УПРОЧНЯЕМАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ПОДЪЕМНЫХ, КРЕПЕЖНЫХ, ЗАЖИМНЫХ И/ИЛИ СВЯЗЫВАЮЩИХ СРЕДСТВ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, КОМПОНЕНТ ДЛЯ ТЕХНИКИ ПОДЪЕМА, КРЕПЛЕНИЯ, ЗАЖИМА И/ИЛИ СВЯЗЫВАНИЯ, СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
HARDENABLE STEEL FOR HOISTING, FASTENING, CLAMPING AND/OR BINDING MEANS AND CONNECTORS, COMPONENT FOR HOISTING, FASTENING, CLAMPING AND/OR BINDING FACILITIES, CONNECTOR AND METHOD OF ITS FABRICATION

Изобретение относится к упрочняемой стали для подъемных, крепежных ,зажимных и/или связывающих средств с уровнем качества 8 и выше. В частности, изобретение относится к использованию указанной стали для подъемных, крепежных, зажимных и/или связывающих средств, в особенности для цепей и звеньев цепи, и для соединительных элементов, например болтов. Далее, изобретение относится к соединительному элементу типа болта и компоненту для техники подъема, крепления, зажима и/или связывания, выполненному из указанной стали. Кроме того, изобретение относится к способу производства такого соединительного элемента, в особенности к обработке стали в процессе формования цепи и в процессе закалки.
Уже известно множество вариантов химического состава стали, которые используются для подъемных, крепежных, зажимных и/или связывающих средств. При высоких требованиях к технике безопасности подъемные, крепежные, зажимные и/или связывающие средства должны поднимать или связывать тяжелые грузы или должны обеспечить связывание или закрепление для подъемных, крепежных, зажимных и/или связывающих средств на погрузочных или крепежных устройствах.
В зависимости от их механической упругости подъемные, крепежные, зажимные и/или связывающие средства разделяются на различные классы или уровни качества. Классы или уровни качества в большинстве своем стандартизированы, например в виде уровня качества 8 согласно ISO 3076, 3077 или немецкому DIN-EN 818-2, 818-7, и уровня качества 10 согласно PAS 1061.
Чем выше уровень качества, тем больше грузы, которые могут переноситься подъемными, крепежными, зажимными и/или связывающими средствами с одинаковым поперечным сечением. Поэтому подъемные, крепежные, зажимные и/или связывающие средства, обладающие более высоким уровнем качества, могут при одинаковом весе переносить более тяжелый груз, чем подъемные, крепежные, зажимные и/или связывающие средства с более низким уровнем качества, и поэтому с ними легче обращаться в процессе работы.
Например, стальная цепь с уровнем качества 8, обладающая ⌀ 16 мм × 48 мм, должна иметь минимальную силу разрыва (BF), равную 320 килоньютон, соответствующая цепь с уровнем качества 10 должна иметь минимальную силу разрыва, равную по меньшей мере 400 килоньютон. То же самое относится к классификации на «марку 8» и «марку 10» согласно стандартам США.
Для таких конструкционных элементов с уровнем качества 8 и выше ранее применялись стали, содержащие никель. Например, в заявке US 2007/0107808 А1 описана такая сталь. Однако из-за дороговизны никеля разумным с точки зрения экономики является отказ от использования никеля или снижение содержания никеля. В свете требований к механическим свойствам, определенных по уровням качества, в отношении стойкости к отпуску и низкотемпературной пластичности отказ от никеля не является беспроблемным. Так, никель считается особенно важным для сталей, предназначенных для подъемных, крепежных, зажимных и/или связывающих средств, поскольку энергия разрушения образца с надрезом из легированной никелем стали (содержание Ni>0,8 весовых %) достаточно высока, и прочность лишь немного уменьшается из-за повреждений поверхности, подобных надрезам, возникающим при сложных условиях эксплуатации.
Отожженный соединительный элемент известен, например, из DE 10 2008 041 391 А1. Этот болт обеспечивает свою высокую прочность за счет бейнитной структуры. Недостатком является то, что такая микроструктура может быть сформирована только за счет точно контролируемого охлаждения и изотермических процессов превращения. DE 28 17 628 С2 относится к стальным сплавам, обладающим бейнитной структурой.
Другие высокопрочные болты известны, например, из ЕР 1728883.
Эти известные соединительные элементы обладают высокой прочностью, однако при низкой температуре они являются очень хрупкими. Поэтому они не пригодны для использования в условиях низких температур, например на открытом воздухе в горах, зимой и в полярных районах.
