Подбор марки стали для изготовления рым-болта

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 σ_0,2 (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 σ_0,2 > 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).

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 D_кр, 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 t_отп = 500⁰C, KCU =147 Дж/см².

Критический диаметр после закалки (в масле) D_кр = 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:

t_{нагрева} = А_с3 + (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)	δ5(δ10) (%)	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 σ_0,2 > 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:

• при переходе стали через Ас₁ перлит превращается в аустенит;
• при переходе стали через Ас₃ завершается превращение смеси феррита и аустенита в аустенит, химический состав которого при выдержке становится однородным и соответствует содержанию элементов в стали.

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 σ_0,2 > 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.