Подбор марки стали для изготовления рым-болта

Материаловедение
27.12.2018

(Всего голосов: 3)

Пользуясь марочником сталей и сплавов, выбрать марку стали для изготовления рым-болта, предназначенного для такелажных работ при монтаже конструкций и деталей различного веса. Производство рым-болтов масссовое.

Рис. 1. Рым-болт.

При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту домашнего задания: основные размеры рым-болта, предел текучести сердцевины σ0,2 (не менее), ударная вязкость KCU (не менее).

Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую обработку рым-болта, которая обеспечит его работоспособность в предлагаемых условиях.

Таблица 1

Исходные данные

Вариант

d, мм

d1, мм

d2, мм

σ0,2, МПа

KCU, Дж/см2

а

8

36

20

500

130

 

Особенности работы изделия при эксплуатации

Рым-болт представляет собой стержень с резьбой и головкой в виде кольца (проушины). Стержень полностью вкручивается в резьбовое отверстие груза или закладного элемента конструкции.

Рым-болты служат для зацепа груза крюками или стропами. Они надежно крепятся на теле перемещаемого груза посредством резьбового соединения. Рым-крепеж создает надежную точку захвата для безопасного подъема и перемещения массивных грузов, таких как станки, машины, механизмы, оборудование, различные металлоконструкции. Они отлично выдерживают динамические и вибрационные нагрузки, многократные циклы подъемов и нагружений.

Изготовление рым-болтов регламентируется стандартом DIN 580. Их размер определяется по диаметру резьбовой части (от М6 до М64). В зависимости от размера, резьбовые точки подъема способны выдерживать рабочие нагрузки от 70 кг до 16 т. Следует отметить, что прикладывать нагрузку допускается только в направлении оси болта.

Учитывая всю ответственность такелажных операций, к прочности и надежности рым-болтов предъявляются особые требования. Данные изделия производятся не менее чем с четырехкратным запасом прочности и обязательно проверяются на наличие трещин. Для изготовления рым-крепежа используется углеродистая оцинкованная сталь высокого качества или нержавеющая аустенитная сталь. Рым-гайки и рым-болты из нержавеющей стали отличаются высокой стойкостью к морской коррозии, кислотной среде и высоким температурам.

Предварительный выбор термообработки и стали

Из условия условный предел текучести σ0,2 > 500 МПа и ударная вязкость KCU >130 Дж/см2.

Известно, что наилучшее сочетание достаточного упрочнения и вязкости стали обеспечивает выполнение закалки с последующим высоким отпуском (применяемый термин – улучшение).

  Почему именно высокий отпуск?

Рым-болт должен обладать одинаково хорошей прочностью как снаружи, так и внутри, поэтому необходимо выбрать конструкционную улучшаемую сталь (углеродистую или легированную). Углеродистые стали обладают плохой прокаливаемостью (около 12-15 мм), а у нас диаметр D = d1 - d2 = 16 мм. Поэтому брать нужно легированную сталь.

Выбор марки стали

Про твердость ничего не сказано. Необходима высокая ударная вязкость KCU >130 Дж/см2, будем искать сталь с содержанием углерода примерно 0.3 – 0.5%, легирующие элементы до 5%, при этом ориентируясь на критический диаметр Dкр, который должен быть больше, чем D = 16 мм, т.к. термообработка будет предварительной (для последующей механической обработки и пластической деформации).

С использованием «Марочника сталей и сплавов» были проанализированы конструкционные улучшаемые легированные стали, отличающиеся концентрациями углерода и легирующих элементов, сопоставляли максимальную вязкость и уровень прокаливаемости этих сталей в масле.

Под данные критерии могут подойти стали 35ХН, 40ХН, 45ХН, а также 35Х, 40Х, 45Х, 50Х. Подбор начнем с них.

 

Таблица 2

Наиболее подходящие стали

Марка стали

KCU, Дж/см2

σ0,2, МПа

Dкр после закалки в масле, мм

40ХН

83

760

34 - 76

40Х

147

720

16 - 48

50Х

147

1180

27 - 58

 

Сталь 50Х обладает подходящими свойствами:

При температуре отпуска tотп = 5000C, KCU =147 Дж/см2.