Целью изобретения является предложение стали с химическим составом, имеющим низкое содержание никеля или не содержащим никеля, соответствующей требованиям уровня качества 8 или более высокого уровня в отношении механических свойств. В особенности предлагается сталь с высокой энергией разрушения образца с надрезом при низкой температуре, например -40°С, и при высокой температуре, например +400°С, и в то же время достаточной прочностью, так же как стойкостью к отпуску. Поскольку компоненты для техники подъема, крепления, зажима и/или связывания обладают поверхностями, подвергающимися износу, сталь должна также быть упрочняемой. Кроме того, она должна быть ковкой для того, чтобы давать возможность экономически эффективно производить особенно упругие конструкционные элементы.
Дальнейшей целью изобретения является улучшение соединительного элемента, упомянутого выше, так, чтобы при высокой упругости, т.е. при высокой прочности на разрыв, при низких температурах не возникает никакого хрупкого разрушения.
Этой цели достигают посредством низколегированной сталью согласно настоящему изобретению, имеющей приведенный ниже химический состав, выраженный в весовых процентах:
углерод: от 0,17 до 0,25, предпочтительно от 0,20 до 0,23;
никель: от 0,00 до 0,25, предпочтительно от 0,00 до 0,15 или 0,10;
молибден: от 0,15 до 0,60, предпочтительно от 0,30 до 0,50;
ниобий: от 0,01 до 0,08, и/или титан: от 0,005 до 0,1, и/или ванадий ≤ 0,16, когда содержание ниобия может предпочтительно составлять от 0,01 до 0,06;
алюминий: от 0 до 0,050, предпочтительно от 0,020 до 0,040;
хром: от 0,01 до 0,50, предпочтительно от 0,20 до 0,40;
кремний: от 0,1 до 0,3, предпочтительно от 0,1 до 0,25;
марганец: от 1,40 до 1,60;
фосфор: меньше 0,015;
сера: меньше 0,015;
медь: меньше 0,20;
азот: от 0,006 до 0,014;
остальное приходится на долю железа и неизбежных примесей.
m
Данная сталь обеспечивает получение в цепях механических свойств по уровню качества 8 и выше, в особенности по уровню качества 8 и 10 в отношении прочности на разрыв и энергии разрушения образца с надрезом. Так, опыты, выполненные автором, показали, что компонент диаметром 16 мм, который выдерживался при температуре приблизительно 880°С в течение приблизительно получаса, закаливался и затем выдерживался при температуре приблизительно 450°С в течение приблизительно получаса, при испытании на растяжение обладал значениями R (предел прочности на разрыв) несколько выше 1200 МПа, А5 около 14% (удлинение при разрыве) и Z около 65% (сокращение площади). Компонент имеет энергию разрушения образца с надрезом около 140 Джоулей при комнатной температуре.
Соединительный элемент, выполненный из этой стали, обладает очень высокой прочностью и в то же время обладает чрезвычайно высокой пластичностью при низкой температуре, обеспечивая таким образом высокую безопасность даже при повреждениях при очень низких температурах.
Известные болты самых высоких классов прочности 14.8, 15.8 и/или 16.8 даже при комнатной температуре в большинстве случаев демонстрируют низкую пластичность. Поэтому неизбежно при низких температурах, которые ниже температуры замерзания, они имеют тенденцию демонстрировать хрупкое разрушение. Такая тенденция к разрушению недопустима в ряде областей применения, в особенности в случае болтов для крепежных, подъемных и связывающих средств, поскольку они применяются при очень экстремальных климатических условиях, например на судах в полярном регионе или при перевозке товаров в гористых районах. Небольшие повреждения могут при этом привести к немедленному разрушению соединительного элемента. Такой риск значительно уменьшается при использовании соединительного элемента согласно настоящему изобретению.
Сталь может также использоваться для компонентов техники крепления, подъема и связывания, в особенности звеньев цепей, а также компонентов техники соединения, то есть соединительных элементов. Это выглядит не вполне очевидным, поскольку соответствующие стандарты на соединительные элементы, например ISO 898, требуют, чтобы содержание углерода составляло по меньшей мере 0,28 весовых процентов, а нагрузка на звенья цепи и соединительные элементы, в особенности болты, была различной.
Благодаря низкому потреблению никеля или соответственно полному отказу от использования никеля сталь по настоящему изобретению является экономически эффективной.
Сталь согласно изобретению особенно подходит для использования в компонентах и рабочих деталях, которые, с одной стороны, должны обладать высокой прочностью на разрыв и в то же время подвергаются резким сильным механическим воздействиям типа толчков и ударных воздействий, в особенности при возникновении эксплуатационных надрезов. Они находятся, в частности, в уже упомянутых подъемных, крепежных, зажимных и/или связывающих средствах типа, например, стальных цепей или профильных цепей, цепных ключей, точек останова, крюков и подобного, так же, как в особенности элементов, преобразующих движущую силу в передающих системах и конвейерный установках. Эти деформации компенсируются высокими значениями пластичности.
