Болтове с-висока якост: цялостен анализ от материалите до термичната обработка

Болтове с-висока якост: цялостен анализ от материалите до термичната обработка

1 Въведение в болтовете с висока-якост
1.1 Стандарти за-болтове с висока якост
В международни търговски и задгранични проекти болтовете с висока-якост обикновено следват следните основни стандарти, за да се гарантира, че техните материали, механични свойства, термична обработка и т.н. отговарят на необходимите технически изисквания:

ISO 898-1
Този стандарт се използва широко в световен мащаб (особено в Европа и други международни проекти) и определя механичните свойства на крепежни елементи от въглеродна стомана и легирана стомана, като якост на опън, граница на провлачване, твърдост, удължение и коефициент на въртящ момент.

Общите степени на якост в ISO 898-1 са 8.8, 10.9 и 12.9, които са много важни референции за производството и приемането на болтове с висока якост.

ASTM A490
Приложимо за структурни болтове от легирана стомана, обикновено се изисква минималната якост на опън, за да достигне 150ksi (около 1034MPa).
Този тип болтове често се използват при връзки на стоманени конструкции, които изискват висока якост, като например мостове, високи -сгради и големи машини.

ASTM A354
Този стандарт изисква болтовете да имат отлични механични свойства за използване в тежки условия.

Често се използва в проекти, при които факторите на безопасност и издръжливостта са критични, като тежки машини и определено специално оборудване.
Тези стандарти излагат подробни технически изисквания за степен на материал, механични свойства, термична обработка и т.н. В сравнение с обикновените болтове от степен 4.6, степен 8.8 или степен 10.9, болтовете с висока -якост имат по-високи степени на якост (като степен 12.9) и по-строги изисквания за контрол на процеса и избор на материал, за да отговарят на изискванията за високи натоварвания и високи коефициенти на безопасност.

1.2 Изисквания за ефективност на болтове с висока-якост
„Високата якост“ на високо{0}}якостните болтове се отразява не само в якостта на опън, но и в цялостните изисквания за граница на провлачване, удължение, якост на удар и други показатели. Най-общо казано, сред обикновените класове болтове с висока{2}}якост в Съединените щати, минималната якост на опън на болтовете може да достигне повече от 1000MPa, а някои болтове от легирана стомана дори могат да достигнат диапазона от 1200~1400MPa. Освен това, за да се осигури надеждна връзка в различни работни среди, болтовете с висока -якост трябва да имат и следните експлоатационни характеристики:

Издръжливост и пластичност
В екстремни среди или при динамични и ударни натоварвания, здравината и пластичността на материалите често са по-важни от здравината. Особено за болтове, които трябва да работят в среда с ниска температура (като -20 градуса или -40 градуса), обикновено се изисква ударната стойност на Шарпи на високоякостните болтове при съответната температура да се поддържа най-малко 27J~40J, за да се предотврати крехко счупване; в областта на полярната или офшорната вятърна енергия, изискванията за изпитване могат да бъдат допълнително увеличени до -50 градуса или по-ниски.

В допълнение, за обикновените болтове с клас 10,9 или 12,9, удължението (A5) обикновено се изисква да достигне 8%~14%, а намалението на напречното сечение (Z) обикновено трябва да бъде над 40%~50%, за да се осигури достатъчен капацитет на пластична деформация и граница на безопасност. Накратко, за да се поддържа надеждност за дълго време при тежки условия, не е достатъчно да се съсредоточите само върху висока якост, здравината и пластичността са еднакво важни.

Живот на умора
В среда с чести вибрации или редуващи се натоварвания, болтовете с недостатъчна устойчивост на умора са склонни към пукнатини от умора в основата на резбата или концентрация на напрежение, което в крайна сметка води до счупване.

Устойчивост на корозия
За -болтове с висока якост, използвани в морското инженерство, нефтохимическото оборудване или във влажни среди, обикновено се изисква повърхностна обработка или добавяне на специални елементи от сплави като хром (Cr) и никел (Ni), за да се подобри устойчивостта на корозия.

1.3 Приложение на болтове с висока -якост
Болтовете с-висока якост имат характеристиките на висока{1}}носеща способност, добра издръжливост и дълъг експлоатационен живот.

