Характеристика стали 30ХРА
Введение.
Сталь – это сплав железа с углеродом и неизбежными примесями (кремний фосфор, сера, марганец), где углерода не более 2,14%.
Существует много признаков, по которым классифицируются стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большинства числа марок сталей.
Классификация сталей по наиболее общим признакам:
По химическому составу стали условно подразделяются на углеродистые (нелегированные) стали, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные.
По назначению специальные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими свойствами.
Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.
Конструкционные стали подразделяются на строительные, машиностроительные и стали с особыми свойствами - теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.
Сталь, в составе которой, кроме железа, углерода и неизбежных примесей, имеются легирующие элементы, вводимые в металл для улучшения эксплуатационных или технологических свойств. Легирующие элементы вводятся в сталь в различных количествах и в разных сочетаниях – по 2, по 3 и более. Если сталь содержит в сумме до 2,5% легирующих элементов, её называют низколегированной. Сталь, содержащая 2,5-10% легирующих элементов, считается среднелегированной, более 10% - высоколегированной.
Внутри указанной классификации существует более узкие подразделения как по назначению, так и по свойствам.
Охарактеризовать марку стали 30ХРА, её назначение и применение.
30ХРА – легированная конструкционная сталь с процентным содержанием углерода – 0,3% , хрома – 1,5%, бора – 1,5%, высококачественная.
Легированными называют стали, в которые для изменения структуры и свойств, кроме углерода, специально вводят в заданных концентрациях другие элементы (Ni, Со, Сг, V, Мо, W, B и др.), получившие название легирующих.
Легирующие элементы могут образовывать с железом твердые растворы, растворяться в цементите (замещая в решетке атомы железа), либо могут образовывать специальные карбиды, т. е. карбиды, имеющие отличную от цементита кристаллическую решетку и химическую формулу, а также могут образовывать интерметаллические соединения.
К числу наиболее часто используемых легирующих элементов относятся Сг, Мо, Ni, Со, V, Тi, W, Zг, Nb, B, а также Мn и Si, если их содержание превышает обычное для углеродистой стали.
В результате легирования изменяются физические, механические и технологические свойства стали. Изменение свойств стали при ее легировании определяется влиянием легирующих элементов как на свойства фаз, так и на условия протекания фазовых превращений.
Марка стали 30ХРА используется в основном для производства стволов, рычагов разных видов оружия.
Основной параметр стали 30ХРА, необходимый для обеспечения прочности стволов, - предел упругости (или пропорциональности) – такая предельная допускаемая нагрузка, после снятия, которой металл возвращается в первоначальное состояние без остаточных деформаций.
Добавка в ствольную сталь легирующих элементов зачастую является технологическим улучшением – такая сталь лучше термообрабатывается, не требует дополнительных операций подкалки, лучше полируется. Добавка даже 1-2% хрома или никеля позволяет, не имея режимы технической обработки, получить более твердые, а значит, и более прочные стволы без дополнительных затрат, что с лихвой компенсирует большую стоимость материала. Меньше остаточные напряжения за счет меньшего содержания углерода ведут к уменьшению объема правки стволов.
С целью повышения прочности стали легируются бором. Введение бора даже незначительных дозах (0,002-0,003%) увеличивают прокалиеваемость.
Хром вводят в количестве до 2%. Он растворяется в феррите и цементите оказывая благотворное влияние на механические свойства стали, что предопределило его широкое применение в конструкционных сталях.
С точки зрения прочности, добавка легирующих элементов также позволяет получить вязкость, необходимо для сохранения пластичного, а не хрупкого характера разрушения стволов, что проявляется при увеличении твердости стали. Эта добавка вместе с вязкостью резко уменьшает износ нарезанных стволов. Пластичность стали уменьшает вероятность разрушения при длительном настреле и повышает безопасность стрелка – в случае разрыва ствола не образуются осколки.
Другая причина применения стали 30ХРА – обеспечение ухода за стволами. Практически заметно, что для хорошей коррозийной стойкости необходимо, чтобы в стали было не менее 13% хрома. Поэтому нельзя считать, что сталь 30ХРА или любая другая с 1,5-5% легирующих добавок не будет ржаветь. Хромовое покрытие, даже тонкое и пористое, значительно тверже ствольной стали и лучше работает на истирание. Видимо, именно потому, что сама по себе марка стали не является гарантией качества, нормативная документация России оговаривает условное обозначение ствольного материала – обязательную маркировку стилизованных знаков Сп и Сл на стволах.
Сделать полную термическую обработку в соответствии с диаграммой «железо-углерод».
Химический состав в % стали 30ХРА.
С | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu | B |
0,27-0,33 | 0.17-0.37 | 0.5-0.8 | до 0,3 | до 0,025 | до 0,025 | 1-1,3 | до 0,3 | до 1,5 |
2.2 Фазовый состав и микроструктура.
