Сталь 30ХГСА один из наиболее востребованных в промышленности и в чем-то даже легендарный сплав, вошедший в историю как прорывной для времени своего открытия. Марка была открыта перед началом войны советскими учеными И.И. Сидориным и Г.В. Акимовым сотрудниками ВИАМ (Всесоюзного Института Авиационных Материалов). Сталь 30ХГСА на несколько лет стала мировым лидером среди материалов для авиастроения и успешно применялась советской авиацией в годы войны. До сих пор Сталь 30ХГСА используется в авиастроении, машиностроении, кораблестроении и многих других отраслях как мирной, так и военной промышленности.
Расшифровка стали 30ХГСА указывает на химический состав сплава и качество марки. В состав стали 30ХГСА входят и другие элементы, помимо тех, что указаны в маркировке, но их доля в сплаве незначительна. При увеличении доли элемента в сплаве до существенной, его буквенное обозначение добавляется в маркировку с указанием доли. Состав стали 30ХГСА характеризует ее как высокоуглеродистую среднелегированную высшего качества, что указывает на прочность и пригодность для производства износостойких деталей машин, лопаток для компрессорных станций, несущих конструкций и других изделий с повышенными требованиями.
У стали 30ХГСА есть другое название «хромансиль», образованное от обозначений входящих в ее состав химических элементов хрома, марганца, кремния. Это название популярно среди строителей.
30ХГСА среднелегированная высокоуглеродистая конструкционная сталь. Благодаря высокому содержанию углерода, сталь 30ХГСА отличается прочностью и устойчивостью к физическим воздействиям, чем обусловлено ее широкое применение в строительстве. Сталь 30ХГСА по показателю свариваемости относится ко второй группе, отличается хорошей свариваемостью при соблюдении некоторых условий. Варить рекомендуется с прогревом до 250С и избегать резкого охлаждения. Выполнение этих условий обеспечит минимальный риск образования трещин, а сварные швы смогут выдерживать нагрузки максимального предела выносливости.
Предел текучести стали 30ХГСА 820 МПа, что более чем вдвое превосходит аналогичный показатель стали 12Х18Н10Т. Предел выносливости составляет 490 МПа, что ровно вдвое больше аналогичного показателя у стали 45. При нагрузке 980 МПа сталь 30ХГСА разрушается полностью. Твердость по шкале Роквелла составляет 45-50 ед. Максимальная температура сохранения механических характеристик равна 400С. Сталь склонна к отпускной хрупкости.
Характеристики стали 30ХГСА регламентированы межгосударственным стандартом ГОСТ 4543-2016.
Сортамент изделий, изготовление и области применения
Сталь 30ХГСА применяется в производстве деталей с повышенными требованиями к износоустойчивости: поршневые механизмы, работающие в двигателях, толкатели, зубчатые валы, рычаги, оси, лопасти, фланцы, стальные колеса, ответственные несущие конструкции, предназначенные для знакопеременных нагрузок. Особой категорией изделий из стали 30ХГСА являются бесшовные трубы. Бесшовная труба изготовляется из круглого или пустотелого стального профиля способами горячей и холодной деформации.
Виды поставки стали 30ХГСА
Материал 30ХГСА поставляется в следующих видах:
Сортамент бесшовных труб из стали 30ХГСА
Способ горячей деформации
Основные этапы изготовления бесшовной стальной трубы из стали марки 30ХГСА методом горячей деформации:
Способ холодной деформации
Основные этапы изготовления бесшовной стальной трубы из стали марки 30ХГСА методом холодной деформации:
5 областей применения
Бесшовные стальные трубы выпускаются в разных размерах и с разной толщиной стенок, что позволяет использовать их в разных сферах производства. Перечисляем пять главных областей применения бесшовных труб из стали 30ХГСА:
Сталь 30ХГСА относится к высококачественным сплавам, всегда востребованным в самых разных областях производства. Из сплава 30ХГСА отливают корпуса, сплошные трубы различного диаметра, детали двигателей, крепежи, оружейные стволы.
30ХГСА это улучшаемый сплав, его характеристики можно повысить за счет правильной тепловой обработки закаливания или отпуска. Это касается не только заготовок, но и готовых стальных изделий, улучшаемых с помощью химико-термического воздействия.
Разновидности термообработки стали 30ХГСА
Прокаливаемость стали 30ХГСА сравнительно невысока, она составляет всего 24-40 мм глубины прокаливаемого слоя.
Как и любая марка стали, 30ХГСА обладает набором особенностей, определяющих сферы ее применения. У нее есть как сильные стороны, так и уязвимости, ограничивающие ее использования в определенных условиях. В ряде случаев недостатки можно нивелировать с помощью дополнительной обработки тепловой, химической или нанесения защитного покрытия на поверхность изделия.
Преимущества:
Недостатки:
Химический состав стали 30ХГСА и процентные доли содержания значимых элементов приведены в следующей таблице.
Химический элемент |
% |
Углерод (С) |
0.28-0.34 |
Кремний (Si) |
0.90-1.20 |
Медь (Cu), не более |
0.30 |
Марганец (Mn) |
0.80-1.10 |
Никель (Ni), не более |
0.30 |
Фосфор (P), не более |
0.025 |
Хром (Cr) |
0.80-1.10 |
Сера (S), не более |
0.025 |
Согласно ГОСТу 4543-2016 массовая доля азота не может превышать следующие показатели:
Обстоятельства, при которых массовая доля азота в сплаве не регулируется и не нормируется:
Допустимые пределы содержания остаточных элементов (до):
Ниже приведены таблицы механических свойств стали 30ХГСА в различных условиях общие, при разных температурах, при разных температурах отпуска, в зависимости от сечения.
Термообработка, состояние поставки |
Сечение, мм |
σ0,2, МПа |
σB, МПа |
δ5, % |
ψ, % |
KCU, Дж/м2 |
HB |
HRCэ |
Пруток. Закалка 880 °С, масло Отпуск 540 °С, вода или масло. |
||||||||
25 |
830 |
1080 |
10 |
45 |
49 |
|||
Поковки. Закалка. Отпуск. |
||||||||
КП 490 |
<100 |
490 |
655 |
16 |
45 |
59 |
212-248 |
|
КП 490 |
100-300 |
490 |
655 |
13 |
40 |
54 |
212-248 |
|
КП 540 |
<100 |
540 |
685 |
15 |
45 |
59 |
223-262 |
|
КП 590 |
<100 |
590 |
735 |
14 |
45 |
59 |
235-277 |
|
КП 590 |
100-300 |
590 |
735 |
13 |
40 |
49 |
235-277 |
|
КП 640 |
<100 |
640 |
785 |
13 |
42 |
59 |
248-293 |
|
КП 675 |
<100 |
675 |
835 |
13 |
42 |
59 |
262-311 |
|
Закалка 860-880 °С, масло. Отпуск 200-250 °С, воздух. |
||||||||
30 |
1270 |
1470 |
7 |
40 |
43-51 |
|||
Закалка 860-880 °С, масло. Отпуск 540-560 °С, вода или масло. |
||||||||
60 |
690 |
880 |
9 |
45 |
59 |
225 |
Механические свойства при повышенных температурах
t испытания, °C |
σ0,2, МПа |
σB, МПа |
δ5, % |
ψ, % |
KCU, Дж/м2 |
Пруток. Закалка 880 °С, масло. Отпуск 560 °С. |
|||||
300 |
820 |
980 |
11 |
50 |
127 |
400 |
780 |
900 |
16 |
69 |
98 |
500 |
640 |
690 |
21 |
84 |
78 |
550 |
490 |
540 |
27 |
84 |
64 |
Образец диаметром 5 мм, длиной 25 мм, прокатанный. Скорость деформирования 2 мм/мин. Скорость деформации 0,0013 1/с |
|||||
700 |
175 |
59 |
51 |
||
800 |
85 |
62 |
75 |
||
900 |
53 |
84 |
90 |
||
1000 |
37 |
71 |
90 |
||
1100 |
21 |
59 |
90 |
||
1200 |
10 |
85 |
90 |
Механические свойства в зависимости от температуры отпуска
t отпуска, °С |
σ0,2, МПа |
σB, МПа |
δ5, % |
ψ, % |
KCU, Дж/м2 |
HB |
Диаметр 20-70 мм, закалка 880 °С, масло. После отпуска охлаждение в воде. |
||||||
200 |
1570 |
1700 |
11 |
44 |
88 |
487 |
300 |
1520 |
1630 |
11 |
54 |
69 |
470 |
400 |
1320 |
1420 |
12 |
56 |
49 |
412 |
500 |
1140 |
1220 |
15 |
56 |
78 |
362 |
600 |
940 |
1040 |
19 |
62 |
137 |
300 |
Механические свойства в зависимости от сечения
Сечение, мм |
σ0,2, МПа |
σB, МПа |
δ5, % |
ψ, % |
KCU, Дж/м2 |
Закалка 880 °С, масло. Отпуск 600 °С, вода. |
|||||
30 |
880 |
1000 |
12 |
50 |
69 |
50 |
760 |
880 |
12 |
50 |
69 |
80 |
740 |
860 |
14 |
50 |
78 |
120 |
670 |
820 |
14 |
50 |
78 |
160 |
590 |
740 |
14 |
50 |
78 |
200 |
530 |
720 |
14 |
45 |
59 |
240 |
490 |
710 |
14 |
45 |
59 |
Сталь 30ХГСА подвержена коррозии, что снижает области ее применения и диктует необходимость подвергать изделия из стали 30ХГСА дополнительным защитным процедурам. Остановить коррозию поможет гальваническое покрытие из цинка или хрома, но важно знать, что такое покрытие легко разрушить механическим повреждением, тогда все его защитные свойства будут утрачены. Рекомендуется применять сталь 30ХГСА в производстве изделий, не контактирующих с водой и не использующихся в условиях повышенной влажности. Материал 30ХГСА высокопластичен, хорошо приспособлен к переменным нагрузкам благодаря показателю относительного удлинения, равного 11%.
Температура ковки |
Начала 1240 °С, конца 800 °С. Сечения до 50 мм охлаждаются в штабелях на воздухе, 51-100 мм — в ящиках. |
Свариваемость |
ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, АрДС, ЭШС. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка, КТС без ограничений. |
Обрабатываемость резанием |
В горячекатаном состоянии при НВ 207-217 и σB = 710 МПа Kuтв.спл. = 0.85, Kuб.ст. = 0.75. |
Склонность к отпускной способности |
склонна |
Флокеночувствительность |
чувствительна |
Температура критических точек
Критическими точками называются температурные значения нагревания и остывания стали, при которых происходят значимые физико-химические изменения, влияющие на свойства материала. Критические точки нагрева обозначаются строчной буквой «с» рядом с заглавной «А»; точки охлаждения обозначаются буквой «r».
Условные обозначения:
Критическая точка |
°С |
Ac1 |
760 |
Ac3 |
830 |
Ar3 |
705 |
Ar1 |
670 |
Mn |
352 |
Ударная вязкость
Характеристика ударной вязкости показывает, насколько сталь устойчива к динамическим нагрузками, таким как удары. Ударную вязкость стали 30ХГСА можно значительно повысить с помощью термической обработки.
Ударная вязкость, KCU, Дж/см2
Состояние поставки, термообработка |
+20 |
-20 |
-40 |
-60 |
-80 |
Закалка 880 °С, масло. Отпуск 580-600 С. σB = 1000 МПа. |
69 |
55 |
41 |
35 |
23 |
Предел выносливости
Предел выносливости также называют пределом усталости. Это показатель максимальной нагрузки, которую сталь может выдерживать не разрушаясь. Может изменяться в зависимости от закалки и отпуска.
σ-1, МПа |
τ-1, МПа |
n |
σB, МПа |
Термообработка, состояние стали |
490 |
1666 |
1Е+7 |
1670 |
|
372 |
882 |
1Е+7 |
880 |
|
470 |
1Е+6 |
1080 |
||
696 |
Закалка 870 °С. Отпуск 200 °С |
|||
637 |
Закалка 870 °С. Отпуск 400 °С |
Прокаливаемость
Прокаливаемость, это показатель глубины слоя, изменяющегося при закалке стали 30ХГСА. Чем выше показатель прокаливаемости, тем более значимым изменениям подвергается материал в результате термической обработки.