Критический диаметр после закалки (в масле) Dкр = 27 – 58 мм, количество мартенсита – 50%.

Содержание углерода: 0.46 – 0.54%

 

Таблица 3

Химический состав стали 50Х (% по массе)

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

Cu

Fe

0.46-0.54

0.17-0.37

0.5-0.8

до 0.3

до 0.035

до 0.035

0.8-1.1

до 0.3

96

 

Разработка режима упрочняющей термической обработки, выбранной стали в соответствии с требованиями задания

Рым-болт должен обладать равновесной прочной мелкозернистой структурой. Получение таких свойств обеспечит отжиг. Для разработки упрочняющей термической обработки в качестве ориентиров нужны значения критических точек выбранной стали.

 

Таблица 4

Критические точки стали 50Х

AC1

AC3(ACm)

Ar3(Arcm)

Ar1

Mn

720

770

693

660

250

 

Доэвтектоидные стали (С < 0.8%) подвергают полной закалке, температуру нагрева под закалку определяют исходя из соотношения:

tнагрева = Ас3 + (30…50) °С

Для стали 50Х это соотношение даёт расчётную оптимальную температуру закалки 800…820 °С. В итоге получаем равновесную структуру с содержанием мартенсита 50% от общей массы.

Любая закаленная стальная деталь из-за быстрого охлаждения имеет высокий уровень закалочных (остаточных) напряжений. Это же касается и объёмной закалки рым-болта, учитывая явную разнотолщинность разных зон этого изделия. Поэтому отпуск должен проводиться сразу после закалки (не позднее 1-2 часов) во избежание коробления или растрескивания изделия.

 

Таблица 5

Механические свойства стали 50Х в зависимости от температуры отпуска

 

Температура отпуска, °С

σ0,2 (МПа)

σв(МПа)

δ510) (%)

ψ %

KCU (кДж / м2)

HB

 

Пруток диаметром 25 мм, Закалка 820°С, масло       

 

300 
400 
500 
600

1670 
1520
1270 
1030

1810 
1670
1420
1180

10
13 
17 
21

30
40 
52 
60 



-
-

520 
470 
400 
320 

 
 
 
 

Пруток диаметром 50 мм, Закалка 820°С, масло. После отпуска охлаждение в масле

 

400
500
600

1520
1180
540

1620
1270
850

(4)
(9)
(17)

30
50
61

49
147
-

-
-
-

 
 

 

Выбор температуры отпуска осуществляется исходя из исходных данных: необходима ударная вязкость KCU >130 Дж/см2 и условный предел текучести σ0,2 > 500 МПа. Под эти критерии подходит отпуск при температуре 500 °С, называемый высоким. Он позволит снять остаточные напряжения и получить заданные свойства изделия.

Таким образом, получаем закалку с высоким отпуском (улучшение).

Рис. 2. Схема упрочняющей термической обработки.

В соответствии с разработанной схемой упрочняющей термической обработки можно представить последовательность структурных превращений в стали 50Х на каждой её стадии.

 Исходное структурное состояние стали – феррит и перлит с преобладанием перлитной компоненты, т.к. сталь с повышенным содержанием углерода.

Объёмная закалка:

Нагрев – превращение протекает в две стадии:

Охлаждение в масле гарантирует бездиффузионный характер превращения аустенита и получение структуры мартенсита во всём объёме изделия.

Высокий отпуск при 500 °С – в процессе выдержки протекает распад мартенсита с образованием феррито-цементитной смеси (образуется сорбит отпуска) и полностью снимаются закалочные напряжения.

Заключение

Таким образом, в результате выполнения домашнего задания для изготовления рым-болта выбрана легированная сталь 50Х, разработан режим её упрочняющей термической обработки, гарантирующий получение заданных свойств: условный предел текучести σ0,2 > 500 МПа, ударная вязкость KCU > 130 Дж/см2.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Марочник сталей и сплавов /под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. Стр. 143, Стр. 227.
  2. Марочник сталей и сплавов /под ред. В.Г. Сорокина и др. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001. Стр. 124, Стр. 129.
  3. Марочник сталей и сплавов /под ред. А.С. Зубченко и др. - М.: Машиностроение, 2001. Стр. 189.
  4. Лекционные материалы.


Оставить комментарий