Perns-d'alta resistència: una anàlisi exhaustiva des dels materials fins al tractament tèrmic
Perns-d'alta resistència: una anàlisi exhaustiva des dels materials fins al tractament tèrmic
1 Introducció als-perns d'alta resistència
1.1 Normes-de cargols d'alta resistència
En el comerç internacional i els projectes a l'estranger, els cargols d'alta resistència-acostumen a seguir els estàndards principals següents per garantir que els seus materials, propietats mecàniques, tractament tèrmic, etc. compleixin els requisits tècnics necessaris:
ISO 898-1
Aquesta norma s'utilitza àmpliament a tot el món (especialment a Europa i altres projectes internacionals) i especifica les propietats mecàniques dels elements de subjecció d'acer al carboni i d'acer aliat, com ara la resistència a la tracció, el límit elàstic, la duresa, l'allargament i el coeficient de parell.
Els graus de resistència habituals a la norma ISO 898-1 són 8,8, 10,9 i 12,9, que són referències molt importants per a la producció i acceptació de cargols d'alta resistència.
ASTM A490
Aplicable als cargols estructurals d'acer aliat, la resistència a la tracció mínima sol ser necessària per arribar a 150ksi (uns 1034MPa).
Aquest tipus de cargol s'utilitza sovint en connexions d'estructures d'acer que requereixen una gran resistència, com ara ponts, edificis{0}}de gran alçada i maquinària gran.
ASTM A354
Aquesta norma requereix que els cargols tinguin excel·lents propietats mecàniques per utilitzar-los en entorns durs.
Sovint s'utilitza en projectes on els factors de seguretat i la durabilitat són crítics, com ara maquinària pesada i certs equips especials.
Aquests estàndards proposen requisits tècnics detallats per a la qualitat del material, les propietats mecàniques, el tractament tèrmic, etc. En comparació amb els cargols ordinaris de grau 4.6, grau 8.8 o grau 10.9, els perns d'alta resistència tenen graus de resistència més alts (com el grau 12.9) i requisits més estrictes per al control del procés i la selecció de materials per complir els requisits d'alta càrrega i factors de seguretat.
1.2 Requisits de rendiment dels-perns d'alta resistència
L'"alta resistència" dels cargols d'{0}}alta resistència no només es reflecteix en la resistència a la tracció, sinó també en els requisits complets de resistència elàstica, allargament, resistència a l'impacte i altres indicadors. En termes generals, entre els graus de perns d'alta resistència-comuns als Estats Units, la resistència a la tracció mínima dels cargols pot arribar a més de 1000 MPa, i alguns perns d'acer aliat fins i tot poden arribar al rang de 1200 ~ 1400 MPa. A més, per tal de garantir una connexió fiable en diversos entorns de treball, els cargols d'alta-resistència també haurien de tenir les característiques de rendiment següents:
Tenacitat i ductilitat
En entorns extrems o sota càrregues dinàmiques i d'impacte, la duresa i la ductilitat dels materials solen ser més importants que la resistència. Especialment per als cargols que necessiten treballar en entorns de baixa temperatura (com ara -20 graus o -40 graus), generalment es requereix que el valor d'impacte Charpy dels cargols d'alta resistència a la temperatura corresponent es mantingui almenys 27J ~ 40J per evitar fractures fràgils; en el camp de l'energia eòlica polar o marina, els requisits de prova es poden augmentar encara més fins a -50 graus o menys.
A més, per als cargols comuns de grau 10,9 o 12,9, l'allargament (A5) sol ser necessari per arribar al 8% ~ 14%, i la reducció de la secció transversal (Z) hauria d'estar per sobre del 40% ~ 50% per garantir una capacitat de deformació plàstica suficient i un marge de seguretat. En resum, per mantenir la fiabilitat durant molt de temps en condicions dures, no n'hi ha prou amb centrar-se només en l'alta resistència, la tenacitat i la ductilitat són igualment importants.