Те често се използват в следните случаи:

• Големи стоманени конструкции: като мостове, тежки фабрики, кули на вятърни турбини и рамки на високи-етажни сгради
• Автомобилна и космическа индустрия: ключови връзки на двигатели, шасита и структурни компоненти на самолети
• Петролна, нефтохимическа, енергийна промишленост: съдове под налягане, фланцови връзки на тръбопроводи, клапани, оборудване за ядрена енергия
• Тежко оборудване и машини: минни машини, военно оборудване, корабостроене и други високо{0}}натоварващи компоненти

Заслужава да се отбележи, че "висока сила" не означава стремеж към най-висока сила. Ако проектът работи в среда с изключително ниска температура, в допълнение към здравината трябва внимателно да се вземе предвид устойчивостта на удар и съставът на материала на болтовете. Ако проектът е изложен на висока температура и корозивна среда, трябва да се изберат легирани стомани със съответната устойчивост на висока температура или устойчивост на корозия. Следователно, в етапа на подбор и доставка на болтове, работните условия и изискванията за механични характеристики на продукта трябва да бъдат цялостно оценени и "най-високата якост" не може да се преследва сляпо.

2. Високо{1}}здрави материали за болтове
Качеството на суровините е основата за определяне на качеството и производителността на болтовете. Болтовете с-висока якост обикновено използват легирани структурни стомани като 42CrMo, B7 и 40CrNiMo. Тези материали имат отлични механични свойства при висока температура, високо натоварване или ударно натоварване и могат също така да отговорят на изискванията за издръжливост при ниска температура или устойчивост на корозия в различна степен.

2.1 Общи видове стомана за болтове с висока-якост
Следват няколко типични класа стомана и съответните им международни/американски имена:

42CrMo (международно разпространен клас легирана стомана, съответстващ на състава на US ASTM B7):
Има висока якост и закаляемост, с якост на опън от обикновено 1100-1300MPa или по-висока, подходяща за производство на болтове с клас 10.9 или 12.9.

B7 (US ASTM A193 клас легирана стомана):
Съставът на B7 е подобен на 42CrMo, но съдържанието на молибден (Mo) е по-прецизно контролирано. B7 се използва главно в среда с висока температура и високо налягане, особено за фланцови връзки на нефтохимическо оборудване.

40CrNiMo (често използван в стандартите ASTM A320 L7 и др.):
Тази стомана проявява по-добра издръжливост при ниски-температури чрез добавяне на различни легиращи елементи и може да работи при температури от -40 градуса или дори по-ниски. Използва се по-широко в области, които изискват устойчивост на удар при ниска температура, като вятърна енергия и морско инженерство.

2.2 Разлики в производителността между различните видове стомана и причините за тях
Вземете 42CrMo и B7 като примери. И двете са средно въглеродно закалени и закалени стомани (съдържанието на въглерод обикновено е 0,38% ~ 0,45%) и двете съдържат определено количество хром (Cr) и молибден (Mo) с подобен общ диапазон на състава. Въпреки това, чрез прецизния контрол на микроелементите, особено разликата в съдържанието на молибден (Mo) и манган (Mn), материалите могат да покажат значителни разлики в производителността. Например:

Съдържание на молибден: Ако съдържанието на молибден в B7 е строго контролирано между 0,18 и 0,20%, докато съдържанието на молибден в 42CrMo е в долния край (0,15~0,17%), B7 има предимства в закаляването и структурната еднородност и по този начин се представя по-добре при тестове за ударна якост (като намаляване на сечението).

Съдържание на манган: Манганът може да подобри здравината и закаляването в определен диапазон, но прекомерният манган увеличава риска от крехкост при отпускане. Когато се комбинира с други елементи като молибден, "дефектите", причинени от манган, могат да бъдат частично облекчени, като по този начин се поддържа добра якост, като същевременно се гарантира здравина.