Стальная цепь размерами ⌀ 16 мм × 48 мм, согласно, например, собственным опытам, обладает прочностью на разрыв в 320 килоньютонов, требующейся для уровня качества 8 даже после отпуска при температуре до 550°С в течение одного часа. Опыты, выполненные автором при температуре 400, 450, 500 и 550°С, подтвердили это. Данная сталь обозначается как 20MnMoCrNb6-4.
В уровне техники известна сталь для сосудов высокого давления 18MnMo4-5(EN 10028-2). Она относится к крупнозернистой, жаропрочной стали, которая используется в области, полностью отличающейся от подъемных, крепежных, зажимных и/или связывающих средств, и которая не отвечает требованиям уровня качества 8 и выше. Благодаря требуемому профилю свойств и крупности зерна при высокой пластичности достижимой является только низкая прочность на разрыв.
В частности, компонент, изготовленный из данной стали, может быть обработан на различных участках, например путем отпуска, так, что в этих различных участках наблюдаются различные твердость, пластичность и энергия разрушения образца с надрезом.
Далее представлены некоторые предпочтительные варианты реализации изобретения. Дополнительные признаки этих вариантов реализации могут применяться каждый по отдельности или совместно с признаками других вариантов реализации в произвольных сочетаниях.
В первом предпочтительном варианте реализации содержание никеля в весовых процентах составляет меньше 0,15, или 0,10%. Поскольку никель является очень дорогостоящим, желательно поддерживать содержание никеля в стали на как можно более низком уровне. За счет доведения его содержания до 0,10% или меньше можно, таким образом, на основании остающегося состава сплава дополнительно снизить затраты. Можно, в частности, получить сталь, которая, без учета примесей, не содержит никакого никеля. Такая не содержащая никеля сталь дополнительно обеспечивает экономию в части дополнительной рабочей операции добавления никеля.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации содержание углерода в весовых процентах составляет от 0,20 до 0,23%. Благодаря более высокому содержанию углерода сталь становится тверже, однако при повышении содержания углерода снижается пластичность. Поэтому предпочтительный диапазон содержания углерода ограничивается представленным диапазоном.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения содержание углерода в весовых процентах составляет от 0,30 до 0,50%. Этот диапазон является особенно предпочтительным для получения нужной стойкости к отпуску при низких затратах.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения содержание ниобия в весовых процентах составляет от 0,01 до 0,06%.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения содержание алюминия в весовых процентах составляет по меньшей мере 0,020% и/или не больше чем 0,040%.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения содержание хрома в весовых процентах составляет от 0,20 до 0,40%. Хром повышает прочность на разрыв, однако он уменьшает ударную вязкость образца с надрезом. Во всем диапазоне эти два эффекта хорошо сбалансированы.
Предпочтительно содержание углерода в весовых процентах составляет от 0,1 до 0,25.
Особенно предпочтительным является, если сумма удвоенного содержания никеля или ниобия, приблизительно увеличенного в 1,6 раза содержания титана и/или одинарного содержания ванадия составляет не больше чем приблизительно 0,16% (каждое в весовых процентах).
В особенно выгодном варианте реализации сталь, имеющая химический состав согласно настоящему изобретению, является чрезвычайно мелкозернистой при размерах зерна меньше чем 7. Мелкозернистая сталь имеет более высокую низкотемпературную пластичность вместе с высокой прочностью на разрыв. Предпочтительно настоящая сталь и, соответственно, настоящий компонент имеют размеры зерна от 9 до 10.
В другом выгодном варианте реализации относительно производства компонента из стали согласно настоящему изобретению это производство может содержать повторяющиеся операции закалки и/или отпуска.
2
2
В другом выгодном варианте реализации настоящей стали подъемные, крепежные, зажимные и/или связывающие средства, изготовленные из указанной стали, обладают прочностью на разрыв, равной по меньшей мере 800 Н/мм, более предпочтительно по меньшей мере 1200 Н/мм при пластичности, требующейся для цепей при соответствующих уровнях качества. За счет применения более низкой низкотемпературной пластичности, например в случае, если сталь используется только при более высоких температурах, в настоящей стали могут быть достигнуты более высокие значения прочности на разрыв.
В другом выгодном варианте реализации сталь или компонент, изготовленный из стали, обладает твердостью от 400 до 450 HV30.
В другом выгодном варианте реализации сталь или, соответственно, компонент, изготовленный из нее, имеют на различных участках разницу по твердости, составляющую от 80 до 120 HV30.
В особенно выгодном варианте реализации сталь или компонент, изготовленный из стали, по существу сохраняет свою твердость при температуре 380°С, лучше при 400°С и еще лучше при 410°С в течение 1 часа.
