Augstas -stiprības skrūves: visaptveroša analīze no materiāliem līdz termiskai apstrādei

Augstas -stiprības skrūves: visaptveroša analīze no materiāliem līdz termiskai apstrādei

1 Ievads par augstas stiprības-skrūvēm
1.1. Augstas -stiprības skrūvju standarti
Starptautiskajā tirdzniecībā un ārzemju projektos augstas stiprības{0}}skrūves parasti atbilst tālāk norādītajiem galvenajiem standartiem, lai nodrošinātu, ka to materiāli, mehāniskās īpašības, termiskā apstrāde utt. atbilst nepieciešamajām tehniskajām prasībām.

ISO 898-1
Šis standarts tiek plaši izmantots visā pasaulē (īpaši Eiropā un citos starptautiskos projektos), un tas nosaka oglekļa tērauda un leģētā tērauda stiprinājumu mehāniskās īpašības, piemēram, stiepes izturību, tecēšanas robežu, cietību, pagarinājumu un griezes momenta koeficientu.

Kopējās izturības pakāpes ISO 898-1 ir 8,8, 10,9 un 12,9, kas ir ļoti svarīgas atsauces augstas stiprības skrūvju ražošanai un pieņemšanai.

ASTM A490
Piemērojams leģētā tērauda konstrukcijas skrūvēm, minimālā stiepes izturība parasti ir nepieciešama, lai sasniegtu 150ksi (apmēram 1034 MPa).
Šāda veida skrūves bieži izmanto tērauda konstrukciju savienojumos, kuriem nepieciešama liela izturība, piemēram, tiltos, augstceltnēs{0}}un lielās iekārtās.

ASTM A354
Šis standarts pieprasa, lai skrūvēm būtu izcilas mehāniskās īpašības izmantošanai skarbos apstākļos.

To bieži izmanto projektos, kur drošības faktori un izturība ir kritiski svarīgi, piemēram, smagajā mašīnā un noteiktā īpašā aprīkojumā.
Šajos standartos ir noteiktas detalizētas tehniskās prasības materiāla klasei, mehāniskajām īpašībām, termiskajai apstrādei utt. Salīdzinot ar parastajām 4.6., 8.8. vai 10.9. klases skrūvēm, augstas -stiprības skrūvēm ir augstākas stiprības pakāpes (piemēram, 12.9. klase) un stingrākas prasības procesa kontrolei un materiālu izvēlei, lai tās atbilstu augstas slodzes un augstu drošības faktoru prasībām.

1.2. Veiktspējas prasības augstas -stiprības skrūvēm
Augstas stiprības -skrūvju "augstā izturība" ir atspoguļota ne tikai stiepes stiprībā, bet arī visaptverošajās prasībās attiecībā uz tecēšanas izturību, pagarinājumu, triecienizturību un citiem rādītājiem. Vispārīgi runājot, starp Amerikas Savienotajās Valstīs izplatītajām augstas -stiprības skrūvēm minimālā skrūvju stiepes izturība var sasniegt vairāk nekā 1000 MPa, un dažas leģētā tērauda skrūves var sasniegt pat 1200–1400 MPa. Turklāt, lai nodrošinātu uzticamu savienojumu dažādās darba vidēs, augstas stiprības skrūvēm ir jābūt arī šādām veiktspējas īpašībām:

Stingrība un elastība
Ekstrēmās vidēs vai pie dinamiskām un triecienslodzēm materiālu stingrība un elastība bieži ir svarīgāka par izturību. Īpaši attiecībā uz skrūvēm, kurām jādarbojas zemas temperatūras vidē (piemēram, -20 grādi vai -40 grādi), parasti ir nepieciešams, lai augstas stiprības skrūvju Šarpi trieciena vērtība attiecīgajā temperatūrā būtu vismaz 27 J–40 J, lai novērstu trausls lūzumus; polārās vai jūras vēja enerģijas jomā pārbaudes prasības var vēl vairāk palielināt līdz -50 grādiem vai zemāk.

