Термическая обработка стали 30хгса

Упрочняющая термическая обработка стали 30ХГСА .

Выбор параметров режима закалки стали.

Закалка – самый распространенный вид термической обработки. Столь широкое распространение этого вида термической обработки объясняется тем, что при помощи закалки и последующего отпуска можно изменить свойства стали в очень широком диапазоне. Были рассмотрены превращения, которые протекают в стали, имеющей структуру аустенита, при ее охлаждении с различной скоростью.

Фактическая скорость печного нагрева определяется температурой, до которой нагрето печное пространство, и массой помещенной в него детали.

Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной или неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, т. е. нагревают выше критических температур Ас₃ или Ас_cm, при неполной – до межкритических температур – между Ас₁₌760 и Ас₃ (Ас_cm)=830.

Закалку проводят с нагревом до 850—900 °С (выше точки А₃ сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия пос­ле первой закалки состоит из феррита и перлита. В прокаливающейся насквозь легирован­ной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродис­того мартенсита. Такая структура обеспечивает повышен­ную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

Температура закалки равна:

В результате после охлаждения со скоростью выше V_кр получили структуру сердцевины детали, состоящую из троостита . В поверхностном слое структуру крупноигольчатого мартенсита.

Время нагрева детали до заданной температуры зависит от температуры нагрева, степени легированности стали, конфигурации изделий, мощности и типа печи, величины садки, способа укладки изделий и других факторов.

Время выдержки исчисляется с момента достижения детали заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на процессы растворения и структурных превращений, происходящих в стали.

Время закалки расчитывается по следующим формулам.

– будет зависит от нагревающего устройства ( в нашем случае это будет электропечь т.е. время нагрева будет 1 мин/1 мм сечения наибольшего диаметра в изделии).

– будет составлять 25% от времени нагрева.

Закалку данной детали будем проводить в электропечи, располагая в нем изделия, _{нагрева}= 1 мин * 1 мм сечения = 55 1=55 минут нагрева.

Время выдержки в электропечи составит 25% от времени нагрева, _{выдержки}= 13 минут 45 секунд.

_{закалки=} 55+13,75=68,75мин.

Время закалки составит 1 час 8 минут 45 секунд.

Выбор охлаждающей среды.

Условия аустенитизации и соответственно состояние аустенита оказывают большое влияние на кинетику фазовых превращений при последующем охлаждении и конечные свойства образующихся при этом структур стали.

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (/_охл. > /_кр). Значение /_кр определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита (рисунок 5).

Рисунок 5 – С- кривые изотермического распада аустенита для стали 30ХГСА.

Зная скорость охлаждения, мы можем определить закалочную среду. В данном случае при закалке на мартенсит необходимо охлаждать в масло, так как сталь 30ХГСА – легированная.

Вода как охлаждающая среда имеет некоторые существенные недостатки: высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры резко ухудшается закалочная способность. При температуре воды 80 – 90 0 С пленочное кипение распространяется на большую область температур и занимает до 95% всего периода охлаждения, поэтому мы охлаждаем в масле.

При закалке изделий в горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких и быстрого при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные – высокими, что может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8-12%-ные водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике.

Влияние легирующих элементов.

Сталь 30ХГСА содержит следующие легирующие элементы: хром, марганец. Прежде всего легирующие элементы увеличивают такое важное свойство как критический диаметр прокаливаемость. Наша сталь прокаливается насквозь до 50 мм. Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование. Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Такой элемент как хром будет входить в твердый раствор железа и упрочнять его, сужать область существования аустенита, образовывать устойчивые карбиды, повышать сопротивление коррозии.

