Labai{0}}stiprūs varžtai: išsami analizė nuo medžiagų iki terminio apdorojimo
Labai{0}}stiprūs varžtai: išsami analizė nuo medžiagų iki terminio apdorojimo
1 Įvadas į didelio stiprumo-varžtus
1.1 Aukšto-stiprumo varžtų standartai
Tarptautinėje prekyboje ir užsienio projektuose didelio stiprumo{0}}varžtai paprastai atitinka toliau nurodytus pagrindinius standartus, siekiant užtikrinti, kad jų medžiagos, mechaninės savybės, terminis apdorojimas ir kt. atitiktų būtinus techninius reikalavimus:
ISO 898-1
Šis standartas yra plačiai naudojamas visame pasaulyje (ypač Europoje ir kituose tarptautiniuose projektuose) ir nurodo anglinio plieno ir legiruotojo plieno tvirtinimo detalių mechanines savybes, tokias kaip atsparumas tempimui, takumo riba, kietumas, pailgėjimas ir sukimo momento koeficientas.
Įprastos ISO 898-1 stiprumo klasės yra 8,8, 10,9 ir 12,9, kurios yra labai svarbios nuorodos gaminant ir priimant didelio stiprumo varžtus.
ASTM A490
Taikoma legiruotojo plieno konstrukciniams varžtams, minimalus tempiamasis stipris paprastai turi pasiekti 150ksi (apie 1034MPa).
Šio tipo varžtai dažnai naudojami plieninių konstrukcijų jungtyse, kurioms reikia didelio stiprumo, pvz., tiltuose,{0}}aukštuose pastatuose ir didelėse mašinose.
ASTM A354
Šis standartas reikalauja, kad varžtai turėtų puikias mechanines savybes, kad būtų galima naudoti atšiaurioje aplinkoje.
Jis dažnai naudojamas projektuose, kuriuose saugos veiksniai ir ilgaamžiškumas yra labai svarbūs, pavyzdžiui, sunkiosios mašinos ir tam tikra speciali įranga.
Šiuose standartuose pateikiami išsamūs medžiagų klasės, mechaninių savybių, terminio apdorojimo ir tt techniniai reikalavimai. Palyginti su įprastais 4.6, 8.8 ar 10.9 klasės varžtais, didelio stiprumo varžtai turi aukštesnio stiprumo laipsnius (pvz., 12.9 klasės) ir griežtesnius proceso valdymo ir medžiagų pasirinkimo reikalavimus, kad atitiktų didelių apkrovų ir aukštų saugos veiksnių reikalavimus.
1.2 Didelio stiprumo -varžtų našumo reikalavimai
Didelio stiprumo{0}}varžtų „didelis stiprumas“ atsispindi ne tik tempiant, bet ir visapusiškuose takumo stiprumo, pailgėjimo, atsparumo smūgiams ir kitų rodiklių reikalavimams. Paprastai kalbant, Jungtinėse Valstijose įprastų didelio stiprumo{2}}varžtų varžtų atsparumas tempimui gali siekti daugiau nei 1000 MPa, o kai kurių legiruotojo plieno varžtų – net 1200–1400 MPa. Be to, siekiant užtikrinti patikimą sujungimą įvairiose darbo aplinkose, didelio stiprumo varžtai taip pat turi turėti šias charakteristikas:
Tvirtumas ir lankstumas
Ekstremalioje aplinkoje arba esant dinaminėms ir smūginėms apkrovoms, medžiagų tvirtumas ir lankstumas dažnai yra svarbesni už stiprumą. Ypač varžtams, kurie turi veikti žemoje temperatūroje (pvz., -20 laipsnių arba -40 laipsnių), paprastai reikalaujama, kad didelio stiprio varžtų Charpy smūgio vertė atitinkamoje temperatūroje būtų bent 27 J–40 J, kad būtų išvengta trapių lūžių; poliarinės arba jūros vėjo energijos srityje bandymo reikalavimai gali būti toliau didinami iki -50 laipsnių arba žemiau.
Be to, įprastų 10,9 arba 12,9 klasės varžtų pailgėjimas (A5) paprastai turi pasiekti 8–14 %, o skerspjūvio sumažinimas (Z) paprastai turi būti didesnis nei 40–50 %, kad būtų užtikrinta pakankama plastinės deformacijos geba ir saugos riba. Trumpai tariant, norint ilgą laiką išlaikyti patikimumą atšiauriomis sąlygomis, neužtenka sutelkti dėmesį vien į didelį stiprumą, kietumas ir lankstumas yra vienodai svarbūs.