Turklāt parastajām 10,9 vai 12,9 klases skrūvēm pagarinājums (A5) parasti ir jāsasniedz 8%–14%, un šķērsgriezuma samazinājumam (Z) parasti ir jābūt virs 40%–50%, lai nodrošinātu pietiekamu plastiskās deformācijas spēju un drošības rezervi. Īsāk sakot, lai ilgstoši saglabātu uzticamību skarbos apstākļos, nepietiek tikai koncentrēties uz augstu izturību, vienlīdz svarīgi ir stingrība un elastība.

Noguruma dzīve
Vidē ar biežu vibrāciju vai mainīgām slodzēm bultskrūves ar nepietiekamu noguruma pretestību ir pakļautas noguruma plaisām vītnes saknē vai sprieguma koncentrācijā, kas galu galā izraisa lūzumu.

Izturība pret koroziju
Augstas -stiprības skrūvēm, ko izmanto kuģniecības inženierijā, naftas ķīmijas iekārtās vai mitrā vidē, parasti ir nepieciešama virsmas apstrāde vai īpašu sakausējuma elementu, piemēram, hroma (Cr) un niķeļa (Ni), pievienošana, lai uzlabotu izturību pret koroziju.

1.3. augstas -stiprības skrūvju pielietošana
Augstas -stiprības skrūvēm ir augsta slodzes-nestspēja, laba stingrība un ilgs kalpošanas laiks.

Tos bieži izmanto šādos gadījumos:

• Lielas tērauda konstrukcijas: piemēram, tilti, smagas rūpnīcas, vēja turbīnu torņi un augstceltņu karkasi{0}}
• Automobiļu un kosmosa rūpniecība: galvenie dzinēju, šasiju un gaisa kuģu konstrukciju komponentu savienojumi
• Naftas, naftas ķīmijas, enerģētikas nozares: spiedtvertnes, cauruļvadu atloku savienojumi, vārsti, kodolenerģijas iekārtas
• Smagais aprīkojums un mašīnas: kalnrūpniecības tehnika, militārais aprīkojums, kuģubūve un citas lielas{0}}slodzes sastāvdaļas

Ir vērts atzīmēt, ka "augsts spēks" nenozīmē tiekšanos pēc augstākā spēka. Ja projekts darbojas ārkārtīgi zemas temperatūras vidē, papildus stiprībai rūpīgi jāapsver skrūvju triecienizturība un materiāla sastāvs. Ja projekts ir pakļauts augstas temperatūras un korozīvām vidēm, jāizvēlas leģētie tēraudi ar atbilstošu augstas temperatūras izturību vai izturību pret koroziju. Tāpēc skrūvju atlases un iepirkuma posmā ir vispusīgi jāizvērtē izstrādājuma darba apstākļi un mehāniskās veiktspējas prasības, un nevar akli tiekties pēc "augstākās stiprības".

2. Augstas -stiprības skrūvju materiāli
Izejvielu kvalitāte ir pamats skrūvju kvalitātes un veiktspējas noteikšanai. Augstas -stiprības skrūvēm parasti tiek izmantoti leģēti konstrukciju tēraudi, piemēram, 42CrMo, B7 un 40CrNiMo. Šiem materiāliem ir lieliskas mehāniskās īpašības augstā temperatūrā, lielas slodzes vai trieciena slodzes apstākļos, un tie var atbilst arī dažādu pakāpju zemas temperatūras izturības vai korozijas izturības prasībām.

2.1. Izplatītas tērauda kategorijas augstas -stiprības skrūvēm
Tālāk ir norādītas vairākas tipiskas tērauda kategorijas un to atbilstošie starptautiskie/ASV nosaukumi:

42CrMo (starptautiski izplatīta leģētā tērauda marka, kas atbilst ASV ASTM B7 sastāvam):
Tam ir augsta izturība un rūdāmība, stiepes izturība parasti ir 1100–1300 MPa vai lielāka, piemērota 10,9 vai 12,9 pakāpes skrūvju ražošanai.

B7 (ASTM ASTM A193 leģētā tērauda marka):
B7 sastāvs ir līdzīgs 42CrMo, bet molibdēna (Mo) saturs tiek kontrolēts precīzāk. B7 galvenokārt izmanto augstas temperatūras un augsta spiediena vidē, īpaši naftas ķīmijas iekārtu atloku savienojumiem.