Vida de fatiga
En un entorn amb vibracions freqüents o càrregues alternes, els cargols amb una resistència insuficient a la fatiga són propensos a esquerdes per fatiga a l'arrel de la rosca o concentració d'esforços, que eventualment condueixen a la fractura.
Resistència a la corrosió
Per als cargols-d'alta resistència que s'utilitzen en enginyeria marina, equips petroquímics o entorns humits, normalment es requereix un tractament superficial o l'addició d'elements d'aliatge especials com el crom (Cr) i el níquel (Ni) per millorar la resistència a la corrosió.
1.3 Aplicació de-perns d'alta resistència
Els cargols d'alta -resistència tenen les característiques d'una gran capacitat de càrrega-, una bona tenacitat i una llarga vida útil.
Sovint s'utilitzen en les següents ocasions:
- Estructures d'acer grans: com ara ponts, fàbriques pesades, torres d'aerogeneradors i marcs d'edificis{0}}de gran alçada
- Indústries de l'automoció i aeroespacial: connexions clau de motors, xassís i components estructurals d'avions
- Indústries petrolieres, petroquímiques, energètiques: recipients a pressió, connexions de brides de canonades, vàlvules, equips d'energia nuclear
- Equipament i maquinària pesada: maquinària de mineria, equipament militar, construcció naval i altres components de càrrega elevada-
Val la pena assenyalar que "alta força" no significa la recerca de la força més alta. Si el projecte funciona en un entorn de temperatura extremadament baixa, a més de la resistència, s'ha de considerar acuradament la resistència a l'impacte i la composició del material dels cargols. Si el projecte està exposat a altes temperatures i mitjans corrosius, s'han de seleccionar acers aliats amb la corresponent resistència a alta temperatura o resistència a la corrosió. Per tant, en l'etapa de selecció i adquisició de cargols, les condicions de treball i els requisits de rendiment mecànic del producte s'han d'avaluar de manera exhaustiva i la "resistència màxima" no es pot perseguir a cegues.
2. Materials-de cargols d'alta resistència
La qualitat de les matèries primeres és la base per determinar la qualitat i el rendiment dels cargols. Els perns-d'alta resistència solen utilitzar acers estructurals d'aliatge com ara 42CrMo, B7 i 40CrNiMo. Aquests materials tenen excel·lents propietats mecàniques a alta temperatura, càrrega elevada o càrrega d'impacte, i també poden complir els requisits de tenacitat a baixa temperatura o resistència a la corrosió en diferents graus.
2.1 Qualitats d'acer habituals per a cargols-d'alta resistència
A continuació es mostren diversos graus d'acer típics i els seus corresponents noms internacionals/americans:
42CrMo (grau d'acer aliat comú internacionalment, corresponent a la composició ASTM B7 dels EUA):
Té una alta resistència i enduriment, amb una resistència a la tracció generalment de 1100-1300MPa o superior, adequada per a la fabricació de cargols de grau 10,9 o 12,9.
B7 (qualitat d'acer d'aliatge US ASTM A193):
La composició de B7 és similar a 42CrMo, però el contingut de molibdè (Mo) es controla amb més precisió. B7 s'utilitza principalment en entorns d'alta temperatura i alta pressió, especialment per a connexions de brida d'equips petroquímics.
40CrNiMo (utilitzat habitualment a les normes ASTM A320 L7, etc.):
Aquest acer presenta una millor resistència a l'impacte a baixa-temperatura afegint una varietat d'elements d'aliatge i pot funcionar a temperatures de -40 graus o fins i tot inferiors. S'utilitza més àmpliament en camps que requereixen resistència a l'impacte a baixa temperatura, com l'energia eòlica i l'enginyeria marina.
