Сплав 20С

Сталь 20С — низкоуглеродистая конструкционная качественная сталь спокойного (полностью раскисленного) исполнения. Суффикс «С» указывает на способ раскисления: сталь заливается без активного газовыделения, что исключает образование газовых пор и ликвационных зон при затвердевании. Это обеспечивает более однородную структуру по сечению по сравнению с кипящей (20кп) и полуспокойной (20пс) разновидностями той же базовой марки.

Расшифровка марки. Действующие стандарты

По ГОСТ 1050-2013 сталь 20С входит в группу нелегированных конструкционных качественных сталей. Цифра «20» соответствует среднему содержанию углерода 0,20% (в пределах 0,17–0,24%). Тонколистовой прокат для штамповки из этой марки нормируется ГОСТ 4041-71, где разновидностям присваиваются суффиксы: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, без суффикса или «С» — спокойная.

Основные нормативные документы на поставку продукции из стали 20С:

• ГОСТ 1050-2013 — сортовой и фасонный прокат, калиброванная сталь;
• ГОСТ 4041-71 — тонколистовой прокат для холодной штамповки (толщина 4–14 мм);
• ГОСТ 1577-93 — листы и полосы горячекатаные нормализованные;
• ГОСТ 8731-87 / ГОСТ 8732-78 — трубы бесшовные горячедеформированные;
• ГОСТ 8733-74 / ГОСТ 8734-75 — трубы бесшовные холоднодеформированные;
• ГОСТ 550-75 — трубы для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности;
• ГОСТ 8479-70 — поковки.

Химический состав стали 20С по ГОСТ 1050-2013

Элемент	Обозначение	Массовая доля, %
Углерод	C	0,17–0,24
Кремний	Si	0,17–0,37
Марганец	Mn	0,35–0,65
Никель	Ni	≤ 0,30
Хром	Cr	≤ 0,25
Медь	Cu	≤ 0,30
Фосфор	P	≤ 0,035
Сера	S	≤ 0,040
Мышьяк	As	≤ 0,08
Железо	Fe	основа (≈ 97–98%)

Ni, Cr, Cu нормируются как примеси. Алюминий не входит в стандартный нормируемый состав по ГОСТ 1050-2013, хотя в спокойной стали может присутствовать в следовых количествах как раскислитель без отдельной регламентации в марочном составе.

Механические свойства стали 20С

Значения зависят от состояния поставки и вида продукции. Нормативные данные по основным стандартам:

Вид продукции / стандарт	σB, МПа	σT, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, кДж/м²
Прокат нормализованный, ГОСТ 1050-2013 (до 80 мм)	410	245	25	55	—
Трубы горячедеформир., ГОСТ 550-75	431	255	22	50	780
Трубы горячедеформир., ГОСТ 8731-87	412	245	21	—	—
Листы термообработанные, ГОСТ 4041-71 (4–14 мм)	340–490	—	28	—	—

Твёрдость по Бринеллю (HB — безразмерная величина): нормализованный прокат — не более 163; листы по ГОСТ 4041-71 — не более 156; нагартованный (наклёпанный) прокат — не более 207.

Физические свойства стали 20

Характеристика	Значение
Плотность	7,85 г/см³
Начало плавления (солидус)	≈ 1490 °C
Модуль упругости E	206 ГПа при 20 °C
Теплопроводность λ	50–52 Вт/(м·К) при 20 °C
Удельное электросопротивление	219 · 10⁻⁹ Ом·м при 100 °C

Технологические свойства

Свариваемость

Сталь 20С сваривается без ограничений всеми стандартными методами: РДС, автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом, сварка в защитных газах, контактная сварка. Единственная оговорка — детали, прошедшие химико-термическую обработку (цементацию, нитроцементацию): перед сваркой в зоне шва упрочнённый слой следует удалять. Сталь не склонна к отпускной хрупкости и нечувствительна к флокенам.

