10# против 20# – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

10# и 20# — это два широко используемых сорта углеродной стали в производстве и строительстве, часто указываемые в китайских и региональных цепочках поставок. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно взвешивают компромиссы между стоимостью, свариваемостью, формуемостью и прочностью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают в себя необходимость компонента в высокой пластичности и легкости соединения (что благоприятствует варианту с низким содержанием углерода) или более высокой прочности и износостойкости (что благоприятствует варианту с высоким содержанием углерода).

Основное техническое различие между этими сортами заключается в их содержании углерода: сорт с низким содержанием углерода дает более мягкий, более пластичный материал с превосходной свариваемостью и формуемостью, в то время как сорт с высоким содержанием углерода увеличивает прочность и закаливаемость за счет некоторой пластичности и легкости сварки. Поскольку оба являются углеродными сталями с похожими следовыми элементами, их часто сравнивают для деталей, которые должны балансировать между обрабатываемостью, реакцией на термообработку и стоимостью.

1. Стандарты и обозначения

• GB (Китай): 10# и 20# — это обычные обозначения углеродной стали в китайских стандартах (часто используются в спецификациях продуктов GB/T).
• JIS (Япония): Эквивалентные номинальные сорта в JIS используют числовые названия на основе углерода (например, S10C, S20C — это общие сопоставимые сорта).
• ASTM/ASME: Американские стандарты обычно используют номенклатуру A36, A106 или SAE; прямые эквиваленты не всегда существуют, поскольку сорта ASTM указывают требования к механическим свойствам, а не простое название «10#».
• EN (Европа): Сорта EN классифицируют стали по химическим и механическим требованиям (например, C10, C20 концептуально сопоставимы, но должны быть перекрестно сосланы).
• Классификация: Оба 10# и 20# являются углеродными сталями (не легированными, не нержавеющими, не HSLA, не инструментальными сталями). Обычно они используются как низкоуглеродные (10#) и средне-низкоуглеродные (20#) стали в производстве.

2. Химический состав и стратегия легирования

Элемент	Типичный диапазон для 10# (прибл.)	Типичный диапазон для 20# (прибл.)
Углерод (C)	0.06–0.12 мас%	0.17–0.24 мас%
Марганец (Mn)	0.25–0.60 мас%	0.25–0.65 мас%
Кремний (Si)	0.02–0.35 мас%	0.02–0.35 мас%
Фосфор (P)	≤ 0.035 мас% (макс)	≤ 0.035 мас% (макс)
Сера (S)	≤ 0.035 мас% (макс)	≤ 0.035 мас% (макс)
Хром (Cr)	обычно ≤ 0.30 мас%	обычно ≤ 0.30 мас%
Никель (Ni)	обычно ≤ 0.30 мас%	обычно ≤ 0.30 мас%
Молибден (Mo)	обычно ≤ 0.08 мас%	обычно ≤ 0.08 мас%
Ванадий (V)	следы, если есть	следы, если есть
Ниобий (Nb)	следы, если есть	следы, если есть
Титан (Ti)	следы, если есть	следы, если есть
Бор (B)	обычно не добавляется	обычно не добавляется
Азот (N)	следы	следы

Примечания: Это типичные окна состава для обычных коммерческих углеродных сталей 10# и 20#; стандарты продуктов и производители могут указывать немного другие пределы. Стратегия легирования для обоих сортов сосредоточена на низком уровне легирующих элементов: углерод в основном определяет прочность и закаливаемость, марганец изменяет прочность и декарбонизацию, а кремний является декарбонизатором, который немного увеличивает прочность.

Как легирование влияет на свойства: - Углерод: основной контроль прочности на растяжение, твердости и закаливаемости; более высокий углерод увеличивает прочность и износостойкость, но снижает пластичность и свариваемость. - Марганец: увеличивает прочность на растяжение, закаливаемость и ударную вязкость; смягчает вредные эффекты серы (образует MnS). - Кремний: незначительное упрочнение в твердом растворе и декарбонизатор; избыточный Si может ухудшить качество поверхности в некоторых процессах. - Следовые элементы (Cr, Ni, Mo): при наличии в небольших количествах они незначительно увеличивают закаливаемость и прочность, но не являются характерными для этих сортов.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - 10#: В состоянии прокатки или нормализации микроструктура в основном состоит из феррита с мелкой дисперсией перлита. Низкое содержание углерода ограничивает долю перлита и предотвращает образование больших количеств мартенсита после умеренных скоростей охлаждения. - 20#: Более высокое содержание углерода приводит к большей доле перлита в состоянии прокатки и увеличивает потенциал для образования мартенсита или бейнита при более быстром охлаждении или закалке.