Nuovargio gyvenimas
Aplinkoje, kurioje dažnai vibruoja arba kintamos apkrovos, varžtai, kurių atsparumas nuovargiui yra nepakankamas, yra linkę į nuovargio įtrūkimus sriegio šaknyje arba įtempių koncentraciją, o tai galiausiai sukelia lūžį.
Atsparumas korozijai
Didelio -stiprumo varžtams, naudojamiems jūrų inžinerijoje, naftos chemijos įrangoje arba drėgnoje aplinkoje, paprastai reikia apdoroti paviršių arba pridėti specialių lydinio elementų, tokių kaip chromas (Cr) ir nikelis (Ni), kad būtų padidintas atsparumas korozijai.
1.3 Didelio stiprumo -varžtų taikymas
Didelio stiprumo{0}}varžtai pasižymi didele apkrova-negalia, geru tvirtumu ir ilgu tarnavimo laiku.
Jie dažnai naudojami šiais atvejais:
- Didelės plieninės konstrukcijos: pvz., tiltai, sunkios gamyklos, vėjo turbinų bokštai ir aukštybinių pastatų karkasai{0}}
- Automobilių ir aviacijos pramonė: pagrindiniai variklių, važiuoklės ir orlaivių konstrukcinių komponentų jungtys
- Naftos, naftos chemijos, energetikos pramonė: slėginiai indai, vamzdynų flanšinės jungtys, vožtuvai, branduolinės energijos įranga
- Sunkioji įranga ir mašinos: kalnakasybos mašinos, karinė įranga, laivų statyba ir kiti didelės{0}}apkrovos komponentai
Verta paminėti, kad „didelė jėga“ nereiškia didžiausios jėgos siekimo. Jei projektas veikia ypač žemoje temperatūroje, be stiprumo, reikia atidžiai įvertinti varžtų atsparumą smūgiams ir medžiagos sudėtį. Jei projektas yra veikiamas aukštos temperatūros ir korozinių terpių, reikia pasirinkti legiruotą plieną, turintį atitinkamą atsparumą aukštai temperatūrai arba atsparumą korozijai. Todėl varžtų parinkimo ir pirkimo etape turi būti visapusiškai įvertintos gaminio darbo sąlygos ir mechaninių charakteristikų reikalavimai, o „didžiausio stiprumo“ negalima aklai siekti.
2. Didelio-stiprumo varžtų medžiagos
Žaliavų kokybė yra varžtų kokybės ir eksploatacinių savybių nustatymo pagrindas. Didelio-stiprumo varžtams paprastai naudojamas legiruotasis konstrukcinis plienas, pvz., 42CrMo, B7 ir 40CrNiMo. Šios medžiagos pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis esant aukštai temperatūrai, didelei apkrovai ar smūgio apkrovai, taip pat gali atitikti atsparumo žemai temperatūrai arba įvairaus laipsnio atsparumo korozijai reikalavimus.
2.1 Įprastos plieno rūšys, skirtos didelio-stiprumo varžtams
Toliau pateikiamos kelios tipiškos plieno rūšys ir atitinkami tarptautiniai / JAV pavadinimai:
42CrMo (tarptautiniu mastu paplitusi legiruotojo plieno rūšis, atitinkanti JAV ASTM B7 sudėtį):
Jis pasižymi dideliu stiprumu ir kietėjimu, o tempiamasis stipris paprastai yra 1100–1300 MPa arba didesnis, tinka 10,9 arba 12,9 klasės varžtams gaminti.
B7 (JAV ASTM A193 legiruotojo plieno klasė):
B7 sudėtis yra panaši į 42CrMo, tačiau molibdeno (Mo) kiekis kontroliuojamas tiksliau. B7 daugiausia naudojamas aukštos temperatūros ir aukšto slėgio aplinkoje, ypač naftos chemijos įrangos flanšinėms jungtims.
40CrNiMo (dažniausiai naudojamas ASTM A320 L7 standartuose ir kt.):
Šis plienas pasižymi geresniu atsparumu žemai{0}}temperatūrai, nes pridedant įvairių legiravimo elementų, ir gali veikti esant -40 laipsnių ar net žemesnei temperatūrai. Jis plačiau naudojamas srityse, kuriose reikalingas atsparumas smūgiams žemoje temperatūroje, pvz., vėjo energija ir jūrų inžinerija.