40CrNiMo (parasti izmanto ASTM A320 L7 standartos utt.):
Šim tēraudam ir labāka zemas{0}temperatūras triecienizturība, pievienojot dažādus leģējošus elementus, un tas var darboties -40 grādu vai pat zemākā temperatūrā. To plašāk izmanto jomās, kurās nepieciešama zemas temperatūras triecienizturība, piemēram, vēja enerģija un jūras inženierija.

2.2 Veiktspējas atšķirības starp dažādām tērauda kategorijām un to cēloņi
Kā piemērus ņemiet 42CrMo un B7. Abi ir vidēji rūdīti un rūdīti tēraudi (oglekļa saturs parasti ir 0,38–0,45%), un abi satur noteiktu daudzumu hroma (Cr) un molibdēna (Mo) ar līdzīgu kopējo sastāva diapazonu. Tomēr, precīzi kontrolējot mikroelementus, jo īpaši atšķirību molibdēna (Mo) un mangāna (Mn) saturā, materiāliem var būt ievērojamas veiktspējas atšķirības. Piemēram:

Molibdēna saturs: ja B7 molibdēna saturs tiek stingri kontrolēts robežās no 0,18 līdz 0,20%, bet 42CrMo molibdēna saturs ir zemāks (0,15–0,17%), B7 ir priekšrocības sacietēšanas un struktūras viendabīguma ziņā, un tādējādi tas ir labāks triecienizturības (piemēram, sekcijas samazināšanas) testos.

Mangāna saturs: Mangāns var uzlabot stiprību un sacietēšanu noteiktā diapazonā, bet pārmērīgs mangāna daudzums palielina trausluma risku. Kombinējot ar citiem elementiem, piemēram, molibdēnu, mangāna radītos "defektus" var daļēji novērst, tādējādi saglabājot labu stingrību, vienlaikus nodrošinot izturību.

2.3 Katra elementa ietekme uz tērauda īpašībām (tabula)
Tālāk ir sniegta vienkāršota tabula, kas ilustrē parasto leģējošo elementu ietekmi uz tērauda vispārējām īpašībām:

Rezumējot, augstas stiprības{0}}skrūvju materiālu izvēlei ir jābūt cieši integrētai lietojumprogrammas vidē. Ja nepieciešama augsta stingrība un augsta elastība, ir jāpalielina tādu elementu kā molibdēns un niķelis saturs, kā arī stingri jākontrolē tādu piemaisījumu kā sērs un fosfors. Standarta lietojuma vidēs, kurās galvenā uzmanība tiek pievērsta tikai lielai izturībai, neņemot vērā izturību, tēraudi, piemēram, 42CrMo, var atbilst prasībām. Tomēr, lai ņemtu vērā gan augstas stiprības, gan zemas temperatūras triecienizturību, priekšroka ir jāpiešķir tādiem materiāliem kā 40CrNiMo vai CrNiMo vairāku elementu sakausējumu sistēmas.

3. Augstas stiprības -skrūvju termiskā apstrāde
Termiskā apstrāde ir galvenais solis, kas ietekmē skrūvju darbību. Sildot, saglabājot siltumu un atdzesējot, var mainīt materiāla iekšējo mikrostruktūru un vēl vairāk uzlabot izturību, lokanību un triecienizturību. Faktiskajā ražošanā augstas stiprības skrūves parasti tiek "rūdītas" (rūdīšana + rūdīšana) un pēc vajadzības tiek veiktas citas apstrādes (piemēram, dehidrogenēšanas rūdīšana vai virsmas apstrāde).

3.1. augstas -stiprības skrūvju termiskās apstrādes process
Parasti leģētā konstrukcijas tērauda augstas stiprības{0}}skrūvju termiskās apstrādes process ir šāds:

Iepriekšēja uzsildīšana: uzkarsējiet skrūves līdz aptuveni 600–700 grādiem, lai atbrīvotu iekšējo spriegumu un samazinātu plaisāšanas risku pārmērīga temperatūras gradienta dēļ.

Austenitizācija: turiet skrūves 900 grādu leņķī vai augstāk, lai pilnībā pārveidotu serdi un virsmu austenītā un izšķīdinātu sakausējuma elementus matricā.