Реакции на термообработку: - Отжиг/Полный отжиг: Оба сорта размягчаются, уменьшают остаточные напряжения и образуют грубые смеси феррита и перлита. 10# достигает более мягкого состояния легче и быстрее из-за более низкого содержания углерода. - Нормализация: Образует более тонкую микроструктуру феррита и перлита и улучшает вязкость по сравнению с состоянием прокатки; это приносит пользу обоим сортам, но дает более высокие нормализованные прочности для 20# из-за его более высокого углерода. - Закалка и отпуск (Q&T): 20# более чувствителен к Q&T, потому что его более высокий углерод и немного более высокая закаливаемость позволяют развивать более высокопрочные мартенситные структуры после закалки и контролируемого отпуска. 10# имеет ограниченную закаливаемость — производить высокотвердый мартенсит равномерно сложнее и обычно нецелесообразно. - Термомеханическая обработка: Контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут увеличить прочность для обоих сортов; содержание углерода определяет достижимую комбинацию прочности и вязкости.

4. Механические свойства

Свойство (типичное, зависит от обработки)	10# (прибл. диапазоны)	20# (прибл. диапазоны)
Прочность на растяжение (МПа)	~320–470	~380–540
Предельная прочность (МПа)	~140–310	~200–370
Удлинение (%)	~20–40	~12–30
Ударная вязкость (Charpy V-notch, Дж)	обычно выше при низкой температуре для 10# (в зависимости от процесса)	ниже, чем у 10# при том же обработке, но может быть улучшена обработкой
Твердость (HB или HRC)	ниже в номинальном состоянии (мягче)	выше в номинальном состоянии (тверже)

Примечания: Значения являются ориентировочными и сильно зависят от формы продукта (плита, пруток, стержень), толщины и термо-механической истории. В общем, 20# демонстрирует более высокие прочности на растяжение и предельные прочности из-за более высокого содержания углерода и большей доли перлита; 10# предлагает большую пластичность и обычно превосходную вязкость при низких температурах при аналогичной обработке.

Интерпретация: - Прочность: 20# > 10# из-за более высокого углерода и увеличенного упрочнения перлитом/микроструктурой. - Вязкость/Пластичность: 10# > 20# в сопоставимых условиях, потому что более низкий углерод снижает хрупкие фазы и позволяет больше феррита. - Твердость/Износостойкость: 20# обычно тверже и лучше подходит для деталей, подверженных износу, после минимальной термообработки.

5. Свариваемость

Свариваемость углеродных сталей зависит в основном от содержания углерода, эквивалентного углерода (закаливаемости) и остаточных элементов. Два часто используемых эмпирических индекса — это эквивалент углерода IIW и параметр Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 10# будет иметь более низкий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ из-за более низкого углерода, что указывает на обычно отличную свариваемость с низкими требованиями к предварительному нагреву и минимальным риском холодного растрескивания при использовании соответствующих процедур. - 20# имеет более высокий углерод, увеличивая $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ и, таким образом, повышая риск мартенситного упрочнения в зоне термического влияния (HAZ). Для более толстых секций или ограниченных соединений могут быть рекомендованы предварительный нагрев, контролируемые температуры между проходами и подходящая термообработка после сварки (PWHT). - Микролегирование и более высокий марганец умеренно влияют на закаливаемость; однако эти углеродные сорта редко содержат достаточно легирующих элементов, чтобы радикально изменить сварочные процедуры, кроме тех, которые определяются содержанием углерода и толщиной секции.

Лучшие практики: используйте более низкий тепловой ввод и контролируемое охлаждение для 20# в более толстых секциях и указывайте предварительный нагрев или PWHT в соответствии со спецификациями сварочных процедур, когда превышены пороговые значения эквивалента углерода.

6. Коррозия и защита поверхности

• Оба 10# и 20# являются некоррозионными углеродными сталями; их внутренняя коррозионная стойкость ограничена и схожа между сортами. Выбор между ними должен учитывать необходимость в защитных мерах в коррозионных средах.
• Типичные меры по смягчению: оцинковка, защитные покрытия (краски, порошковая окраска), гальванизация или ингибиторы, специфичные для применения. Для наружных конструктивных частей часто используются горячее оцинкование или надежные системы окраски.
• PREN (Эквивалентный номер сопротивления к коррозии) не применим к углеродным сталям; он актуален для нержавеющих сортов:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Коррозионные запасы, катодная защита и выбор системы покрытия должны основываться на среде, ожидаемом сроке службы и режиме инспекции, а не на небольших различиях в составе между 10# и 20#.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка и механическая обработка: 20# тверже и обычно требует больших усилий при резке и может сократить срок службы инструмента по сравнению с 10#. Однако различия незначительны для диапазона низкого углерода; стратегии инструмента и скорости должны быть скорректированы для увеличенного содержания углерода.
• Формование и изгиб: 10# превосходит для холодного формования, глубокого вытягивания и изгиба с малым радиусом из-за большей пластичности. 20# более подвержен пружинистости и требует больших радиусов изгиба или большей силы.
• Соединение и крепление: 10# легче холодно формовать резьбы и соединять сваркой; 20# позволяет более прочное крепление, но может потребовать термообработки после соединения в критических, высокопрочных приложениях.
• Обработка поверхности: оба сорта принимают типичные операции отделки (шлифовка, полировка, покрытие); 20# может демонстрировать более высокую упрочняемость, что влияет на качество окончательной отделки для очень строгих допусков.

8. Типичные применения

10# (низкий углерод)	20# (высокий углерод)
Холодноформованные компоненты, общие конструктивные части, внутренние панели автомобилей, легкие кронштейны, сварные сборные конструкции, где важны пластичность и свариваемость	Валы, оси, шпильки, болты (где требуется более высокая прочность или износостойкость), конструктивные элементы с более высокими требованиями к нагрузке, детали машин, которые выигрывают от закаливаемой стали
Низконагруженные валы, заклепанные или болтовые соединения, трубопроводы низкого давления (некритические)	Детали, предназначенные для термообработки для увеличения прочности (закаленные/отпущенные или нормализованные)
Тянутый провод, формованные трубы, крепежи, требующие значительного формования	Детали, подверженные износу (после соответствующей термообработки), компоненты средней прочности, изготовленные методом ковки

Обоснование выбора: - Выбирайте 10#, когда приоритетом являются легкость формования, сварки и отделки поверхности, а требования к прочности скромные. - Выбирайте 20#, когда требуется более высокая прочность в изготовленном состоянии или возможность увеличения прочности за счет термообработки.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: Оба сорта являются товарными углеродными сталями и относятся к самым низким по стоимости вариантам. 10# обычно немного дешевле из-за более низкого содержания углерода и немного более простой обработки, но рыночные цены определяются ассортиментом продукции сталелитейного завода и спросом, а не внутренней стоимостью сорта.
• Доступность: Оба сорта широко доступны в виде прутков, стержней, плит и проволоки. 10# и 20# имеют обширные цепочки поставок в регионах, использующих номенклатуру GB/JIS. Сроки поставки обычно короткие для стандартных размеров; специальные формы (большой диаметр, прутки с жесткими допусками или сертифицированные испытательные отчеты) могут увеличить стоимость и срок поставки.

10. Резюме и рекомендации

Атрибут	10#	20#
Свариваемость	Отличная (низкий CE)	Хорошая до умеренной (требует предварительного нагрева/PWHT в более толстых секциях)
Баланс прочности и вязкости	Низкая прочность, высокая пластичность/вязкость	Высокая прочность, менее пластичный, если не обработан специально
Относительная стоимость	Немного ниже или сопоставимо	Немного выше или сопоставимо

Рекомендации: - Выбирайте 10#, если вам нужна превосходная формуемость, легкость сварки, высокая пластичность, низкий риск растрескивания HAZ или чувствительная к стоимости массовая обработка, где нежелательна термообработка после сварки. - Выбирайте 20#, если вам требуется более высокая прочность на растяжение и предельная прочность в изготовленном состоянии, улучшенная износостойкость или возможность термообработки компонентов для достижения более высоких уровней прочности, и план обработки учитывает предварительный нагрев, контролируемое охлаждение или PWHT.

Заключительная заметка: Выбор материала должен учитывать геометрию детали, толщину секции, ожидаемые рабочие нагрузки, метод соединения и любые необходимые термообработки после производства. В случае сомнений указывайте требования к свойствам материала (прочность на растяжение, предельная прочность, удлинение, вязкость) и ограничения по производству, а не только название сорта, и консультируйтесь с сертификатами завода или квалифицированными металлургическими данными для критических приложений.