Поковка Ст20

Поковка из стали марки Ст20: технические характеристики, производство и применение в электротехнической и энергетической отраслях

Поковка из стали марки Ст20 представляет собой заготовку или готовое изделие, полученное методом горячей объемной штамповки или ковки из углеродистой конструкционной стали обыкновенного качества. В контексте энергетики и электротехнического машиностроения такие поковки являются критически важными полуфабрикатами для изготовления ответственных деталей, работающих под нагрузкой, но не испытывающих ударных воздействий и высоких динамических напряжений. Сталь 20 (Ст20) относится к группе качественных углеродистых сталей, где цифра «20» обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента – 0,20%. Это определяет ее основные механические и технологические свойства: хорошую пластичность, свариваемость и обрабатываемость резанием при достаточной прочности.

Химический состав стали Ст20

Состав регламентируется ГОСТ 1050-2013 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия». Химический состав является первичным фактором, определяющим свойства поковки.

Технология производства поковок из Ст20

Процесс изготовления поковок включает несколько обязательных этапов, каждый из которых влияет на качество конечного продукта.

• Резка заготовки. Исходный сортовой прокат (квадрат, круг) нарезается на мерные заготовки с учетом припусков на уков и последующую механическую обработку.
• Нагрев. Заготовки нагреваются в печах до температуры ковки, которая составляет примерно 1200-1280°C. Критически важно избежать пережога и сильного обезуглероживания поверхностного слоя.
• Собственно ковка или штамповка. Разогретая заготовка подвергается пластической деформации под давлением молота, пресса или ковочной машины. В процессе деформации литая структура стали измельчается, металл уплотняется, волокна приобретают направленность, соответствующую форме поковки, что значительно повышает механические свойства по сравнению с литьем или прокатом.
• Термическая обработка (нормализация). Это обязательный этап для снятия внутренних напряжений, возникших при неравномерном охлаждении после ковки, и для получения однородной мелкозернистой структуры (феррит + перлит). Поковку нагревают до температуры на 30-50°C выше точки Ac3 (для Ст20 это ~880-920°C), выдерживают и охлаждают на спокойном воздухе.
• Механическая обработка. На станках (токарных, фрезерных и др.) поковке придают окончательные размеры и требуемую шероховатость поверхности, снимая припуск.
• Контроль качества. Включает проверку геометрии, твердости (часто по Бринеллю), ультразвуковую дефектоскопию (УЗК) для выявления внутренних дефектов (раковин, трещин, расслоений), а при необходимости – контроль механических свойств на образцах, вырезанных из поковки-свидетеля.

Механические свойства поковок из стали Ст20 после нормализации

Свойства поковки после нормализации являются базовыми для проектирования. Они могут незначительно варьироваться в зависимости от размера сечения поковки (эффект прокаливаемости).

Наименование показателя	Значение для поковок	Примечание
Временное сопротивление разрыву (σв), МПа (Н/мм²)	Не менее 410	Предел прочности.
Предел текучести (σт), МПа (Н/мм²)	Не менее 245	Напряжение, при котором начинается пластическая деформация.
Относительное удлинение (δ5), %	Не менее 23	Характеристика пластичности.
Относительное сужение (ψ), %	Не менее 55	Характеристика пластичности.
Ударная вязкость (KCU), Дж/см²	Не менее 49	При температуре +20°C.
Твердость по Бринеллю (HB)	~ 110-145	Фактическая твердость после нормализации.

Применение поковок Ст20 в энергетике и электротехнике

Благодаря оптимальному балансу прочности, пластичности и технологичности, поковки из Ст20 находят широкое применение в качестве заготовок для деталей, не подвергающихся в эксплуатации истиранию и высоким динамическим нагрузкам.

• Корпусные и фланцевые детали электрооборудования: фланцы для крепления изоляторов, крышки, корпуса подшипниковых щитов электрических машин, корпусные детали выключателей средней мощности.
• Элементы крепежа и силовых конструкций: оси, валики, пальцы, тяги, рычаги, кронштейны, опорные плиты, работающие при температурах до 350-400°C.
• Детали трубопроводной арматуры: корпуса и крышки задвижек, вентилей низкого давления (для воды, пара, масла), штоки, шпиндели (для неагрессивных сред).
• Компоненты турбин и генераторов: разнообразные неответственные валы, втулки, диски, кольца, крепежные элементы систем регулирования и смазки.

Преимущества и недостатки поковок из Ст20

Преимущества:

• Высокая технологичность: отличная свариваемость без предварительного подогрева и последующей термообработки (при правильном выборе режимов).
• Хорошая обрабатываемость резанием, что снижает износ инструмента и стоимость механической обработки.
• Высокая пластичность и вязкость, обеспечивающие надежность при переменных нагрузках.
• Относительно низкая стоимость по сравнению с легированными сталями.
• Улучшенные механические свойства по сравнению с литьем или прокатом за счет ковочной деформации.