2.2 Skirtingų plieno rūšių eksploatacinių savybių skirtumai ir jų priežastys
Paimkite 42CrMo ir B7 kaip pavyzdžius. Abu yra vidutinio anglies grūdinto ir grūdinto plieno (anglies kiekis paprastai yra 0,38–0,45 %), ir abiejuose yra tam tikras kiekis chromo (Cr) ir molibdeno (Mo), kurių bendra sudėtis yra panaši. Tačiau tiksliai kontroliuojant mikroelementus, ypač molibdeno (Mo) ir mangano (Mn) kiekio skirtumus, medžiagos gali turėti didelių veikimo skirtumų. Pavyzdžiui:
Molibdeno kiekis: jei molibdeno kiekis B7 yra griežtai kontroliuojamas nuo 0,18 iki 0,20%, o molibdeno kiekis 42CrMo yra apatiniame gale (0,15–0,17%), B7 turi pranašumų dėl kietėjimo ir struktūros vienodumo, todėl geriau atlieka atsparumo smūgiams (pvz., pjūvio mažinimo) bandymus.
Mangano kiekis: Manganas gali pagerinti stiprumą ir kietumą tam tikrame diapazone, tačiau per didelis mangano kiekis padidina nuovargio trapumo riziką. Sujungus su kitais elementais, tokiais kaip molibdenas, mangano sukeltus „defektus“ galima iš dalies sumažinti, taip išlaikant gerą kietumą ir kartu užtikrinant stiprumą.
2.3 Kiekvieno elemento įtaka plieno savybėms (lentelė)
Žemiau yra supaprastinta lentelė, iliustruojanti įprastų legiravimo elementų poveikį bendroms plieno savybėms:
| Elementas | Pagrindinis vaidmuo | Poveikis didelio{0}}tvirto varžto veikimui |
| C (anglis) | Padidina stiprumą, kietumą, mažina plastiškumą ir kietumą | Per didelis anglies kiekis padidina trapumą, o vidutinis anglies kiekis padeda pasiekti norimą stiprumo lygį |
| Cr (chromas) | Padidina atsparumą dilimui, atsparumą korozijai ir kietėjimą | Didesnis chromo kiekis pagerina varžtų stabilumą aukštoje{0}}temperatūroje ir korozinėje aplinkoje |
| Mo (molibdenas) | Pagerina kietėjimą, atsparumą{0}}temperatūrai ir atsparumą aukštai{1}}temperatūrai | Padeda rafinuoti grūdelius ir padidina atsparumą smūgiams žemoje-temperatūroje ir atsparumą dilimui, o tai labai svarbu B7 plienui |
| Mn (manganas) | Pagerina kietumą, stiprumą ir atsparumą dilimui; per didelis kiekis gali sukelti grūdų augimą ir trapumą | Reikia subalansuoti su kitais elementais, kad pagerintų mechanines savybes ir išvengtų padidėjusio trapumo |
| Ni (nikelis) | Pagerina žemoje{0}}temperatūroje ir atsparumą korozijai, padidina stiprumą | Ypač naudinga žemoje{0}}temperatūroje, pvz., vėjo energija ir jūrų inžinerija, todėl padidėja atsparumas smūgiams |
| V (Vanadis) | Patobulina grūdelių struktūrą, padidina stiprumą ir kietumą | Naudojant tinkamus kiekius, gali pailgėti nuovargis, o per didelis naudojimas gali apsunkinti apdorojimą |
Apibendrinant galima pasakyti, kad didelio stiprumo{0}}varžtų medžiagų pasirinkimas turi būti glaudžiai integruotas su taikymo aplinka. Kai reikalingas didelis tvirtumas ir didelis lankstumas, reikia padidinti elementų, tokių kaip molibdenas ir nikelis, kiekį, o priemaišų, tokių kaip siera ir fosforas, kiekį reikia griežtai kontroliuoti. Standartinėje naudojimo aplinkoje, kurioje pagrindinis dėmesys skiriamas tik dideliam stiprumui, neatsižvelgiant į kietumą, plienas, pvz., 42CrMo, gali atitikti reikalavimus. Tačiau norint atsižvelgti į didelį stiprumą ir atsparumą smūgiams žemoje temperatūroje, pirmenybė turėtų būti teikiama tokioms medžiagoms kaip 40CrNiMo arba CrNiMo kelių elementų lydinio sistemos.
3. Didelio stiprumo -varžtų terminis apdorojimas
Terminis apdorojimas yra pagrindinis žingsnis, turintis įtakos varžtų veikimui. Šildant, išsaugant šilumą ir aušinant galima pakeisti vidinę medžiagos mikrostruktūrą, dar labiau pagerinti stiprumą, plastiškumą ir atsparumą smūgiams. Faktinėje gamyboje didelio stiprumo varžtai paprastai yra „grūdinami“ (gesinimas + grūdinimas), o kiti apdorojimo būdai (pavyzdžiui, grūdinimas dehidrogenuojant arba paviršiaus apdorojimas) atliekami pagal poreikį.