2.2 Diferències de rendiment entre diferents graus d'acer i les seves causes
Preneu com a exemple 42CrMo i B7. Tots dos són acers temperats i temperats amb carboni mitjà (el contingut de carboni és generalment del 0,38% ~ 0,45%), i tots dos contenen una certa quantitat de crom (Cr) i molibdè (Mo), amb un rang de composició general similar. Tanmateix, mitjançant el control precís dels oligoelements, especialment la diferència de contingut de molibdè (Mo) i manganès (Mn), els materials poden mostrar diferències de rendiment importants. Per exemple:
Contingut de molibdè: si el contingut de molibdè de B7 es controla estrictament entre el 0,18 i el 0,20%, mentre que el contingut de molibdè de 42CrMo es troba a l'extrem inferior (0,15 ~ 0,17%), B7 té avantatges en enduribilitat i uniformitat estructural i, per tant, funciona millor en proves de reducció d'impacte (com ara la reducció de la secció).
Contingut de manganès: el manganès pot millorar la resistència i l'enduribilitat dins d'un cert rang, però l'excés de manganès augmenta el risc de fragilitat del tremp. Quan es combina amb altres elements com el molibdè, els "defectes" causats pel manganès es poden alleujar parcialment, mantenint així una bona tenacitat alhora que garanteix la resistència.
2.3 Efecte de cada element sobre les propietats de l'acer (taula)
A continuació es mostra una taula simplificada que il·lustra l'efecte dels elements d'aliatge comuns sobre les propietats generals de l'acer:
| Element | Rol principal | Efecte sobre el rendiment-del cargol d'alta resistència |
| C (carboni) | Augmenta la força, la duresa, disminueix la plasticitat i la duresa | Un contingut excessiu de carboni augmenta la fragilitat, mentre que un contingut moderat de carboni ajuda a aconseguir els nivells de resistència desitjats |
| Cr (crom) | Millora la resistència al desgast, la resistència a la corrosió i l'enduribilitat | Un contingut més alt de crom millora l'estabilitat del cargol en entorns d'alta-temperatura i corrosius |
| Mo (molibdè) | Millora l'enduribilitat, la fragilitat anti-tempera i la resistència a la-alta temperatura | Ajuda a refinar els grans i millora la tenacitat a l'impacte a baixa -temperatura i la resistència al desgast, crucial en els acers B7 |
| Mn (manganès) | Millora la tempabilitat, la força i la resistència al desgast; un contingut excessiu pot provocar el creixement del gra i la fragilitat del temperament | Necessita equilibrar-se amb altres elements per millorar les propietats mecàniques i evitar l'augment de la fragilitat |
| Ni (níquel) | Millora la tenacitat a baixa-temperatura i la resistència a la corrosió, augmenta la resistència | Particularment beneficiós en entorns de baixa-temperatura com l'energia eòlica i l'enginyeria marina, millorant la resistència a l'impacte |
| V (vanadi) | Refina l'estructura del gra, augmenta la força i la duresa | Quan s'utilitza en quantitats adequades, pot millorar la vida a la fatiga, l'ús excessiu pot dificultar el processament |
En resum, la selecció del material dels cargols-d'alta resistència s'ha d'integrar estretament amb l'entorn de l'aplicació. Quan es requereix una gran duresa i una alta ductilitat, s'ha d'augmentar el contingut d'elements com el molibdè i el níquel, i el contingut d'impureses com el sofre i el fòsfor s'ha de controlar estrictament. Per als entorns d'aplicació estàndard que només se centren en l'alta resistència sense tenir en compte la duresa, els acers com el 42CrMo poden complir els requisits. Tanmateix, per tenir en compte tant la resistència a l'impacte d'alta resistència com la de baixa-temperatura, s'ha de donar prioritat a materials com els sistemes d'aliatge multi-CrNiMo 40CrNiMo o CrNiMo.
3. Tractament tèrmic de cargols-d'alta resistència
El tractament tèrmic és un pas clau que afecta el rendiment dels cargols. Mitjançant l'escalfament, la conservació de la calor i el refredament, es pot canviar la microestructura interna del material i es pot millorar encara més la resistència, la ductilitat i la resistència a l'impacte. En la producció real, els-perns d'alta resistència solen ser "trempats" (tremp + tremp) i altres tractaments (per exemple, tremp per deshidrogenació o tractament superficial) es realitzen segons sigui necessari.