2.3 Ефект на всеки елемент върху свойствата на стоманата (таблица)
По-долу е дадена опростена таблица, която илюстрира ефекта на обичайните легиращи елементи върху общите свойства на стоманата:

В обобщение, изборът на материал за високо{0}}здравите болтове трябва да бъде тясно интегриран със средата на приложение. Когато се изисква висока якост и висока пластичност, съдържанието на елементи като молибден и никел трябва да се увеличи, а съдържанието на примеси като сяра и фосфор трябва да бъде строго контролирано. За стандартни среди на приложения, които се фокусират само върху висока якост, без да се взема предвид якостта, стомани като 42CrMo могат да отговорят на изискванията. Въпреки това, за да се вземе предвид както високата якост, така и устойчивостта на удар при ниска-температура, трябва да се даде приоритет на материали като 40CrNiMo или CrNiMo много{7}}елементни сплави.

3. Термична обработка на високоякостни болтове
Топлинната обработка е ключова стъпка, която влияе върху работата на болтовете. Чрез нагряване, запазване на топлината и охлаждане, вътрешната микроструктура на материала може да бъде променена и силата, пластичността и ударната якост могат да бъдат допълнително подобрени. В действителното производство болтовете с висока -якост обикновено се „темперират“ (закаляване + темпериране) и други обработки (например темпериране чрез дехидрогениране или повърхностна обработка) се извършват, ако е необходимо.

3.1 Процес на термична обработка на болтове с висока{1}}якост
Най-общо процесът на топлинна обработка на високоякостни болтове от легирана структурна стомана-е както следва:

Предварително загряване: Загрейте болтовете до около 600–700 градуса, за да освободите вътрешното напрежение и да намалите риска от напукване поради прекомерен температурен градиент.

Аустенитизация: Дръжте болтовете на 900 градуса или по-висока, за да трансформирате напълно ядрото и повърхността в аустенит и да разтворите елементите на сплавта в матрицата.

Закаляване: Бързо охладете болтовете до стайна температура или по-ниска (обикновено като използвате закаляване с масло или полимерно водно охлаждане), за да трансформирате микроструктурата главно в мартензит, значително подобрявайки твърдостта и якостта на опън.

Закаляване: Закалете болтовете при подходяща висока температура (напр. . 500-650 градуса), за да трансформирате постепенно прекомерната твърдост в по-пластична темперирана структура, за да предотвратите крехко счупване по време на употреба.

3.2 Процес на охлаждане
Основната част от закаляването включва аустенизация и бързо охлаждане. Висока{1}}якостните болтове изискват поне 90% от сърцевината да се трансформира в мартензит, за да отговарят на необходимите стандарти за якост и издръжливост. При действителното производство времето за нагряване и задържане трябва да се контролира според ефективния диаметър на болта, състава на материала и еднаквостта на температурата на пещта. Ако времето за нагряване е недостатъчно или скоростта на охлаждане е твърде бавна, сърцевината може да задържи перлит или други структури с ниска -якост, което води до лоши механични свойства.

3.3 Процес на темпериране
За високо{0}}здравите болтове е особено важно правилното-закаляване при висока температура (обикновено в диапазона 500-650 градуса). Основните функции на темперирането включват:

Облекчаване на термичния стрес: По време на процеса на бързо охлаждане на охлаждане, големият температурен градиент вътре в болта ще причини по-голямо вътрешно напрежение. Ако не се извърши темпериране, могат да се появят пукнатини при последваща употреба.

Стабилизиране на структурата и размера: Закаляването трансформира малко количество остатъчен аустенит в мартензит, преразпределя карбидните утайки вътре в мартензита по-равномерно, като по този начин подобрява якостта и стабилизира размера.

Намаляване на чупливостта: Мартензитът в състояние с висока-якост обикновено е чуплив; темперирането може да образува закален троостит или темпериран троостит, което осигурява по-добра издръжливост и пластичност.

3.4 Съображения за термична обработка
Еднаквост на температурата в пещта: Независимо дали използвате пещ с кутия или многофункционална пещ, температурата на всички нагревателни зони трябва да бъде еднаква, за да се осигури последователна микроструктурна трансформация в целия болт.

Контрол на въглеродния потенциал: За материали, които изискват карбуризация или задържане на въглерод, контролирането на въглеродния потенциал и показанията на сондата за кислород е от решаващо значение за предотвратяване на обезвъглеродяване или прекомерен въглерод.