Сталь или, соответственно, компонент, выполненный из указанной стали, обладает в предпочтительном варианте реализации энергией разрушения образца с надрезом, равной по меньшей мере 30 Джоулям, предпочтительно по меньшей мере 45 Джоулям, более предпочтительно от приблизительно 120 до 140 Джоулей при температуре -40°С. Эта низкотемпературная пластичность гарантирует, что компонент обеспечивает достаточную безопасность даже в холодной среде. При температуре -50°С энергия разрушения образца с надрезом равняется по меньшей мере 50 Джоулям.
В особенно выгодном варианте реализации способа компонент, например звено цепи, выполненное из данной стали, подвергается различной обработке на различных участках. В частности, закаленный компонент может подвергаться обработке на различных участках при различной температуре отпуска. Например, звено цепи может подвергаться обработке на участке своего плеча 3 при иной температуре, чем на участке изгиба 2 (см. фиг.  1). С помощью такого способа получаются участки, обладающие различной степенью твердости и пластичности. Более твердые участки образуют поверхности износа, в то время как менее твердые, но более пластичные участки обладают особенно высокой устойчивостью к разрушению в процессе эксплуатации.
В особенно выгодном варианте реализации способа производства компонента, в особенности звена цепи, звено цепи обрабатывают так, что оно имеет по меньшей мере один участок с твердостью от приблизительно 400 до 450 HV30, и по меньшей мере один другой участок с твердостью от приблизительно 365 до 390 HV30, и в то же время соответствует требованиям уровня качества 8 относительно силы разрыва и удлинения при разрыве. Участки, обладающие различными свойствами, предпочтительно соединяются, то есть они сцепляются один с другим.
Согласно другому выгодному варианту реализации разница в твердости между двумя различными участками настоящего компонента может составлять приблизительно от 90 до 110 HV30. Цепь, состоящая из таких звеньев цепи, имеет особенно выгодные свойства. На участках, подверженных повышенным фрикционным и/или ударным нагрузкам, например на изгибах, цепь может демонстрировать повышенную твердость. На участках, которые в основном подвержены в процессе эксплуатации механическому растягивающему напряжению или изгибающему напряжению, например на плечах, звено цепи может демонстрировать повышенную устойчивость к разрушению даже при неблагоприятных условиях.
В особенно выгодном варианте реализации звено цепи обладает твердостью от приблизительно 430 до 470 HV30 на одном участке и твердостью от приблизительно 380 до 395 HV30 на другом участке и в то же время соответствует требованиям уровня качества 10.
Сталь особенно подходит для использования в компоненте для техники подъема, крепления, зажима и/или связывания, в особенности в цепи или звене цепи и/или в соединительном элементе, например в болте.
Обработка настоящей стали процессом наклепа и упрочнения при производстве соединительного элемента и/или компонента, обладающего упомянутыми свойствами, является особенно удобной.
2
Согласно другому выгодному варианту реализации настоящий соединительный элемент может содержать реечный мартенсит, имеющий в своей структуре стрельчатые ячейки. Реечный мартенсит обеспечивает высокую прочность и, в отличие от других видов мартенсита, таких как смешанный мартенсит или пластинчатый мартенсит, не влияет на низкотемпературную пластичность. Реечный мартенсит формируется в ходе закалки и отпуска в форме резкого охлаждения с температуры, превышающей точку АС3 при последующих температурах отпуска, которые остаются ниже температуры, при превышении которой разлагается ε-карбид (переходный карбид FeC). Поэтому желательно, чтобы при производстве соединительного элемента температура отпуска были ниже температуры разложения ε-карбида.
В разрезе соединительного элемента доля площади, занятая реечным мартенситом, может составить по меньшей мере 85%, предпочтительно по меньшей мере 90%. Вряд ли возможно добиться, чтобы доля площади в разрезе, занятая реечным мартенситом, превышала 98%, так что это значение рассматривается как верхний предел содержания реечного мартенсита.
Температура отпуска в ходе закалки и отпуска соединительного элемента может составлять от 180°С до 220°С, предпочтительно порядка или в точности 200°С. При всех этих температурах отпуска достигаются особенно выгодные сочетания высокой низкотемпературной пластичности при высокой прочности на разрыв.
Соединительный элемент может содержать участки, подвергнутые холодной обработке, например один или больше профилированных или катаных участков с резьбой. Предпочтительно холодную обработку выполняют до закалки и отпуска.