Фазовый состав в вес, % | Тип карбида | Микроструктура | ||
Без отжига | После отжига | |||
Феррит | Карбиды | |||
94,5-93,3 | 5,5-6,7 | Мелкопластинчатый перлит+феррит | Пластинчатый перфит+феррит |
Физические свойства.
Температура, С |
в |
в |
|
20 20-100 20-200 20-400 20-600 100 200 300 400 500 |
- 13,4 13,3 14,8 14,8 - - - - - |
- - - - - 0,110 0,10 - 0,09 - |
7,84 - - - - - - - - - |
Примечание: Сталь флокеночувствительна. |
Ковка.
Нагрев с |
Конец обработки в |
Охлаждение |
1180 | 800 | В колодцах или в термостатах |
Рекомендуемые режимы закалки.
Вариант | Температура нагрева в ºС | Охлаждение | Твердость HRC | |||
Среда |
Темпера- тура в °С |
Продолжи тельность |
Охлаждение 20°С | |||
I | 820-840 | Вода | 20-30 | До 200° | В масле | 50-58 |
II |
5%-ный водный раствор поварен- ной соли |
52-60 | ||||
III | 5-10%-ный водный раствор щелочи | 52-60 | ||||
IV | 830-850 | Масло веретенное или трансформаторное | 20-40 | До 20º | - | (примечание 2) |
V | Расплав селитры | 140-160 | 3-5 мин. | На воздухе | 45-55 | |
Примечание: 1. Значение твердости стали после закалки даны для поверхностного слоя, глубина которого зависит от диаметра или толщины закаливаемого изделия. 2. Твердость стали, получаемая при охлаждении в масле, зависит от диаметра или толщины закаливаемого изделия. 3. Вариант III применяют для предотвращения образования мягких пятен, вариант V – для изделий диаметром или толщиной не более 5 мм. |
Рекомендуемые режимы отпуска.
Температура отпуска в °С |
Среда нагрева | Твердость HRC |
200-300 | Масло, селитра, щелочь | 54-50 |
300-400 | Селитра, печи с воздушной атмосферой | 50-41 |
400-500 | 41-33 | |
500-600 | 33-24 | |
600-700 | Расплав солей, печи с воздушной атмосферой | 24-15 |
Закалка.
Температура нагрева стали для изготовления рычага.
Тип инструмента | Рекомендуемые режимы предварительной термической обработке | ||
Отжиг | Высокий отпуск | Нормализация | |
Рычаг | 800-820 | 680-700 | 850-870 |
Твердость материала после отжига HB =241 МПа
2.8. Механические характеристики сталь 30ХРА ГОСТ 4543-71.
Состояние | Сигма-В, МПа | Сигма-Т, МПа | Кси, % | Дельта, % | HB |
Закалка 880 гр (вода), Отпуск 180 гр (возд) |
1600 | 1300 | 40 | 9 | н/д |
2.9. Свариваемость.
Без ограничений – сварка производится без подогрева и без последующей термообработки.
Ограниченно свариваемая – сварка возможна при подогреве до 100-120°С и последующей обработке.
Трудносвариваемая – для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300°С при сварке термообработка после сварки – отжиг.
3. Вид термической обработки, обосновать в зависимости от механических свойств необходимых для работы детали, сделанной из стали 30ХРА.
Термическая обработка металлов – это определенный временной цикл нагрева и охлаждения, которому подвергают металлы для изменения их физических свойств. Термообработка в обычном смысле этого термина проводится при температурах, не достигающих точки плавления. Процессы плавления и литья, оказывающие существенное влияние на свойства металла, в это понятие не включаются. Изменения физических свойств, вызываемые термической обработкой, обусловлены изменениями внутренней структуры и химических соотношений, происходящими в твердом материале. Циклы термической обработки представляют собой различные комбинации нагрева, выдерживания при определенной температуре и быстрого или медленного охлаждения, соответствующие тем структурным и химическим изменениям, которые требуется вызвать.
Для инструментов из стали 30ХРА требуется высокая твердость не только в холодном состоянии, но при повышенных температурах.
Продолжительность выдержки при отжиге 1-1,5 часа после нагрева всей садки.
Высокий отпуск применяют: для снятия наклепа после холодной пластической деформации (так называемый рекристаллизационный отжиг); для снятия внутренних напряжений от обработки резанием, предшествующей закалке; перед повторной закалкой изделий, имеющих пониженную твердость после термической обработки.
Продолжительность выдержки при высоком отпуске 0,5-1 час после нагрева всей садки.
Нормализацию применяют для измельчения зерна перегретой стали и для получения повышенной чистоты поверхности при обработке резанием в тех случаях, когда сталь имеет твердость HRC<160.
Нагрев при нормализации можно производить