Характеристика стали 30ХРА

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 в печах и соляных ваннах. Для улучшения обрабатываемости при протягивании и зубодолблении рекомендуется нормализация при температуре 890-910°С.

Заключение.

Твердость стали стволов мало информативна для широкого круга охотников, а различие химсостава разных марок невелико, фирмы изготовители придумывают особые названия своим ствольным сталям. С другой стороны, если разные стали имеют практически одинаковые прочностные характеристики при одинаковой твердости, на первый план выходят надежность технологии связанные с ней доверие и уважение к фирме и готовой марке.

Список литературы

Векслер Ю.Г., Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Специальные стали, Учебник для вузов, М., «Металлургия», 1985.

Гуляев А.П., «Металловедение», Учебник для вузов, М., Металлургия, 1977.

Гуляев А.П., Малинина К.А., Саверина С.М., Инструментальные стали, Свойства и термическая обработка, Справочник, государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1961.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение, Учебник для вузов, М., «Машиностроение», 1972.