На основании упомянутого стального сплава, по сравнению с известными соединительными элементами настоящий соединительный элемент отличается особыми сочетаниями механических параметров, которые можно регулировать по существу с помощью температуры отпуска. Это обеспечивается при применении к настоящему стальному сплаву температур отпуска, достигающих максимум 250°С, когда чем выше температура отпуска, тем ниже достижимая прочность на разрыв и выше низкотемпературная пластичность. Далее энергия разрушения образца с надрезом KV используется как показатель низкотемпературной пластичности, который определяется, например, при ударном испытании образца с V-образным надрезом согласно ISO 148-1.
m
2
2
Согласно выгодному варианту реализации при температуре -40°С энергия разрушения образца с надрезом KV составляет по меньшей мере 55 Джоулей при прочности на разрыв R, равной по меньшей 1400 Н/мм. Верхний предел энергии разрушения образца с надрезом KV при температуре -40°С и прочности на разрыв, равной по меньшей мере 1400 Н/мм, может составлять по меньшей мере 70 Джоулей.
2
Энергия разрушения образца с надрезом KV даже при более низкой температуре, в особенности -60°С и при по меньшей мере 1400 Н/мм, может составлять по меньшей мере 45 Джоулей. Верхний предел энергии разрушения образца с надрезом KV при температуре -60°С может составлять 60 Джоулей.
m
2
При энергии разрушения образца с надрезом KV, равной по меньшей мере 55 Дж при температуре -40°С, и предпочтительно не больше 70 Дж при -40°С, прочность на разрыв R может предпочтительно составлять от 1500 до 1600 Н/мм.
Настоящий соединительный элемент может обладать твердостью от 450 до 480 HV30.
Соединительный элемент предпочтительно имеет мелкозернистую микроструктуру с размером зерна 9 или мельче. Размер зерна может предпочтительно равняться 10. Размер зерна может определяться, например, согласно ASTME E 112.
Согласно наиболее предпочтительному варианту реализации соединительный элемент предпочтительно изготавливают из стали 20MnMoCrNb6-4.
Для того, чтобы гарантировать показатели достаточной твердости, в одном варианте реализации диаметр настоящего соединительного элемента составляет в большинстве случаев от 20 до 25 мм, соответствуя больше всего диаметрам болтов от М20 до М25.
Наиболее предпочтительным соединительным элементом является болт, предпочтительно предназначенный для крепежных средств, классов прочности 14.8, 15.8 и/или 16.8.
Стойкость к отпуску, как требуется, например, в PAS 1061 для цепей, может превышать 1 час при температуре отпуска по меньшей мере 380°С, предпочтительно по меньшей мере 400°С, более предпочтительно по меньшей мере 410°С. При таких температурах отпуска прочность на разрыв, требующаяся для соединительных элементов класса прочности 14.8 и выше, может больше не достигаться.
Изобретение относится также к использованию стали, имеющей один из упомянутых выше химических составов, для производства закаленного и отпущенного соединительного элемента и, предпочтительно, соединительного элемента, отпущенного по меньшей мере на участках, предпочтительно болта.
Изобретение относится также к способу производства соединительного элемента, предпочтительно болта, из такой стали, содержащему дополнительную операцию закалки и отпуска. Как уже описано выше, в ходе закалки и отпуска соединительный элемент может быть отпущен при температурах между 180°С и 220°С, предпочтительно при 200°С или около того.
Далее изобретение описано с помощью одного примера. В свете приведенных объяснений, варианты реализации, описанные в сочетании с этим примером, могут произвольно сочетаться или быть опущены, если преимущество, связанное с соответствующим признаком, но сочетается с одним вариантом реализации.
На фиг. 1 показано схематическое изображение звена цепи, изготовленного из стали согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 показано схематическое изображение соединительного элемента согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 показана схематическая качественная диаграмма результатов испытания на разрыв круглого образца;
на фиг. 4 показана схематическая качественная диаграмма результатов испытания на изгиб болтов с резьбой с обоих концов, относящихся к различным классам прочности;
на фиг. 5 показана схематическая качественная диаграмма энергии разрушения образца с надрезом KV при -40°С для болтов, относящихся к различным классам прочности;
на фиг. 6 показана схематическая качественная диаграмма энергии, поглощенной при разрушении болтов с резьбой М20 при температуре -40°С;
на фиг. 7 показана схематическая качественная диаграмма результатов испытания на разрыв (испытаний SOD) винтов с головкой со шлицом, относящихся к различным классам прочности, при различной глубине шлица при -40°С;
на фиг. 8 показана схематическая качественная диаграмма энергии разрушения образца и тормозящего номинального напряжение после испытания на разрыв (испытаний SOD) винтов с головкой со шлицом, относящихся к различным классам прочности, при различной глубине шлица при -40°С и при -60°С.