Цементация и поверхностное упрочнение

Низкое содержание углерода (0,17–0,24%) ограничивает достижимую твёрдость после обычной закалки, поэтому основной способ поверхностного упрочнения деталей из стали 20С — цементация: насыщение поверхностного слоя углеродом при термохимической обработке в твёрдом, жидком или газовом карбюризаторе. Цементированный слой — обычно 0,5–2,0 мм; твёрдость поверхности после последующей закалки достигает HRC 58–62. Сердцевина при этом сохраняет исходную вязкость и пластичность.

Такое сочетание — твёрдая контактная поверхность при вязкой сердцевине — определяет главную нишу стали 20С: цементируемые детали машин, работающие на износ и ударные нагрузки одновременно (зубчатые колёса, кулачки, поршневые пальцы, червячные валы). Помимо цементации, применяются нитроцементация и цианирование. Для деталей, не требующих поверхностного упрочнения и эксплуатируемых при температурах до 350 °C, используется нормализованное состояние.

Спокойная, полуспокойная и кипящая сталь: практическое различие

Спокойная сталь (20С) раскисляется кремнием и марганцем в ковше до разливки. Газовыделение при затвердевании подавлено, структура однородна по сечению, отсутствуют газовые поры и расслоения. Кипящая (20кп) содержит значительно меньше кремния — ≤ 0,07% Si — и при затвердевании выделяет CO, что формирует неоднородную газопористую корку при чистой центральной зоне. Полуспокойная (20пс) — промежуточный вариант.

Для цементируемых деталей ответственного назначения и сварных конструкций под нагрузкой применяется исключительно спокойная сталь. Кипящая и полуспокойная разновидности допустимы для неответственных холодноштампованных изделий, в том числе тонкостенных, где высокая поверхностная чистота кипящей стали снижает трудоёмкость штамповки.

Применение стали 20С в машиностроении и котлостроении

Подробнее о видах конструкционных сталей — в разделе конструкционные стали.

Цементируемые детали машин: зубчатые колёса, кулачки, поршневые пальцы, втулки, шлицевые валы, тяги, червячные шестерни — везде, где требуется контактная твёрдость при вязкой сердцевине.

Трубопроводное и котловое оборудование: трубы перегревателей, коллекторы и трубопроводы котлов высокого давления при рабочей температуре до 350 °C; патрубки, фланцы, переходники, фитинги.

Листовые и штампованные изделия: корпусные детали, обшивки, кронштейны, крышки — из листа по ГОСТ 4041-71 в нормализованном или отожжённом состоянии.

Сварные металлоконструкции: рамы, несущие балки, профильные конструкции умеренной нагруженности — без ограничений по свариваемости.

Крепёж и соединительные детали общего назначения: гайки, муфты, крюки, хомуты — без поверхностного упрочнения.

Формы поставки стали 20С

Сталь 20С поставляется в следующих видах проката: сортовой прокат (круг, квадрат, шестигранник, полоса), листы толщиной 4–14 мм по ГОСТ 4041-71, трубы бесшовные горячедеформированные и холоднодеформированные, калиброванный прокат, поковки. Трубы из стали 20 доступны в широком сортаменте по ГОСТ 8731-87, ГОСТ 550-75, ГОСТ 8733-74. Смежная марка с более высоким содержанием углерода — сталь 30С — применяется там, где требуется повышенная прочность без цементации.

Международные аналоги стали 20С

Страна / регион	Обозначение аналога	Стандарт
Россия (базовая марка)	20	ГОСТ 1050-2013
Евросоюз	C22E (1.1151)	EN 10083-2
Германия (до гармонизации EN)	Ck22 / C22	DIN 17200
США	1020 (UNS G10200)	AISI/SAE
Китай	20	GB/T 699
Корея	SM20CK	KS
Польша	К18	PN

Прямые отечественные аналоги по ГОСТ 1050-2013 — стали 15 и 25: смежные марки с меньшим и большим содержанием углерода соответственно. Сталь 09Г2С нередко указывается как аналог в коммерческих источниках, однако это неверно: 09Г2С — низколегированная сталь с марганцем 1,3–1,7%, принципиально иными характеристиками вязкости при отрицательных температурах и другим назначением; прямым аналогом стали 20С она не является.