3.1 Procés de tractament tèrmic de cargols-d'alta resistència
En general, el procés de tractament tèrmic dels cargols d'alta -resistencia d'acer estructural d'aliatge és el següent:
Preescalfament: escalfeu els cargols a uns 600-700 graus per alliberar l'estrès intern i reduir el risc d'esquerdes a causa d'un gradient de temperatura excessiu.
Austenitització: Mantingueu els cargols a 900 graus o més per transformar completament el nucli i la superfície en austenita i dissoldre els elements d'aliatge a la matriu.
Temprament: refredar ràpidament els cargols a temperatura ambient o inferior (normalment utilitzant extinció d'oli o refrigeració per aigua de polímer) per transformar la microestructura principalment en martensita, millorant significativament la duresa i la resistència a la tracció.
Tremp: tempereu els cargols a una temperatura alta adequada (per exemple, . 500-650 grau) per transformar gradualment la duresa excessiva en una estructura temperada més dúctil per evitar fractures fràgils durant l'ús.
3.2 Procés d'extinció
La part bàsica de l'extinció inclou l'austenitització i el refredament ràpid. Els perns-d'alta resistència requereixen almenys el 90% del nucli per transformar-se en martensita per complir els estàndards de resistència i tenacitat requerits. En la producció real, el temps d'escalfament i manteniment s'ha de controlar segons el diàmetre efectiu del cargol, la composició del material i la uniformitat de la temperatura del forn. Si el temps d'escalfament és insuficient o la velocitat de refredament és massa lenta, el nucli pot retenir perlita o altres estructures de baixa -resistència, donant lloc a propietats mecàniques deficients.
3.3 Procés de temperat
Per a cargols d'-alta resistència, és especialment important un tremp adequat a alta-temperatura (normalment entre 500 i 650 graus). Les funcions principals del temperat inclouen:
Alleujar l'estrès tèrmic: durant el procés de refredament ràpid de l'extinció, el gran gradient de temperatura dins del cargol provocarà una tensió interna més elevada. Si no es realitza el tremp, es poden produir esquerdes durant l'ús posterior.
Estabilitzar l'estructura i la mida: el tremp transforma una petita quantitat d'austenita residual en martensita, redistribueix els precipitats de carbur dins de la martensita de manera més uniforme, millorant així la tenacitat i estabilitzant la mida.
Redueix la fragilitat: la martensita en condicions d'{0}}alta resistència sol ser trencadissa; el tremp pot formar troostita temperada o troostita temperada, que proporciona una millor duresa i ductilitat.
3.4 Consideracions sobre el tractament tèrmic
Uniformitat de la temperatura del forn: tant si s'utilitza un forn de caixa com un forn polivalent-, la temperatura de totes les zones de calefacció ha de ser uniforme per garantir una transformació microestructural coherent a tot el cargol.
Control del potencial de carboni: per als materials que requereixen carburització o retenció de carboni, el control del potencial de carboni i les lectures de la sonda d'oxigen és fonamental per evitar la descarburació o l'excés de carboni.
Distribució de la duresa de la superfície i del nucli: per a cargols grans, s'ha de prestar especial atenció a la diferència de velocitats de refrigeració entre el nucli i la superfície. Un refredament insuficient del nucli pot donar lloc a una estructura de perlita o bainita, que afecta la resistència general.
Eviteu la fragilització de l'hidrogen: durant el decapat, la galvanoplastia o la fosfatació, els àtoms d'hidrogen poden penetrar en el metall i provocar la fragilitat de l'hidrogen. Per solucionar aquest problema, el temperat per deshidrogenació a 190-230 graus es realitza normalment després del tractament superficial.