Образцом компонентов техники подъема, крепления, зажима и/или связывания на фиг. 1 показано звено 1 цепи, изготовленное из настоящей стали. Оно может быть, например, стальным звеном цепи. Химический состав, который может быть определен, например, путем химического анализа расплава, согласно изобретению является следующим в весовых процентах: углерод 0,17-0,25%, никель 0,00-0,25%, молибден 0,15-0,60%, ниобий 0,01-0,08%, и/или титан 0,005-0,1%, и/или ванадий ≤0,16%, алюминий 0,020-0,050%, хром 0,10-0,50%, кремний 0,1-0,3%, марганец 1,40-1,60%, фосфор <0,015%, сера <0,015%, медь <0,20%, азот 0,006-0,0014%, а остальное приходится на железо и на неизбежные примеси.
Предпочтительно содержание никеля может быть меньше 0,10 весовых процентов, содержание углерода от 0,20 до 0,23 весовых процентов, содержание молибдена от 0,30 до 0,50 весовых процентов, содержание ниобия от 0,01 до 0,06 весовых процентов, содержание алюминия от 0 или соответственно 0,020 до 0,040 весовых процентов, содержание хрома от 0,20 до 0,40 весовых процентов и/или содержание кремния от 0,1 до 0,25 весовых процентов.
В частности, сумма удвоенного содержания никеля (в весовых процентах), приблизительно увеличенного в 1,6 раза содержания титана и/или одинарного содержания ванадия (в весовых процентах) составляет не больше чем приблизительно 0,16% весовых процентов.
Звено 1 цепи, изготовленное из настоящей стали, демонстрирует механические свойства, представляющие собой хороший компромисс между прочностью на разрыв и энергией разрушения образца с надрезом. Как показано в ходе испытаний, настоящая сталь без затруднений соответствует требованиям уровней качестве 8 и 10. Производство является экономичным благодаря низкому содержанию никеля или отсутствию никеля в производственном процессе, из-за дороговизны никеля. В особенности настоящая сталь может обладать высокой энергией разрушения образца с надрезом при диапазоне низких температур, например при -40°С, и высокой стойкостью к отпуску при высоких температурах, например при 400°С.
m
Для определения свойств стали, как требуется соответствующими стандартами на сталь, например DIN 17115, сначала в качестве эталона исследуют цилиндр ⌀16 мм. После отжига при температуре 880°С в течение около ½ часа его закаливали в воде и затем отпускали при температуре 450°С в течение 1 часа и охлаждали воздухом. После этого образец имел значение R, равное 1213 МПа, значение А5, равное 13,1%, и значение Z, равное 64%. При комнатной температуре он имел энергию разрушения образца с надрезом около 140 Дж.
Образец, который был подвергнут термообработке при температуре 930°С в течение приблизительно 4 часов и закалялся в воде, обладает размером зерна 8-9. Поэтому сталь является стабильно мелкозернистой.
Для того чтобы показать, что компоненты, выполненные из настоящей стали, отвечают требованиям различных уровней качества, автор провел ряд различных экспериментов. Все эксперименты проводились с использованием стальной цепи с размерами ⌀ 16 мм × 48 мм. Результаты, полученные для стальных цепей, могут быть преобразованы для других типичных крепежных, связывающих и подъемных средств, таких, например, как точки останова, зажимы, замки цепи и подобное.
Последовательность испытаний 1
В первой части цепь была подвергнута отпуску после закалки от температуры, превышающей критическую точку АС3 на диаграмме состояния железо-углерод, и затем подвергнута отпуску в течение приблизительно одного часа при различной температуре. Здесь после отпуска при различной температуре в течение одного часа цепь демонстрировала значения прочности на разрыв и удлинения при разрыве, показанные в таблице 1.
Таблица 1
T в °С
F<sub>max</sub> в кН
А в %
450
372,8
26,1
500
354,8
28,6
550
346,3
30,2
Эксперименты по отпуску показывают, что механические свойства, требующиеся для уровня качества 8, сохраняются также при высокой температуре вплоть до достижение диапазона ползучести. При температуре отпуска 400°С в течение приблизительно одного часа он обладает энергией разрушения образца с надрезом около 130 Дж при -40°С. Настоящая сталь в результате является как пластичной при низкой температуре, так и устойчивой к ползучести.
2
Поэтому, согласно таблице 1, цепь достигает минимальной силы разрыва 320 кН и минимального сопротивления разрыву 800 Н/мм, что соответственно требуется от такой стальной цепи уровня качества 8.
Согласно этой последовательности испытаний цепь, изготовленная из такой стали, отвечает требованиям к механическим свойствам уровня качества 8 согласно ISO 3076 и DIN EN 818-2.