Легирующие элементы (хром и марганец), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение. Это связано с тем что для распада аустенита углеродистой стали нужна диффузия углерода. Маленькие атомы углерода перемещаются в кристаллической решетке железа легко, а для распада аустенита легированной стали должна пройти диффузия легирующих элементов. Их атомы по размеру сравнимы с атомами железа, и диффузия идет медленнее. Переохлажденный аустенит оказывается устойчивее. Карбидообразующие элементы: Cr, Ni – при малом их содержании растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа(что существенно повышает твердость). Состав карбида в этом случае может быть выражен формулой (Fe, M)mCn, где М – символ суммы легирующих элементов, a m, n – коэффициенты, определяемые химической формулой карбида. При повышении содержания карбидообразующих элементов могут образовываться самостоятельные карбиды.

Сталь марки 30ХГСА

Состав и свойства стали марки 30ХГСА и среднелегированных сталей: среднелегированные стали комплексно легируют кремнием, марганцем, хромом, молибденом, никелем, ванадием, вольфрамом в различных сочетаниях и количествах при суммарном их содержании 2,5-10%. В сварных конструкциях используют среднелегированные конструкционные и теплоустойчивые стали, поставляемые по ГОСТ 4543-71 и специальным техническим условиям.

Среднелегированные конструкционные стали (30ХГСА, 30ХГСНА) содержат повышенное количество углерода (до 0,35 – 0,5%) и легированы обычно такими элементами, как кремний, марганец, хром в количестве до 1,2%, часто в сочетании с никелем (1,5-3%). Для теплоустойчивых сталей (20ХНМФ, 25ХЗНМФ и др.) характерно более низкое содержание углерода (как правило, до 0,28%) и обязательное легирование повышенными количествами хрома (до 2-5%) для обеспечения жаропрочности. Дополнительно такие стали обычно легируют молибденом, а также ванадием или вольфрамом и ниобием.

Высокие прочностные свойства среднелегированных сталей (σ_в=600-2000 МН/м 2 ) достигаются за счет повышенных содержаний углерода и легирующих элементов, увеличивающих прокаливаемость стали и прочность феррита, а также применения термообработки – нормализации или закалки с последующим низким или высоким отпуском. Большинство среднелегированных сталей для сварных конструкций относится к перлитному классу. Применяют и высокопрочные стали с временным сопротивлением до 1700 МН/м 2 (170 кгс/мм 2 ), подвергаемые закалке на мартенсит с последующим низким отпуском при 423-573 К (150-300° С), например . Высокая прочность среднелегированных сталей сочетается с повышенными специальными свойствами при достаточном уровне пластичности и стойкости против хрупкого разрушения. Это сочетание свойств среднелегированных конструкционных и теплоустойчивых сталей обусловливает применение их в конструкциях особо ответственного назначения, работающих в тяжелых условиях в энергомашиностроении, тяжелом и химическом машиностроении, самолетостроении, судостроении и других отраслях промышленности.

Легированная сталь 30ХГСА

Легирование сталей проводится для того, чтобы повысить их эксплуатационные качества. Примером можно назвать сталь 30ХГСА, свойства которой существенно выше, если сравнивать с обычными углеродистыми металлами. Особенности во многом зависят от концентрации легирующих элементов и их типа. Рассматриваемая марка получила распространение по причине высокой коррозионной стойкости, которая достигается за счет включения в состав большого количества хрома. Рассмотрим особенности этого сплава подробнее.

30ХГСА: расшифровка марки

Маркировка легированных сталей проводится при применении определенных стандартов, которые позволяют быстро определить химический состав. Легированная сталь 30ХГСА, расшифровка которой указывает только на концентрацию основных элементов, обладает следующим составом:

1. Все металлы конструкционной группы характеризуются тем, что в составе есть определенное количество углерода. В рассматриваемом случае показатель составляет 0,28-0,34%.
2. Хром в этом случае является основным легирующим элементом. Слишком высокая концентрация этого химического элемента приводит к повышению коррозионной стойкости. Сталь 30ХГСА (ГОСТ 4543-71 применяется в качестве стандарта при маркировке) имеет концентрацию хрома около 1%.
3. При легировании также применяются кремний и марганец. Эти элементы повышают основные эксплуатационные характеристики. Отсутствие цифр указывает на то, что этих элементов в составе не более 1%.