3.1 Didelio stiprumo -varžtų terminio apdorojimo procesas
Paprastai legiruotojo konstrukcinio plieno didelio stiprumo{0}}varžtų terminis apdorojimas yra toks:
Išankstinis pašildymas: Įkaitinkite varžtus iki maždaug 600–700 laipsnių, kad pašalintumėte vidinį įtempį ir sumažintumėte įtrūkimų dėl per didelio temperatūros gradiento riziką.
Austenitizavimas: Laikykite varžtus 900 laipsnių ar aukštesniu kampu, kad šerdis ir paviršius būtų visiškai paversti austenitu ir ištirpintų lydinio elementus į matricą.
Gesinimas: greitai atvėsinkite varžtus iki kambario temperatūros arba žemesnės (dažniausiai naudodami alyvos aušinimą arba polimerinį vandens aušinimą), kad mikrostruktūra daugiausia paverstų martensitą, žymiai pagerindama kietumą ir atsparumą tempimui.
Grūdinimas: grūdinkite varžtus tinkamoje aukštoje temperatūroje (pvz., . 500-650 laipsnis ), kad per didelis kietumas palaipsniui taptų lankstesnė grūdinta struktūra, kad būtų išvengta trapių lūžimų naudojimo metu.
3.2 Gesinimo procesas
Pagrindinė gesinimo dalis apima austenifikaciją ir greitą aušinimą. Didelio-tvirtumo varžtams reikia mažiausiai 90 % šerdies, kad jos pavirstų į martensitą, kad atitiktų reikiamus stiprumo ir kietumo standartus. Faktinėje gamyboje šildymo ir laikymo laikas turi būti kontroliuojamas atsižvelgiant į efektyvų varžto skersmenį, medžiagos sudėtį ir krosnies temperatūros vienodumą. Jei kaitinimo laikas yra nepakankamas arba aušinimo greitis per lėtas, šerdyje gali likti perlito ar kitų mažo stiprumo struktūrų, todėl mechaninės savybės pablogės.
3.3 Grūdinimo procesas
Labai{0}}stipriems varžtams ypač svarbus tinkamas aukštoje{1}}temperatūroje (dažniausiai 500–650 laipsnių diapazone). Pagrindinės grūdinimo funkcijos apima:
Pašalinkite šiluminį įtampą: greito aušinimo gesinimo metu didelis temperatūros gradientas varžto viduje sukels didesnį vidinį įtempį. Jei grūdinimas neatliekamas, vėlesnio naudojimo metu gali atsirasti įtrūkimų.
Stabilizuokite struktūrą ir dydį: grūdinimas paverčia nedidelį likutinio austenito kiekį į martensitą, tolygiau paskirsto karbido nuosėdas martensito viduje, taip pagerindamas kietumą ir stabilizuodamas dydį.
Sumažinkite trapumą: didelio{0}}stiprumo martensitas paprastai yra trapus; grūdinimas gali sudaryti grūdintą troostitą arba grūdintą troostitą, kuris suteikia geresnį tvirtumą ir lankstumą.
3.4 Terminio apdorojimo svarstymai
Krosnies temperatūros vienodumas: nesvarbu, ar naudojama dėžinė krosnis, ar daugiafunkcė -krosnis, visų šildymo zonų temperatūra turi būti vienoda, kad būtų užtikrinta nuosekli mikrostruktūrinė transformacija visame varžte.
Anglies potencialo kontrolė: medžiagoms, kurioms reikalingas anglies dioksidas arba anglies sulaikymas, labai svarbu kontroliuoti anglies potencialą ir deguonies zondo rodmenis, kad būtų išvengta dekarbonizacijos ar per didelio anglies kiekio.
Paviršiaus ir šerdies kietumo pasiskirstymas: Didelių varžtų atveju ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas šerdies ir paviršiaus aušinimo greičio skirtumui. Nepakankamas šerdies aušinimas gali sukelti perlito arba bainito struktūrą, kuri turi įtakos bendram stiprumui.
Venkite vandenilio trapumo: ėsdinimo, galvanizavimo ar fosfatavimo metu vandenilio atomai gali prasiskverbti į metalą ir sukelti vandenilio trapumą. Siekiant išspręsti šią problemą, po paviršiaus apdorojimo paprastai atliekamas dehidrogenavimo grūdinimas 190-230 laipsnių.
Jei norite sužinoti daugiau apie terminį apdorojimą, galite žiūrėti vaizdo įrašą Metallurgical Data Channel.