Последовательность испытаний 2
2
Цепь была подвергнута закалке от температуры выше АС3, подвергнута отпуску и затем вновь подвергнута отпуску при температуре около 380°С в течение около одного часа. Таким образом была достигнута прочность на разрыв приблизительно 435 кН при удлинении при разрыве 31%. Так цепь демонстрирует минимальное сопротивление разрыву 400 кН и 1000 Н/мм, соответственно после повторного нагрева.
Последовательность испытаний 2 показывает, что цепь, изготовленная из такой стали, отвечает требованиям PAS 1061 и, таким образом, подходит для цепей, имеющих уровень качества 10.
Последовательность испытаний 3
В третьей последовательности испытаний звено цепи подвергли отпуску при температуре от 180°С до 220°С после закалки от температуры выше АС3. Звено цепи, обработанное таким образом, обладает энергией ударного изгиба образца с надрезом более 50 Дж при -40°С и около 50 Дж при -60°С. Минимальное сопротивление разрыву звена цепи было значительно выше 420 кН и несколько выше 490 кН. Поэтому такое звено цепи может использоваться при очень низких температурах.
На фиг. 2 показан в качестве примера соединительный элемент 10 в форме болта. Болт снаряжен и отожжен с холодной формованным, в особенности с катаным резьбовым участком 20.
Соединительный элемент 10 выполнен из стали, имеющей следующий химический состав:
углерод: от 0,17 до 0,25 весовых %, предпочтительно от 0,20 до 0,23 весовых %;
никель: от 0,00 до 0,25 весовых %, предпочтительно от 0,00 до 0,10 весовых %;
молибден: от 0,15 до 0,60 весовых %, предпочтительно от 0,30 до 0,50 весовых %;
ниобий: от 0,01 до 0,08 весовых %, и/или титан: от 0,005 до 0,1 весовых %, и/или ванадий ≤0,16, когда содержание ниобия может предпочтительно составлять от 0,1 до 0,06 весовых %;
алюминий: от 0 до 0,050 весовых %, предпочтительно от 0,020 до 0,040 весовых %;
хром: от 0,01 до 0,50 весовых %, предпочтительно от 0,20 до 0,40 весовых %;
кремний: от 0,1 до 0,3 весовых %, предпочтительно от 0,1 до 0,25 весовых %;
марганец: от 1,40 до 1,60 весовых %;
фосфор: <0,015 весовых %;
сера: <0,015 весовых %;
медь: <0,20 весовых %;
азот: от 0,006 до 0,014 весовых %;
остальное приходится на долю железа и неизбежных примесей.
Сумма удвоенного содержания никеля, приблизительно увеличенного в 1,6 раза содержания титана и/или одинарного содержания ванадия, соответственно в весовых процентах, должна предпочтительно составлять не больше чем приблизительно 0,16 весовых процентов.
Последовательности испытаний с этой сталью были проведены в отношении ее пригодности для производства звеньев цепи. Эти испытания определяют также пригодность для производства соединительных элементов 10.
Эксперимент 1.1
m
2
Сначала согласно DIN 17115 был исследован в качестве эталона цилиндр, имеющий диаметр в 16 мм, выполненный из описанной выше стали. После отжига при 880°С в течение приблизительно получаса цилиндр подвергли закалке в воде и затем отпуску при 450°С в течение одного часа и охлаждению воздухом. После этого образец имел прочность на разрыв R, равную 1213 Н/мм, значение А, равное 13,1%, и значение Z, равное 64%. При комнатной температуре образец обладал энергией разрушения образца с надрезом, равной приблизительно 140 Дж.
m
2
2
2
Из этого эксперимента можно сделать вывод, что при температурах отпуска от 180°С до 220°С, предпочтительно около 200°С, достигаются значительно более высокие значения прочности на разрыв R. Прочность на разрыв при такой температуре отпуска должна составлять по меньшей мере 1400 Н/мм, в особенности выше приблизительно 1500 Н/мм и до приблизительно 1600 Н/мм, возможно несколько больше, так что могут быть получены болты классов прочности 14.8, 15.8 и 16.8.
Эксперимент 1.2
Образец, подвергнутый термообработке при 930°С в течение около четырех часов и закаленный в воде, продемонстрировал размер зерна по ASTM от 8 до 9. Поэтому сталь является мелкозернистой устойчивой.
При температуре отпуска от 180°С до 220°С и более коротких периодах отпуска, например около одного часа, достигаются даже более мелкие размеры зерна, около ASTM 10. Размеры зерна около ASTM 10 достигаются также при термообработке при более низких температурах и/или в течение более короткого периода.
Эксперимент 1.3
Для того чтобы продемонстрировать, что стальные цепи и другие типичные крепежные, связывающие и подъемные средства, такие, например, как точки останова, зажимы, замки цепи и подобное, изготовленные из указанной стали, отвечают уровням качества для этих компонентов, были проведены дальнейшие испытания. Эти эксперименты проводились с использованием стальной цепи с размерами ⌀ 16 мм × 48 мм.