Si voleu saber més sobre el tractament tèrmic, podeu veure el vídeo al Canal de dades metal·lúrgiques.
4. Inspecció de qualitat i adquisició de-perns d'alta resistència
4.1 Prova de rendiment
Els elements d'inspecció habituals per a cargols-d'alta resistència són:
Prova de tracció: mesura la resistència a la tracció, el límit elàstic, l'allargament, la -reducció de la secció transversal (valor Z) i altres indicadors per verificar el compliment de l'ASTM A490, A354 i altres estàndards.
Prova de duresa: normalment s'utilitza la duresa Rockwell (HRC) o la duresa Brinell (HB) per avaluar ràpidament la qualitat del tractament tèrmic.
Prova d'impacte: per als cargols que requereixen una resistència a l'impacte a baixa-temperatura, com ara els perns utilitzats en l'energia eòlica, l'enginyeria marina o les zones fredes-, es requereixen proves d'impacte Charpy a temperatures de -20 graus, -40 graus o fins i tot inferiors per garantir que els cargols no es trenquin en entorns freds.
Anàlisi metal·logràfica: observar la microestructura de la secció transversal del cargol (comprovar martensita, bainita, ferrita, rugositat del gra, etc.) per avaluar la qualitat del tractament tèrmic i la uniformitat del material.
Detecció de defectes superficials: comproveu si hi ha esquerdes, plecs, descarburació superficial o altres defectes en la rosca, el cap o la vareta.
Si voleu obtenir més informació sobre la inspecció de qualitat del cargol, podeu llegir l'article "Guia de tot el procés d'inspecció de qualitat del cargol".
4.2 Normalització i Certificació
Les certificacions o estàndards internacionals ajuden els compradors a avaluar ràpidament la fiabilitat i el compliment dels productes. Les certificacions i estàndards comuns inclouen:
ISO 898-1 (Propietats mecàniques dels cargols)
ISO 6157 (Requisits per a la inspecció de defectes superficials dels elements de subjecció)
Estàndards específics per a diferents entorns d'aplicació com ASTM A193 / A320 / A354 / A490
Certificació del sistema de qualitat ISO 9001
Els fabricants amb aquestes certificacions i sistemes de prova complets solen tenir sistemes madurs de gestió de la producció i control de qualitat per garantir la coherència en el subministrament per lots.
4.3 Recomanacions d'adquisició per a cargols-alta resistència
Netegeu l'entorn i els requisits d'ús: aclareu l'entorn d'ús (interval de temperatura, entorn corrosiu, condicions de càrrega d'impacte) abans de comprar i doneu prioritat als indicadors de rendiment (com ara la resistència a la tracció, la resistència a l'impacte).
Trieu un fabricant fiable: la producció de cargols-d'alta resistència requereix materials, equips i processos d'alta-qualitat. Es recomana triar un fabricant amb línies de producció completes, un estricte control de qualitat i tecnologia professional per reduir el risc d'etapes posteriors d'instal·lació i manteniment.
Reviseu els informes de materials i processos de tractament tèrmic: confirmeu amb els proveïdors la marca de la matèria primera, l'informe d'inspecció de la composició del material, el mètode de tractament tèrmic (temperatura de temperat, medi d'extinció, etc.) i l'informe de prova de rendiment per garantir la consistència dels productes per lots.
Proves i mostreig: per a projectes amb càrregues crítiques o riscos potencials elevats, considereu la possibilitat de realitzar proves per lots petits o inspeccions aleatòries abans de la compra a gran-escala per minimitzar els riscos potencials.
Requisits de personalització: si es requereixen cargols especials-d'alta resistència o cargols que s'utilitzen en entorns específics (com ara un impacte de baixa-temperatura per sota de -40 graus, alta temperatura o ambient d'alta corrosió), podeu comunicar-vos amb el fabricant per personalitzar la composició de l'aliatge o el pla de tractament tèrmic per satisfer els requisits reals.