Разпределение на твърдостта на повърхността и сърцевината: За големи болтове трябва да се обърне специално внимание на разликата в скоростите на охлаждане между сърцевината и повърхността. Недостатъчното охлаждане на сърцевината може да доведе до перлитна или бейнитна структура, което се отразява на общата якост.

Избягвайте водородна крехкост: По време на ецване, галванопластика или фосфатиране, водородните атоми могат да проникнат в метала и да причинят водородна крехкост. За да се реши този проблем, обикновено се извършва темпериране с дехидрогениране при 190-230 градуса след повърхностна обработка.

Ако искате да научите повече за термичната обработка, можете да гледате видеото в Metallurgical Data Channel.

4. Проверка на качеството и доставка на -болтове с висока якост
4.1 Тест за ефективност
Често срещани елементи за проверка на-болтове с висока якост са:

Тест за опън: измервайте якостта на опън, границата на провлачване, удължението, намаляването на напречното-сечение (Z стойност) и други показатели, за да проверите съответствието с ASTM A490, A354 и други стандарти.

Тест за твърдост: Твърдостта по Рокуел (HRC) или твърдостта по Бринел (HB) обикновено се използва за бързо оценяване на качеството на топлинна обработка.

Изпитване на удар: За болтове, които изискват издръжливост на удар при ниски-температури, като например болтове, използвани във вятърната енергия, морското инженерство или високо-студени зони, се изискват изпитвания на удар на Шарпи при -20 градуса, -40 градуса или дори по-ниски температури, за да се гарантира, че болтовете няма да се счупят при чупливост в студена среда.

Металографски анализ: наблюдавайте микроструктурата на напречното сечение на болта (проверете мартензит, бейнит, ферит, грапавост на зърната и т.н.), за да оцените качеството на термичната обработка и еднородността на материала.

Откриване на повърхностни дефекти: проверете за пукнатини, гънки, повърхностно обезвъглеродяване или други дефекти в резбата, главата или пръта.

Ако искате да научите повече за проверката на качеството на винтовете, можете да прочетете статията „Ръководство за целия процес на проверка на качеството на винтовете“.

4.2 Стандартизация и сертифициране
Международните сертификати или стандарти помагат на купувачите бързо да оценят надеждността и съответствието на продуктите. Общите сертификати и стандарти включват:

ISO 898-1 (Механични свойства на болтове)

ISO 6157 (Изисквания за проверка на повърхностни дефекти на крепежни елементи)

Специфични стандарти за различни среди на приложения като ASTM A193 / A320 / A354 / A490

Сертифициране на системата за качество ISO 9001

Производителите с тези сертификати и пълни системи за тестване обикновено имат зрели системи за управление на производството и контрол на качеството, за да осигурят последователност в доставката на партиди.

4.3 Препоръки за снабдяване с-болтове с висока якост
Изчистете средата на използване и изискванията: Изяснете средата на използване (температурен диапазон, корозивна среда, условия на ударно натоварване) преди закупуване и дайте приоритет на показателите за ефективност (като якост на опън, якост на удар).

Изберете надежден производител: Производството на високо{0}}здрави болтове изисква високо-качествени материали, оборудване и процеси. Препоръчително е да изберете производител с пълни производствени линии, строг контрол на качеството и професионална технология, за да намалите риска от по-късни етапи на инсталиране и поддръжка.

Преглед на материалите и докладите за процеса на топлинна обработка: Потвърдете с доставчиците марката на суровината, доклада за проверка на състава на материала, метода на топлинна обработка (температура на темпериране, охлаждаща среда и т.н.) и доклада от теста за ефективност, за да се гарантира консистенцията на партидните продукти.

Тестване и вземане на проби: За проекти с критични натоварвания или високи потенциални рискове, помислете за провеждане на тестове на малки партиди или произволни инспекции преди широкомащабна-поръчка, за да сведете до минимум потенциалните рискове.

Изисквания за персонализиране: Ако се изискват специални високо{0}}якостни болтове или болтове, използвани в специфични среди (като ниско-температурно въздействие под -40 градуса, висока температура или среда с висока корозия), можете да комуникирате с производителя, за да персонализирате състава на сплавта или плана за термична обработка, за да отговаря на действителните изисквания.