Rūdīšana: ātri atdzesējiet skrūves līdz istabas temperatūrai vai zemākai (parasti izmantojot eļļas dzesēšanu vai polimēru ūdens dzesēšanu), lai mikrostruktūru pārveidotu galvenokārt par martensītu, ievērojami uzlabojot cietību un stiepes izturību.

Rūdīšana: rūdiet skrūves atbilstošā augstā temperatūrā (piem., . 500-650 grādu), lai pakāpeniski pārveidotu pārmērīgo cietību par elastīgāku rūdītu struktūru, lai lietošanas laikā novērstu trauslumu.

3.2. Dzēšanas process
Rūdīšanas galvenā daļa ietver austenitizāciju un ātru dzesēšanu. Augstas -stiprības skrūvēm ir nepieciešami vismaz 90% serdes, lai pārveidotos par martensītu un atbilstu nepieciešamajiem stiprības un stingrības standartiem. Faktiskajā ražošanā sildīšanas un turēšanas laiks jākontrolē atbilstoši bultskrūves efektīvajam diametram, materiāla sastāvam un krāsns temperatūras viendabīgumam. Ja karsēšanas laiks ir nepietiekams vai dzesēšanas ātrums ir pārāk lēns, kodols var saglabāt perlītu vai citas zemas -stiprības struktūras, kā rezultātā var pasliktināties mehāniskās īpašības.

3.3. Rūdīšanas process
Augstas -stiprības skrūvēm īpaši svarīga ir pareiza rūdīšana augstā-temperatūrā (parasti diapazonā no 500 līdz 650 grādiem). Galvenās rūdīšanas funkcijas ietver:

Atbrīvojiet termisko spriegumu: ātras dzesēšanas dzēšanas procesā lielais temperatūras gradients skrūves iekšpusē izraisīs lielāku iekšējo spriegumu. Ja rūdīšana netiek veikta, turpmākās lietošanas laikā var rasties plaisas.

Stabilizējiet struktūru un izmēru: rūdīšana pārveido nelielu daudzumu atlikušā austenīta par martensītu, vienmērīgāk sadala karbīda nogulsnes martensīta iekšpusē, tādējādi uzlabojot izturību un stabilizējot izmēru.

Samaziniet trauslumu: martensīts augstas{0}}stiprības stāvoklī parasti ir trausls; rūdīšana var veidot rūdītu troostītu vai rūdītu troostītu, kas nodrošina labāku stingrību un elastību.

3.4. Termiskās apstrādes apsvērumi
Krāsns temperatūras viendabīgums: neatkarīgi no tā, vai tiek izmantota kastes krāsnis vai daudzfunkcionāla krāsnis, visu apkures zonu temperatūrai jābūt vienādai, lai nodrošinātu konsekventu mikrostrukturālo transformāciju visā skrūvē.

Oglekļa potenciāla kontrole: materiāliem, kuriem nepieciešama karburizācija vai oglekļa aizture, oglekļa potenciāla un skābekļa zondes rādījumu kontrole ir ļoti svarīga, lai novērstu dekarbonizāciju vai pārmērīgu oglekļa daudzumu.

Virsmas un serdes cietības sadalījums: lielām skrūvēm īpaša uzmanība jāpievērš dzesēšanas ātruma atšķirībām starp serdi un virsmu. Nepietiekama kodola dzesēšana var izraisīt perlīta vai beinīta struktūru, kas ietekmē kopējo izturību.

Izvairieties no ūdeņraža trausluma: kodināšanas, galvanizācijas vai fosfatēšanas laikā ūdeņraža atomi var iekļūt metālā un izraisīt ūdeņraža trauslumu. Lai risinātu šo problēmu, pēc virsmas apstrādes parasti tiek veikta dehidrogenēšanas rūdīšana 190-230 grādos.

Ja vēlaties uzzināt vairāk par termisko apstrādi, varat noskatīties videoklipu Metallurgical Data Channel.

4. Kvalitātes pārbaude un augstas -stiprības skrūvju iegāde
4.1 Veiktspējas pārbaude
Izplatītākie augstas stiprības{0}}skrūvju pārbaudes elementi ir:

Stiepes pārbaude: mēriet stiepes izturību, tecēšanas robežu, pagarinājumu, šķērsgriezuma samazinājumu (Z vērtību) un citus rādītājus, lai pārbaudītu atbilstību ASTM A490, A354 un citiem standartiem.