4. Kokybės tikrinimas ir didelio stiprumo varžtų{1}}pirkimas
4.1 Veikimo testas
Įprasti didelio stiprumo{0}}varžtų tikrinimo elementai:
Tempimo bandymas: išmatuokite tempimo stiprumą, takumo ribą, pailgėjimą, skerspjūvio sumažėjimą (Z vertę) ir kitus rodiklius, kad patikrintumėte atitiktį ASTM A490, A354 ir kitiems standartams.
Kietumo testas: norint greitai įvertinti terminio apdorojimo kokybę, paprastai naudojamas Rokvelo kietumas (HRC) arba Brinelio kietumas (HB).
Smūgio bandymas: varžtams, kuriems reikalingas atsparumas smūgiams žemoje -temperatūroje, pvz., vėjo energijos, jūrų inžinerijos ar didelio-šaltumo zonose naudojamiems varžtams, reikia atlikti „Charpy“ smūgio bandymus esant -20 laipsnių, -40 laipsnių ar net žemesnei temperatūrai, siekiant užtikrinti, kad varžtai netrupėtų šaltoje aplinkoje.
Metalografinė analizė: stebėkite varžto skerspjūvio mikrostruktūrą (patikrinkite martensitą, bainitą, feritą, grūdelių šiurkštumą ir kt.), kad įvertintumėte terminio apdorojimo kokybę ir medžiagos vienodumą.
Paviršiaus defektų aptikimas: patikrinkite, ar sriegio, galvutės ar strypo įtrūkimai, raukšlės, paviršiaus dekarbonizacija ar kiti defektai.
Jei norite sužinoti daugiau apie varžtų kokybės tikrinimą, galite perskaityti straipsnį „Viso varžtų kokybės tikrinimo proceso vadovas“.
4.2 Standartizavimas ir sertifikavimas
Tarptautiniai sertifikatai ar standartai padeda pirkėjams greitai įvertinti gaminių patikimumą ir atitiktį. Bendrieji sertifikatai ir standartai apima:
ISO 898-1 (Varžtų mechaninės savybės)
ISO 6157 (Tvirtinimo detalių paviršiaus defektų tikrinimo reikalavimai)
Specialūs standartai skirtingoms taikymo aplinkoms, pvz., ASTM A193 / A320 / A354 / A490
ISO 9001 kokybės sistemos sertifikatas
Gamintojai, turintys šiuos sertifikatus ir visas testavimo sistemas, paprastai turi brandžias gamybos valdymo ir kokybės kontrolės sistemas, užtikrinančias partijų tiekimo nuoseklumą.
4.3 Didelio stiprumo varžtų pirkimo rekomendacijos
Išvalykite naudojimo aplinką ir reikalavimus: prieš pirkdami išsiaiškinkite naudojimo aplinką (temperatūros diapazoną, korozinę aplinką, smūginės apkrovos sąlygas) ir pirmenybę teikite veikimo rodikliams (pvz., atsparumui tempimui, atsparumui smūgiams).
Pasirinkite patikimą gamintoją: didelio{0}}stiprumo varžtams gaminti reikalingos aukštos-kokybės medžiagos, įranga ir procesai. Rekomenduojama rinktis gamintoją, turintį visas gamybos linijas, griežtą kokybės kontrolę ir profesionalias technologijas, kad būtų sumažinta vėlesnių montavimo ir priežiūros etapų rizika.
Peržiūrėkite medžiagų ir terminio apdorojimo proceso ataskaitas: su tiekėjais patvirtinkite žaliavos prekės ženklą, medžiagų sudėties patikrinimo ataskaitą, terminio apdorojimo metodą (grūdinimo temperatūrą, gesinimo terpė ir kt.) ir veikimo bandymo ataskaitą, kad užtikrintumėte partijos produktų nuoseklumą.
Testavimas ir mėginių ėmimas: projektams, kuriuose yra kritinės apkrovos arba didelė potenciali rizika, apsvarstykite galimybę atlikti mažų partijų bandymus arba atsitiktinius patikrinimus prieš didelio masto{0}}pirkimą, kad sumažintumėte galimą riziką.
Tinkinimo reikalavimai: jei reikalingi specialūs didelio-tvirtumo varžtai arba varžtai, naudojami konkrečioje aplinkoje (pvz., esant žemai-temperatūrai, žemesnei nei -40 laipsnių temperatūrai, aukštai temperatūrai ar aukštai korozijai aplinkai), galite susisiekti su gamintoju, kad pritaikytumėte lydinio sudėtį arba terminio apdorojimo planą, kad atitiktų faktinius reikalavimus.