Труба бесшовная 30ХГСА

Сталь 30ХГСА, расшифровка которой не указывает на концентрацию вредных примесей, относится к классу среднелегированных сталей. Стоит учитывать, что зарубежные производители применяют иные стандарты при маркировке.

Скачать ГОСТ 4543-71

Химический состав

Во многом именно химический состав металла определяет его эксплуатационные характеристики. Марка стали 30ХГСА представлена сочетанием следующих элементов:

1. Углерод (около 0,3%).
2. Кремний и марганец, хром (около 1%).
3. Никель и медь (не более 0,3%).

В состав включается фосфор и сера не менее 0,025%. Их концентрация строго контролируется по причине того, что высокая концентрация приводит к ухудшению основных качеств. Стоит учитывать, что аналог будет обладать схожим химическим составом.

Физические свойства

Ст 30ХГСА, характеристики которой свойственны многим среднелегированным сталям, получила широкое применение. Расширенную область применения можно связать с следующими качествами:

1. При проведении инженерных расчетов учитывается плотность стали 30ХГСА, которая составляет 7850 кг/м 3 . Стоит учитывать, что подобный показатель может варьировать с большом диапазоне в зависимости от температуры окружающей среды.
2. Температура плавления составляет 1500 градусов Цельсия. Этот показатель определяет сложности, которые возникают при литье, а также высокую устойчивость к воздействию температуры.
3. Высокая прочность и устойчивость к ударной нагрузке также определяют широкое распространение стали. Структура разрушается только при воздействии ударной нагрузки 980 МПа.

Физические свойства 30хгса

Физические свойства учитываются при выборе наиболее подходящего сплава для изготовления деталей с учетом того, в каких именно условиях они будут эксплуатироваться.

Технологические свойства

Сталь 30ХГСА (ГОСТ определяет диапазон некоторых свойств) может применяться при создании различных изделий и конструкций. При выборе этого металла следует учитывать:

1. Коррозионная стойкость низкая. При длительном воздействии высокой влажности на поверхности может появится коррозия. Это качество следует учитывать при выборе легированной стали. В некоторых случаях коррозионная стойкость повышается за счет нанесения на поверхность гальванического покрытия, которое состоит из цинка и хрома. Для получения подобной поверхности применяется метод электролиза. Однако, создаваемый поверхностный слой характеризуется низкой устойчивостью к механическому воздействию – после повреждения незамедлительно появится коррозия.
2. Высокая пластичность, так как относительное удлинение составляет 11%. Она также существенно расширяет область применения металла, так как многие детали должны выдерживать переменную нагрузку.
3. Материал характеризуется высокой устойчивостью к переменным нагрузкам. Предел выносливости при испытании может варьироваться в зависимости от температуры окружающей среды.
4. Показатель твердости по шкале Роквелла составляет 50 единиц.
5. Механические свойства не изменяются при температуре до 400 градусов Цельсия. Эксплуатация при более высокой температуре не допускается, так как это приведет к повышению пластичности и снижению твердости поверхности.
6. Сталь 30ХГСА, термообработка которой проводится для повышения твердости и снижения хрупкости, характеризуется пластичностью. Именно поэтому она может применяться при ковке или штамповке.
7. Отличная упругость позволяет проводить обработку заготовок резанием. Именно поэтому заготовки поставляются для зенкерования, фрезерования или точения.

Для повышения производительности часто проводится отжиг. Рассматриваемая марка среднелегированных сталей относится ко второй группе по степени свариваемости. Именно поэтому рекомендуется проводить предварительный подогрев структуры, что снижает вероятность образования структурных трещин. Для обеспечения наиболее благоприятных условий зачастую заготовки нагревают до температуры 250 градусов Цельсия.

