен, времени затвердевания) на стадии проектирования технологии → расчёт прибылей и холодильников → направленное затвердевание от тонкого сечения к прибыли. Результат — пористость «вытягивается» в прибыль, а не в тело отливки.

4.2. Газовая пористость и насыщение газами

Расплав активно растворяет водород и азот, что ведёт к газовой пористости и структурной неоднородности. Наши меры: правильное раскисление, аргонная продувка в ковше (вторичная металлургия) — удаление водорода и неметаллических включений, контроль шихты и влажности форм, выплавка в печах с контролируемой атмосферой. Плюс контроль режима заливки в форму.

4.3. Горячие трещины (горячеломкость)

Сталь имеет повышенную усадку и пониженную теплопроводность, что создаёт высокие термические напряжения при охлаждении отливки и склонность к горячим трещинам в тонких сечениях и в зонах сопряжений. Наши меры: оптимизация литниковой системы, податливые противопригарные покрытия, согласованная податливость формы, технологические радиусы в галтелях и выдержка перед выбивкой (не «рвать» отливку в горячем состоянии). Для сложных сечений режим согласуется с термопрочностным анализом в ProCast.

4.4. Закалочные трещины, хрупкость и отпускная хрупкость

При закалке мартенситное превращение сопровождается значительными внутренними напряжениями, что делает сталь склонной к закалочным трещинам и короблению. Кроме того, при отпуске в интервале 400–550 °C возможно развитие обратимой отпускной хрупкости, а медленное охлаждение после отпуска — её усиление. Неполный отпуск оставляет металл хрупким и опасным в эксплуатации. Наши меры:: обоснованный выбор среды и скорости охлаждения при закалке (масло или воздух), немедленный высокий отпуск 600–700 °C сразу после закалки, исключение выдержки в опасном интервале температур, ускоренное охлаждение после отпуска, строгий контроль режимов термообработки в печи с фиксацией параметров.

4.5. Неметаллические включения и чистота

Оксиды и сульфиды загрязняют металл и снижают коррозионную стойкость, пластичность и ударную вязкость. Наши меры: аргонная продувка (флотация включений), отстой в ковше, керамические пенокерамические фильтры/барьеры, чистая шихта и строгий регламент завалки.

4.6. Химическая неоднородность и разброс свойств

Из-за ликвации хрома и углерода свойства по сечению отливки могут различаться. Неравномерное распределение углерода ведёт к разной прокаливаемости и твёрдости. Наши меры: контроль химического состава по плавке, моделирование кристаллизации в ProCast, единые режимы закалки и отпуска, аттестационный контроль механических свойств на образцах из пробных брусков.

Резюме по «капризности»

Сталь 20Х13Л не терпит импровизации ни на одном этапе: металл (газы, включения, ликвация), форма (усадка, горячие трещины) или термообработка (закалочные трещины, отпускная хрупкость). Три «столпа» нашей технологии — аргонная продувка расплава, полное моделирование в ProCast и строгий регламент термообработки — снимают эти риски и позволяют стабильно попадать в требования ГОСТ 977-88.

5. Технология литья

Технология производства отливок из стали 20Х13Л включает три основных передела: выплавку, формовку и термообработку. Каждый передел выполняется по утверждённым регламентам с фиксацией параметров в технологической документации.

5.1. Выплавка

Выплавка стали 20Х13Л ведётся в дуговых или индукционных печах с тщательным контролем шихтовых материалов. Технологический процесс обеспечивает низкое содержание серы и фосфора (≤ 0,025 % и ≤ 0,030 % соответственно), глубокое раскисление марганцем и кремнием и точное попадание в заданный диапазон по углероду и хрому. Химический состав корректируется по результатам экспресс-анализа перед выпуском плавки; параллельно отбирается контрольная проба для обязательного химического анализа плавки.

5.2. Формовка

Формовка выполняется в песчано-смоляные формы из холодно-твердеющих смесей (ХТС). Организуется направленное питание отливки прибылями, исключающее образование усадочной рыхлости и горячих трещин.

5.3. Термообработка

Заключительной операцией литейного передела является термическая обработка. Базовый режим — закалка 1000–1050 °C с последующим высоким отпуском 600–700 °C. Закалка формирует мартенситную структуру и обеспечивает прочностные и эксплуатационные свойства, а высокий отпуск снимает внутренние напряжения, повышает вязкость и стабилизирует структуру. Выбор среды охлаждения (масло или воздух) и скорость определяются толщиной и конфигурацией отливки и фиксируются в технологической документации. Отпуск выполняется сразу после закалки.

6. Механическая обработка и неразрушающий контроль

После литейного передела отливки поступают в механическую обработку и проходят обязательный контроль качества, включающий неразрушающие и разрушающие методы.

6.1. Механическая обработка

Механическая обработка отливок выполняется в два этапа — черновая и чистовая. При назначении припусков учитываются допуски на литьё, величина усадки, коробление и деформации после термической обработки, а также необходимый слой для удаления поверхностных дефектов. Отдельного внимания требует учёт повышенной твёрдости стали после термической обработки, что определяет выбор режущего инструмента и режимов резания; при необходимости черновая обработка выполняется до окончательной термообработки с учётом припуска на финишные операции. После черновой обработки при необходимости проводится промежуточная термообработка для снятия остаточных напряжений; чистовая обработка обеспечивает окончательные размеры и требуемую шероховатость поверхности. Широкий парк станочного оборудования позволяет выполнять сложные задачи в приемлемые сроки.

6.2. Неразрушающий контроль

Объём и нормы неразрушающего контроля устанавливаются конструкторской документацией изделия. В зависимости от категории ответственности применяются визуально-измерительный контроль, ультразвуковая дефектоскопия, рентгеноскопия, капиллярный и магнитопорошковый методы. Поскольку сталь 20Х13Л ферромагнитна, магнитопорошковый метод особенно эффективен для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов, в первую очередь закалочных трещин. Цель НК — выявление недопустимых дефектов литейного происхождения: раковин, рыхлот, трещин и включений, а также подтверждение сплошности металла в ответственных зонах отливки.

6.3. Разрушающий контроль

Разрушающий контроль включает механические испытания образцов (растяжение и ударный изгиб) и химический анализ на каждую плавку. Результаты оформляются протоколами испытаний и используются при заполнении сертификата приёмки отливки.

7. Приёмка

Приёмка отливок и литых деталей из стали 20Х13Л осуществляется по ГОСТ 977-88, ГОСТ Р 53464-2009 и по иным требованиям конструкторской документации:

1. Химический анализ — по сертификату плавки.

2. Механические испытания — на образцах из пробных брусков: σт, σв, δ5, ψ, KCU при +20 °C.

3. Контроль дефектов — визуальный и измерительный контроль, при необходимости УЗК/РК и магнитопорошковый контроль ответственных зон.

4. Документация — сертификат качества по ГОСТ 977-88 с номером плавки, режимами термообработки и результатами испытаний.

Возврат к списку

КАК СДЕЛАТЬ ЗАКАЗ?

Если у вас возникли вопросы или вы хотите узнать цены, обращайтесь в отдел сбыта по телефону:

+7 (4842) 75-10-21 (многоканальный)

или на e-mail:

zsm-mk@yandex.ru

Профессиональные сотрудники предоставят Вам дополнительную информацию и помогут оформить заявку.

Отправляя заявку я даю свое согласие на обработку моих персональных данных

ВНИМАНИЕ! С 01.11.2024г Принимаем на заказ ТОЛЬКО ЛИТЫЕ детали!

Работы с листом, поковками, штамповками не производятся.

подать заявку на заказ