Твердость HRCэ.
Расстояние от торца, мм / HRC э |
|||||||||
1.5 |
3 |
4.5 |
6 |
9 |
12 |
15 |
18 |
21 |
24 |
50.5-55 |
49-54 |
47.5-53 |
46-52.5 |
41.5-52 |
38-51 |
36-48.5 |
35.5-46.5 |
33-44.5 |
30-43 |
Кол-во мартенсита, % |
Крит.диам. в воде, мм |
Крит.диам. в масле, мм |
Крит.твердость, HRCэ |
50 |
60-91 |
34-60 |
38-43 |
90 |
40-68 |
18-40 |
43-48 |
Физические свойства стали 30ХГСА упругость, теплопроводность, плотность, удельное электросопротивление, линейное расширение и удельная теплоемкость - приводятся в следующей таблице. Значения даны в зависимости от температуры испытания.
Температура испытания, °С |
20 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа |
215 |
211 |
203 |
196 |
184 |
173 |
164 |
143 |
125 |
|
Плотность, ρn, кг/см3 |
7850 |
7830 |
7800 |
7760 |
7730 |
7700 |
7670 |
|||
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С) |
38 |
38 |
37 |
37 |
36 |
34 |
33 |
31 |
30 |
|
Уд. электросопротивление (ρ, НОм · м) |
210 |
|||||||||
Температура испытания, °С |
20- 100 |
20- 200 |
20- 300 |
20- 400 |
20- 500 |
20- 600 |
20- 700 |
20- 800 |
20- 900 |
20- 1000 |
Коэффициент линейного расширения (α, 10-6 1/°С) |
11.7 |
12.3 |
12.9 |
13.4 |
13.7 |
14.0 |
14.3 |
12.9 |
||
Удельная теплоемкость (с, Дж/(кг · °С)) |
496 |
504 |
512 |
533 |
554 |
584 |
622 |
693 |
Аналоги и заменители представляют собой либо полностью идентичные сплавы с другими названиями (произведенные в странах, где приняты другие системы маркировок), либо сплавы, максимально близкие по своим свойствам к стали 30ХГСА. Необходимость заменить марку иногда возникает в строительстве или при изготовлении деталей, решение об этом принимает инженер-конструктор. Замена материала вполне распространенная практика, не ухудшающая характеристик готового изделия или конструкции. Замену нельзя производить только в случаях, когда к изделию или конструкции предъявляются повышенные требования.
На отечественном рынке заменителей стали 30ХГСА достаточно много, ими могут быть:
Зарубежными аналогами являются марки:
Механические свойства |
|
σB |
временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа |
σ0,2 |
предел текучести условный, МПа |
σсж |
предел прочности при сжатии, МПа |
σсж0,2 |
предел текучести при сжатии, МПа |
σ0,05 |
предел упругости, МПа |
σизг |
предел прочности при изгибе, МПа |
σ-1 |
предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа |
δ5 , δ4 , δ10 |
относительное удлинение после разрыва, % |
ψ |
относительное сужение, % |
ν |
относительный сдвиг, % |
ε |
относительная осадка при появлении первой трещины, % |
τК |
предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа |
τ-1 |
предел выносливости при испытании на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа |
KCU и KCV |
ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами вида U и V, Дж/см2 |
HRCэ и HRB |
твёрдость по Роквеллу (шкала C и B соответственно) |
HB |
твёрдость по Бринеллю |
HV |
твёрдость по Виккерсу |
HSD |
твёрдость по Шору |
Физические свойства |
|
E |
модуль упругости нормальный, ГПа |
G |
модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа |
ρn |
плотность, кг/м3 |
λ |
коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°C) |
ρ |
удельное электросопротивление, Ом∙м |
α |
коэффициент линейного теплового расширения, 10-61/°С |
с |
удельная теплоёмкость, Дж/(кг∙°С) |