Термообработка сплава 30ХГСА

Для улучшения эксплуатационных характеристик получаемых изделий проводится термическая обработка, за счет чего происходит повышение прочности и твердости. Для стали 30ХГСА применяется следующая термообработка:

1. Закалка направлена на изменение качеств поверхностного слоя. Рекомендуется проводить закалку стали при температуре 880 градусов Цельсия. Охлаждение проводится в масле, что позволяет исключить вероятность появления поверхностных и структурных деформаций.
2. Закалка предусматривает перестроение кристаллической решетки. Подобный процесс становится причиной появления внутренних напряжений, которые в дальнейшем приводят к появлению структурных трещин. Отпуск при температуре 540 градусов Цельсия позволяет решить подобную проблему. Низкая температура нагрева позволяет в качестве охлаждающей среды применять воду.
3. Ковка улучшает структуру материала. Вначале процесса заготовка нагревается до температуры 1240 градусов Цельсия. Охлаждение проводится на открытом воздухе или в другой среде – все зависит от того, какого размера заготовка.

Для улучшения качеств материала могут применять самое различное оборудование. Особенности химического состава определяет то, что обработка заготовок проводится при применении специального оборудования.

Применение

Сталь 30ХГСА, применение которой связано с химическим составом и основными качествами, встречается в различных отраслях промышленности. Чаще всего легированная сталь используется в нижеприведенных случаях:

1. В строительной области получили большое распространение крепежные элементы, которые эксплуатируются при переменных нагрузках. Невысокая коррозионная стойкость определяет то, что крепежные материалы могут использоваться только при защите устройства.
2. В авиастроении используется сплав в качестве расходного материала при изготовлении валов, фланцев и прочих деталей. Стоит учитывать, что сплав не используют при создании ответственных элементов.
3. В машиностроительной области применяется при создании элементов, которые работают при постоянных или переменных нагрузках.

Стоимость используемого сырья во многом зависит от того, какой лом использовался. В продаже встречаются зарубежные аналоги, к примеру, 14331 (Чехия) и 30ChGSA (Болгария). Их химический состав и основные качества во многом схожи.

Сталь 30ХГСА: характеристики и применение

Изначально, сталь марки 30ХГСА разрабатывалась советскими учеными как материал для авиационной промышленности. Элементы управления, педали и другие механизмы самолетов середины 20 века полностью изготавливали из данного сплава. Но наука не стояла на месте. Спустя некоторое время благодаря характеристикам сталь 30ХГСА нашла применение и стала доступной для остальных сфер промышленности. И сразу же началось массовое использование стали машино- и станкостроением.

30ХГСА – расшифровка марки стали

Сталь 30ХГСА относится к группе легированных сталей. Состав ее регламентируется ГОСТом 4543-71, согласно которому каждая буква и цифра обозначает определенное содержание определенных химических элементов:

• Цифра 30 означает содержание углерода 0,28-0,34%. Углерод повышает твердость и прочность в сталях, но снижает пластичность и свариваемость.
• Х – хром (0,8-1,1%) повышает закаливаемость, коррозионную стойкость и жаропрочность сплава. Положительно влияет на сопротивление абразивному износу.
• Г – марганец (0,8-1,1%) удаляет вредные примеси кислорода и серы. Снижает риск образования окалин и трещин во время термообработки. Повышает качество поверхности. Помимо этого, способствует увеличению сталью пластичности и свариваемости.
• С – кремний также как марганец является сильным раскислителем. Повышает пластичность, не снижая при этом прочность. Увеличивает восприимчивость стали к термической обработке.
• Буква «А» расшифровывается как улучшенная. Это означает, что сталь прошла закалку с высоким отпуском. Особенности проведения закалки заключаются в нагреве стали до температуры 870 ºС и в последующем быстром охлаждении в масле или воде. Таким образом, происходит трансформация внутренней структуры, что способствует повышению механических характеристик 30ХГСА в 2,9 раза. Закалочные напряжения снимаются высоким отпуском: нагревом до 540-560 ºС. Помимо снятия напряжения, параллельно происходит увеличение упругих свойств.
• Сера (до 0,25%) и фосфор (до 0,25%) относятся к категории вредных примесей. Размеры их молекул слишком большие по сравнению со всеми вышеперечисленными элементами. Встраиваясь в кристаллическую сетку стали, сера и фосфор снижают ее устойчивость, тем самым снижая прочность сплава.
• Также в составе 30ХГСА имеется некоторый процент меди и никеля. Но их содержание настолько мало, что они не оказывают влияния на характеристики стали.

