Сталь 30ХГСА (хромансиль) — состав, улучшение, свойства по ГОСТ 4543 и сварка

Что означает марка

По правилам ГОСТ 4543-2016 (п. 4.2) 30 — средний углерод около 0,30 % в сотых долях процента, Х — хром, Г — марганец, С — кремний. Цифр после букв нет: каждого элемента до 1,5 %. А в конце — класс высококачественной стали. Общие правила — в статье «Маркировка сталей».

Стандарт делит сталь на три класса по качеству. Высококачественная — с повышенными требованиями к химическому составу и макроструктуре по сравнению с качественной; к марке добавляют «А». Особовысококачественная — выплавленная в вакуумно-индукционной печи или с переплавом. Качественную сталь можно изготовить с серой и фосфором по нормам высококачественной — тогда она переходит в этот класс и получает букву «А» (примечание 3 к таблице 2).

Химический состав по ГОСТ 4543-2016

Состав по анализу ковшовой пробы — таблица 1, сера и фосфор — таблица 2:

По согласованию с изготовителем 30ХГСА можно заказать с расширенными вниз пределами: кремний 0,60–1,20 %, марганец 0,50–1,10 %, хром 0,50–1,10 % (п. 7.2.9). Такое требование указывают в заказе ссылкой на пункт.

Термообработка и свойства

ГОСТ 4543-2016 распространяется на металлопродукцию, которую применяют после термической обработки. Для 30ХГСА таблица 8 задаёт режим образцов — улучшение:

• закалка с 880 °C в масле;
• отпуск при 540 °C с охлаждением в воде или масле.

Примечание 1 к таблице допускает отклонения температуры: ±15 °C при закалке и ±50 °C при высоком отпуске.

Нормы после такой обработки на заготовке сечением 25 мм — в сравнении с 30ХГС и 40Х, которая часто стоит рядом в выборе:

Прочностные нормы у 30ХГСА и 30ХГС одинаковые, а по ударной вязкости высококачественная сталь выигрывает: 49 против 44 Дж/см². По сравнению с 40Х у 30ХГСА выше прочность, но ниже норма KCU.

Что важно при чтении таблицы:

• Нормы — для образцов. Металлопродукцию сечением меньше 25 мм термообрабатывают в полном сечении (примечание 2).
• Крупные сечения. Нормы относятся к прокату до 80 мм. Для 80–150 мм допускается снижение удлинения на 2 абс. %, сужения на 5 абс. % и ударной вязкости на 10 % (примечание 9).
• Не путайте с деталью. Свойства детали после её собственной термообработки зависят от сечения и режима цеха. Их задают на чертеже требованием по твёрдости или прочности и проверяют отдельно.

Состояние поставки. Горячекатаный и кованый прокат поставляют термически обработанным (ТО) или без обработки (п. 7.1.5). В отожжённом, высокоотпущенном или нормализованном с высоким отпуском состоянии твёрдость 30ХГСА — не более 229 HB (таблица 6), для калиброванного проката допускается на 15 HB больше. Без термообработки твёрдость не нормируют. Подробнее о режимах — в статье «Термообработка стали».

Прокат: сортовой и лист

Сортовой прокат — круг, квадрат, полосу, шестигранник, калиброванные прутки — поставляют по ГОСТ 4543-2016 с сортаментом по ГОСТ 2590, 2591, 2879, 103, 1133, 7417 и другим, которые перечислены в разделе 6 стандарта. Горячекатаный и кованый прокат — диаметром или толщиной до 250 мм.

Лист. На лист ГОСТ 4543 распространяется только в части химического состава (п. 1.2). Технические требования к листу задают отдельные стандарты. Для конструкционной легированной высококачественной стали специального назначения это:

• ГОСТ 11268-76 — тонколистовой горячекатаный и холоднокатаный прокат толщиной до 3,9 мм, который применяют в термообработанном состоянии (действует);
• ГОСТ 11269-76 — листовой и широкополосный универсальный прокат (действует).

Перечень марок, нормы свойств листа и обезуглероживания смотрите в тексте конкретного стандарта при оформлении заказа.