Cietības tests: Rokvela cietību (HRC) vai Brinela cietību (HB) parasti izmanto, lai ātri novērtētu termiskās apstrādes kvalitāti.

Trieciena tests: skrūvēm, kurām nepieciešama zemas-temperatūras triecienizturība, piemēram, skrūvēm, ko izmanto vēja enerģētikā, kuģniecībā vai ļoti -aukstā zonā, ir jāveic Šarpi triecientesti -20 grādi, -40 grādos vai pat zemākā temperatūrā, lai nodrošinātu, ka bultskrūves netrauslās aukstā vidē.

Metallogrāfiskā analīze: novērojiet skrūves šķērsgriezuma mikrostruktūru (pārbaudiet martensītu, bainītu, ferītu, graudu raupjumu utt.), lai novērtētu termiskās apstrādes kvalitāti un materiāla viendabīgumu.

Virsmas defektu noteikšana: pārbaudiet, vai vītnē, galviņā vai stieņā nav plaisu, kroku, virsmas dekarburizācijas vai citu defektu.

Ja vēlaties uzzināt vairāk par skrūvju kvalitātes pārbaudi, varat izlasīt rakstu "Ceļvedis visam skrūvju kvalitātes pārbaudes procesam".

4.2. Standartizācija un sertifikācija
Starptautiskie sertifikāti vai standarti palīdz pircējiem ātri novērtēt produktu uzticamību un atbilstību. Kopējie sertifikāti un standarti ietver:

ISO 898-1 (skrūvju mehāniskās īpašības)

ISO 6157 (prasības stiprinājumu virsmas defektu pārbaudei)

Īpaši standarti dažādām lietojumprogrammu vidēm, piemēram, ASTM A193 / A320 / A354 / A490

ISO 9001 kvalitātes sistēmas sertifikācija

Ražotājiem, kuriem ir šie sertifikāti un pilnīgas testēšanas sistēmas, parasti ir nobriedušas ražošanas vadības un kvalitātes kontroles sistēmas, lai nodrošinātu konsekvenci partiju piegādē.

4.3. Iepirkuma ieteikumi augstas stiprības skrūvēm
Notīriet lietošanas vidi un prasības: pirms pirkuma noskaidrojiet lietošanas vidi (temperatūras diapazonu, korozīvu vidi, triecienslodzes apstākļus) un dodiet priekšroku darbības rādītājiem (piemēram, stiepes izturība, triecienizturība).

Izvēlieties uzticamu ražotāju: augstas -stiprības skrūvju ražošanai ir nepieciešami augstas- kvalitātes materiāli, aprīkojums un procesi. Ieteicams izvēlēties ražotāju ar pilnām ražošanas līnijām, stingru kvalitātes kontroli un profesionālu tehnoloģiju, lai samazinātu vēlāku uzstādīšanas un apkopes posmu risku.

Pārskatiet materiālus un termiskās apstrādes procesa pārskatus: Apstipriniet piegādātājiem izejvielu zīmolu, materiāla sastāva pārbaudes ziņojumu, termiskās apstrādes metodi (rūdīšanas temperatūru, rūdīšanas līdzekli utt.) un veiktspējas pārbaudes ziņojumu, lai nodrošinātu partijas produktu konsekvenci.

Testēšana un paraugu ņemšana: projektiem ar kritisku slodzi vai lielu potenciālu risku apsveriet iespēju pirms liela mēroga{0}}iepirkuma veikt nelielas partijas pārbaudes vai izlases veida pārbaudes, lai samazinātu iespējamos riskus.

Pielāgošanas prasības: ja ir nepieciešamas īpašas augstas -izturības skrūves vai skrūves, ko izmanto noteiktā vidē (piemēram, zemas-temperatūras ietekme zem -40 grādiem, augsta temperatūra vai augsta korozijas vide), varat sazināties ar ražotāju, lai pielāgotu sakausējuma sastāvu vai termiskās apstrādes plānu, lai tas atbilstu faktiskajām prasībām.