30ХГСА – это российское обозначение марки стали.

Аналоги

Существует следующие зарубежные аналоги:

• Польша 30HGSA.
• Болгария 30ChGSA.
• Чехия 14331.

Физические свойства

Особенностью 30ХГСА является наличие характерного зеленого оттенка. Плотность 7850 кгм3. Температура плавления около 1500 ºС.

Теплопроводность находится в пределах 30-38 Втм К в зависимости от значения температуры. Коэффициент линейного расширения в среднем составляет 12,2 106 1град. Электросопротивление 210 мкОм мм.

Механические характеристики

Марка 30ХГСА от обычных конструкционных сталей отличается повышенным значением прочности и устойчивости к ударным нагрузкам. Предел текучести равен 820 МПа. Для сравнения, нержавейка 12Х18Н10Т «течет» уже при 400 МПа. Полное разрушение стали происходит при нагрузке 980 МПа. Ударная вязкость составляет 127 КДжм2.

Обладает высокими пластичными свойствами: относительное удлинение 11%, а сужение 50%. Устойчива при работе в условиях переменных нагрузок. Предел выносливости 30ХГСА больше стали 45 ровно в 2 раза и имеет значение 490 МПа. Износоустойчива. Твердость находится в пределах 45-50 единиц по шкале Роквелла.

Сталь сохраняет свои механические характеристики при температуре вплоть до 400 С.

Химические свойства

Маркировка 30ХГСА не относится к категории коррозионностойких материалов. Под влиянием водной среды на поверхности сплава начинает проступать ржавчина.

Коррозионностойкость повышают путем использования специальных гальванических покрытий на основе хрома и цинка. Нанесение их осуществляется методом электролиза.

Технологические свойства

Высокая пластичность стали позволяет применять для ее обработки штамповку и ковку.

Упругие свойства стали также способствуют резанию: фрезерование, зенкерование и прочее. Для увеличения производительности данного процесса сталь предварительно отжигают.

30ХГСА относится ко 2-ой группе свариваемости. Особенности проведения сварки заключаются в необходимости прогрева стали до 250 ºС, что позволяет снизить вероятность образования трещин. При соблюдении данных условий сварные швы способны выдерживать нагрузку от 300 до 490 МПа в зависимости от типа нагрузки.

Типы применения

Благодаря всем вышеперечисленным характеристикам 30ХГСА имеет огромное практическое применение для разных отраслей промышленности:

• В строительстве из 30ХГСА делают крепеж, на который воздействует знакопеременный изгиб. Сюда относят анкерные болты, гайки, шпильки и прочее.
• До сих пор в авиастроении применяют как материал для изготовления расходных деталей самолетов: фланцы, валы и прочее.
• В машиностроении 30ХГСА нашла применение при производстве высокоответственных изделий, работающих в условиях переменных нагрузок: зубчатые передачи, шпиндели, валы, толкатели и т.д.

Содержание такого легирующего элемента как хром повышает стоимость 30ХГСА на рынке вторичного металла. Цена килограмма стального лома составляет 40-50 рублей. Это выше, чем у обычной углеродистой стали, но ниже чем у нержавейки. Более точное значение стоимости зависит от таких факторов как:

• Качество поверхности лома.
• Объем поставки.
• Габариты лома.

Оцените статью: