Все о стали 30ХГСА – состав, характеристики, сфера применения, достоинства и недостатки

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

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.

• Цифра 30 в маркировке указывает на процентное соотношение содержания углерода в сотых долях (0.3%);
• буква Х означает наличие хрома в сплаве, но не более 1.5%, на что указывает отсутствие цифры рядом с буквой;
• буква Г указывает на марганец, содержание которого не превышает 1.5%;
• буква С указывает на кремний в составе сплава, доля которого не превышает 1.5%;
• буква А в конце маркировки означает высшую категорию качества стали.

У стали 30ХГСА есть другое название «хромансиль», образованное от обозначений входящих в ее состав химических элементов хрома, марганца, кремния. Это название популярно среди строителей.

Характеристики

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:

• сортовой прокат;
• фасонный прокат;
• калиброванный пруток;
• шлифованный пруток;
• серебрянка;
• лист толстый;
• лист тонкий;
• полоса;
• поковки;
• кованые заготовки;
• трубы.

Сортамент бесшовных труб из стали 30ХГСА

• ГОСТ 8731-87 горячекатаные для машиностроения и трубопроводов;
• ГОСТ 8732-78 горячедеформированные общего назначения;
• ГОСТ 8733-74 холоднодеформированные и горячедеформированные общего назначения;
• ГОСТ 8734-75 холоднодеформированные;
• ГОСТ 21729-76 конструкционные;
• ГОСТ 9567-75 прецизионные.

Способ горячей деформации

Основные этапы изготовления бесшовной стальной трубы из стали марки 30ХГСА методом горячей деформации:

1. подготовительные процедуры;
2. нарезка заготовок в соответствии с ГОСТом 8732-78;
3. нагрев заготовки до 1200С;
4. бурение полнотелой заготовки на специальном станке, в результате чего получается гильза;
5. прокат и вытягивание гильзы под вальцами на специальном оборудовании;
6. калибровка;
7. контроль качества и испытания на механическую прочность.

Способ холодной деформации

Основные этапы изготовления бесшовной стальной трубы из стали марки 30ХГСА методом холодной деформации:

1. нарезка и химическая обработка заготовок (протравливание);
2. очистка заготовок;
3. формирование круглой формы и толщины стенок на специальном оборудовании с помощью валов;
4. калибровка;
5. контроль качества и испытания на механическую прочность.

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:

1. машиностроение, самолетостроение применяются в основном в деталях, предназначенных для эксплуатации под сильным давлением и требовательных к качеству материала изготовления;
2. нефтегазовая промышленность доставляют нефтепродукты и природный газ на большие расстояния;
3. жилищное строительство для прокладки коммуникаций газо- и водоснабжения, идеальны для горячего водоснабжения благодаря устойчивости к высоким температурам;
4. добыча угля горячекатные трубы применяются для отвода побочных продуктов;
5. оборонная промышленность для возведения конструкций повышенной прочности.

Использование в промышленности

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.

• В строительстве. Из стали 30ХГСА производятся высокопрочные крепежные элементы для строительных конструкций, устойчивые к переменным нагрузкам. Крепежи из стали 30ХГСА имеют ограниченную сферу применения из-за низкой устойчивости к коррозии или должны быть защищены.
• В машиностроении и самолетостроении. Из стали 30ХГСА изготавливаются цельные корпуса, сварные конструкции, подвижные детали (лопасти, валы, рычаги, оси), крепежные элементы. В самолетостроении из стали 30ХГСА в основном изготавливаются расходные детали.
• В нефтегазовой промышленности. В качестве несущих конструкций для газопроводов высокого давления применяются горячекатные стальные трубы.
• В оборонной промышленности. 30ХГСА является распространенной оружейной сталью, из нее изготавливаются стволы для отечественного стрелкового оружия.

Тепловая обработка

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

• Закаливание. Процедура, направленная на улучшение характеристик поверхностного слоя стали. Сталь 30ХГСА закаливается при температуре 880С и подвергается охлаждению в масле, чтобы не допустить нежелательных структурных изменений.
• Отпуск. Закаливание стали меняет ее структурные характеристики. После такой внутренней перестройки может возникнуть напряжение, приводящее к трещинам. Чтобы не допустить этого, таль 30ХГСА подвергают отпуску при температуре 540С. Для охлаждения можно использовать воду.
• Ковка. В результате ковки структура металла становится более прочной. Сталь 30ХГСА куют после нагревания до 1240С и охлаждают на открытом воздухе.

Прокаливаемость стали 30ХГСА сравнительно невысока, она составляет всего 24-40 мм глубины прокаливаемого слоя.

Преимущества и недостатки

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:

• ударная вязкость высокая способность стали противостоять динамическим нагрузкам;
• твердость объясняется высоким содержанием углерода в составе стали;
• износоустойчивость устойчивость к переменным нагрузкам, особо ценное качество стали 30ХГСА, сделавшее ее незаменимой в самолетостроении;
• хорошая свариваемость;
• высокая сопротивляемость постоянному тепловому воздействию (до 400С).

Недостатки:

• Низкая прокаливаемость небольшая глубина изменений при закалке;
• Флокеночувствительность подверженность образованию внутренних трещин, снижающих механические показатели;
• Коррозионная подверженность сталь нельзя использовать в условиях повышенной влажности или прямого контакта с водой без гальванического покрытия или других защитных мер.

Химический состав

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:

• для мартеновской стали 0,005%;
• для кислородно-конвертерной стали без внепечной обработки 0,006% (тонколистовая, лента) и 0,008% (прочие виды металлопродукции);
• для кислородно-конвертерной стали с внепечной обработкой 0,010% (тонколистовая, лента) и 0,012% (прочие виды металлопродукции);
• для стали, выплавленной в электропечах 0,012%.

Обстоятельства, при которых массовая доля азота в сплаве не регулируется и не нормируется:

1. массовая доля алюминия в сплаве составляет не менее 0,020% (для общего) или 0,015% (для кислоторастворимого);
2. присутствуют азотосвязывающие элементы в любом сочетании (титан, ванадий, ниобий) если суммарная массаовая доля элементов включая алюминий не превышает 0,015%

Допустимые пределы содержания остаточных элементов (до):

• вольфрам 0,20%;
• молибден 0,11%;
• ванадий 0,05%;
• титан 0,03%.

Механические свойства

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

Технологические свойства

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:

• Ac1 точка начала преобразования перлита в аустенит;
• Ac3 точка окончания растворения феррита в аустените;
• Ar3 точка начала выделения феррита из аустенита;
• Ar1 точка начала преобразования аустенита в перлит;
• Mn точка начала мартенситного превращения.

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

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

Зарубежные и отечественные аналоги Стали 30ХГСА

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:

• 40ХН;
• 25ХГСА;
• 40ХФА;
• 35ХМ;
• 35ХГСА (является ближайшим и наиболее предпочтительным аналогом).

Зарубежными аналогами являются марки:

• 14331 точный аналог чешского производства;
• 30ChGSA точный аналог болгарского производства;
• 30HGSA точный аналог польского производства.

Условные обозначения

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)