Пример расчёта массы. Лист 2 × 1000 × 2000 мм при плотности 7850 кг/м³ — принятой в справочнике MetalGuide для конструкционных сталей — весит 0,002 · 1 · 2 · 7850 = 31,4 кг. Для других размеров — калькулятор массы металла.

Как заказать и принять прокат

В заказе на сортовой прокат из 30ХГСА по ГОСТ 4543-2016 указывают:

1. Марку — именно 30ХГСА, если нужны нормы высококачественной стали. Заказ «30ХГС» даст сталь с серой и фосфором до 0,035 % и нормой KCU 44 Дж/см².
2. Сортамент и размер — например, круг по ГОСТ 2590.
3. Состояние поставки — термически обработанный (ТО) или без термообработки. Для механической обработки удобнее ТО: твёрдость тогда нормирована — не более 229 HB.
4. Группу качества поверхности — для горячекатаного и кованого проката 1ГП, 2ГП или 3ГП; для калиброванного — Б или В.
5. Дополнительные требования ссылкой на пункты раздела 7.2 — например, суженные пределы по составу.

При приёмке в документе о качестве проверьте фактический состав плавки: по нему считают углеродный эквивалент для сварки. Проверьте и результаты механических испытаний после термообработки образцов по режиму таблицы 8. Для макроструктуры высококачественных сталей 20ХГСА–35ХГСА стандарт допускает ликвационный квадрат не более балла 3 (примечание к таблице 9).

Сварка

ГОСТ 4543 не нормирует свариваемость. Оценить её можно по углеродному эквиваленту — формула из п. 7.2 ГОСТ 19281-2014:

Пример. Середины диапазонов 30ХГСА: C 0,31; Mn 0,95; Si 1,05; Cr 0,95 %. Остаточные никель и медь условно по 0,10 %, фосфор 0,015 %, ванадия нет.

Cэкв = 0,31 + 0,158 + 0,044 + 0,190 + 0,003 + 0,008 + 0,008 ≈ 0,72 %. Даже на нижних пределах состава без остаточных элементов выходит около 0,61 %.

Для сравнения: для проката повышенной прочности ГОСТ 19281 гарантирует свариваемость при углеродном эквиваленте не выше 0,43–0,46 % в зависимости от класса прочности. 30ХГСА лежит далеко за этим уровнем. Это значит: при сварке есть риск закалочных структур и холодных трещин в зоне термического влияния, и свариваемость обеспечивают технологией.

Где применяют и чем заменить

ГОСТ 4543-2016 относит такую металлопродукцию к конструкциям общего назначения, применяемым после термообработки. Высокая прочность после улучшения при умеренном углероде делает 30ХГСА материалом для нагруженных деталей и сварных узлов, которые можно термообработать целиком. Типичные примеры — оси, валы, рычаги, кронштейны, крепёж, силовые рамы; конкретное назначение и требования к свойствам задаёт конструктор.

30ХГСА или 40Х. Обе стали улучшают, и обе встречаются в одних и тех же узлах. По ГОСТ 4543-2016 у 30ХГСА выше нормы прочности — σт 835 против 785 Н/мм², σв 1080 против 980 Н/мм² — при меньшем углероде: 0,28–0,34 % против 0,36–0,44 %. У 40Х выше норма ударной вязкости — 59 против 49 Дж/см². Если деталь сварная, меньший углерод 30ХГСА — аргумент в её пользу, но технологию сварки это не отменяет. Сравнение 40Х со сталью 45 — в статье «Стали 45 и 40Х».

Аналоги. Для 30ХГСА в конвертере марок стали соответствий пока нет. Соответствия из разных таблиц в интернете — приближённые, их не стоит переносить в чертёж без проверки. Замену подбирают по требованиям:

1. σт и σв после улучшения в нужном сечении;
2. ударная вязкость и температура эксплуатации;
3. прокаливаемость — чтобы свойства держались по всему сечению;
4. свариваемость, если деталь сварная.

Решение о замене принимает конструктор, сверяя нормы обоих стандартов.