Недостатки:

• Ограниченная прочность и твердость, что делает сталь непригодной для деталей, работающих на истирание или при высоких контактных напряжениях.
• Низкая прокаливаемость: упрочнение термообработкой (закалка с отпуском) возможно только для деталей с небольшим поперечным сечением.
• Склонность к обезуглероживанию поверхности при нагреве под ковку или термообработку, что может потребовать увеличения припуска на механическую обработку.
• Низкая коррозионная стойкость – требуется защитное покрытие (окраска, оцинковка и т.д.).

Контроль качества и основные дефекты

Контроль поковок регламентируется стандартами, такими как ГОСТ 8479-70 «Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия». К основным дефектам относятся:

• Внешние дефекты: задиры, трещины, плены, недоштамповка. Выявляются визуально и измерением.
• Внутренние дефекты: флокены (тонкие внутренние трещины), остаточные усадочные раковины, расслоения, неметаллические включения. Выявляются методами неразрушающего контроля, преимущественно ультразвуковой дефектоскопией (УЗК).
• Дефекты структуры и свойств: перегрев, пережог, обезуглероживание, несоответствие механических свойств. Выявляются металлографическим анализом и механическими испытаниями.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем поковка из Ст20 принципиально отличается от проката или отливки из той же стали?

Поковка имеет улучшенную механическую структуру. В процессе ковки литая крупнозернистая структура исходной заготовки дробится, поры и раковины завариваются, а волокна металла ориентируются вдоль силовых линий будущей детали, создавая т.н. «направленность» свойств. Это приводит к повышению ударной вязкости и сопротивления усталости по сравнению с отливкой и более однородным свойствам в разных направлениях по сравнению с прокатом, где свойства вдоль и поперек направления прокатки могут сильно различаться.

Какие виды термообработки, кроме нормализации, применяются к поковкам Ст20 и для чего?

• Улучшение (закалка+высокий отпуск). Применяется редко из-за низкой прокаливаемости стали. Может использоваться для мелких деталей (сечением до 10-15 мм) для повышения прочности и предела выносливости.
• Отжиг. Проводится для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложных поковок, а также для снятия напряжений.
• Азотирование или цементация (химико-термическая обработка). Применяется для поверхностного упрочнения деталей, которым необходима высокая твердость поверхности (например, шестерни, кулачки) при сохранении вязкой сердцевины. Для этого часто используют сталь 20Х или аналоги.

Как правильно выбрать режимы сварки поковки Ст20 с другими элементами?

Сталь Ст20 обладает хорошей свариваемостью. Рекомендуется использовать ручную дуговую сварку (ММА) электродами типа Э46, Э50 (например, АНО-4, УОНИ 13/45), сварку в защитных газах (MIG/MAG) проволокой Св-08Г2С. Предварительный подогрев и последующая термообработка, как правило, не требуются. Критически важно обеспечить чистоту кромок от масла, окалины и ржавчины. Следует избегать высоких скоростей охлаждения (сквозняки, сварка на морозе без укрытия), чтобы минимизировать риск образования закалочных структур в зоне термического влияния.

Какие аналоги стали Ст20 существуют в зарубежных стандартах?

Страна / Стандарт	Ближайший аналог	Примечание
Европа (EN)	1.0402 (C22), 1.0415 (C22E)	Аналоги по химическому составу и свойствам.
Германия (DIN)	C22, Ck22
США (ASTM, AISI)	1020, A284 Grade D	Сталь 1020 практически идентична.
Япония (JIS)	S20C, S22C

Каковы основные критерии приемки партии поковок Ст20 для ответственного применения в энергетике?

• Наличие и соответствие сертификата производителя (паспорта) требованиям чертежа и стандартов (ГОСТ 8479, ГОСТ 1050).
• Результаты 100-процентного визуального и размерного контроля.
• Протоколы неразрушающего контроля (чаще всего УЗК) с указанием допустимого класса дефектности по ГОСТ 22727 или другому техрегламенту.
• Протоколы испытаний механических свойств и химического состава от партии или от поковки-свидетеля, если это оговорено в заказе.
• Отчет о термообработке (режимы нормализации).

Почему для некоторых деталей в энергетике выбирают поковку из Ст20, а не из более прочной легированной стали?

Выбор обусловлен комплексом технико-экономических факторов. Сталь Ст20 дешевле легированных марок. Она проще в обработке (сверление, точение, фрезерование), что снижает трудоемкость и износ инструмента. Ее превосходная свариваемость упрощает монтаж и ремонт. Если расчетные напряжения в детали не превышают допустимых для Ст20 с учетом запаса прочности, а условия работы не предполагают ударных нагрузок, абразивного износа или работы при высоких температурах (свыше 400°C), то применение Ст20 является экономически и технически обоснованным решением.