Эксперимент 1.3а
В первой последовательности испытаний после упрочнения стальную цепь 16×48 подвергли отжигу при температуре, превышающей критическую точку АС3 на диаграмме состояния железо-углерод, и затем подвергнута отпуску в течение приблизительно одного часа при различной температуре. Здесь после отпуска при различной температуре цепь демонстрировала значения прочности на разрыв и удлинения при разрыве, показанные в таблице 2.
Таблица 2
T в °С
F<sub>max</sub> в кН
А в %
450
372,8
26,1
500
354,8
28,6
550
346,3
30,2
Эксперименты по отпуску показывают, что сталь устойчива к ползучести (нагревоустойчива). Поскольку при температуре отпуска 400°С в течение около одного часа может быть подтверждена энергия разрушения образца с надрезами около 130 Дж при -40°С, указанная сталь для соединительного элемента 1 является как обладающей пластичностью при низкой температуре, так и устойчивостью к ползучести. Как показано в таблице 2, разрушающая нагрузка возрастает при понижении температуры отпуска, в то время как удлинение при разрыве уменьшается.
2
В цепи достигается минимальное разрушающее усилие, равное 800 Н/мм.
Эксперимент 1.3b
2
Цепь закаливали, начиная от температуры свыше АС3, подвергали отпуску и затем повторному отпуску при температуре 380°С в течение около одного часа. Здесь звено цепи продемонстрировало прочность на разрыв около 435 кН при удлинении при разрыве, равном 31%. Таким образом, при повторном нагреве цепь обладает минимальным разрушающим усилием, равным 1000 Н/мм.
Эксперимент 1.3c
m
2
2
2
В третьей последовательности испытаний звено цепи было подвергнуто отпуску при температуре от 180°С до 220°С после закалки, начиная от температуры свыше АС3. Звено цепи, обработанное таким образом, имеет энергию разрушения образца с надрезами KV согласно DIN EN 10045 более 50 Дж при -40°С и около 50 Дж при -60°С. Минимальное разрушающее усилие звена цепи составило несколько больше 490 кН. Кроме того, исходя из прочности на разрыв R, равной 1400 Н/мм, в особенности от 1500 Н/мм до 1600 Н/мм, можно сделать вывод для соединительного элемента типа болта, что он допускает многомерное напряженное состояние соединительного элемента.
Во второй последовательности испытаний сталь были подвергнута закалке от температуры выше точки АС3 и затем подвергнута отпуску при температуре от 180°С до 220°С. После закалки и отпуска в поперечном разрезе или на микрофотографии соответственно видно, что образцы обладают реечным мартенситом, занимающим долю площади от 85% до 90% и, соответственно, до 98%.
Исходным материалом для всех образов был болт с резьбой М20.
Эксперимент 2.1a
Испытание на растяжение согласно ISO 6892-1 при температуре 20°С при круглом образце, выточенном из болта с резьбой М20 с наружным диаметром 15 мм, дает качественные результаты с распределением, показанным на фиг. 2.
P0.2
m
2
2
2
2
Предел упругости при растяжении R выточенного круглого образца составил, таким образом, от 1250 до 1350 Н/мм. Прочность на разрыв R выше 1400 Н/мм, от 1500 Н/мм до 1600 Н/мм.
Удлинение при разрыве А составляет от более чем 13% до максимума в 18%, порядка около 15%. Уменьшение площади Z превышает 48%, до приблизительно 55%, порядка 51%.
Эксперимент 2.1b
m
m
P0.2
5
2
2
Если круглый образец с наружным диаметром 15 мм, выточенный из резьбовой шпильки М20, был подвергнут отпуску при температуре около 200°С для того, чтобы получить высокую прочность на разрыв R, должны быть получены следующие значения: R=1550…1600 Н/мм, R=1300…1350 мм, А=8…12%, Z=40…50%.
Из результатов испытаний на растяжение согласно фиг. 3 можно сделать вывод, что соединительный элемент согласно настоящему изобретению демонстрирует очень высокую прочность на разрыв и в то же время высокую пластичность при комнатной температуре. В свете результатов испытания на растяжение, так же как из последующих испытаний, выполненных с резьбовой шпилькой согласно настоящему изобретению, его можно отнести к классу прочности 15.8.
Эксперимент 2.1c
m
2
В дальнейшем эксперименте после температуры отпуска 300°С следующий круглый образец, так же вырезанный из болта М20, изготовленного из настоящей стали, имеет уменьшение площади Z в диапазоне 60…70%. Благодаря высокой температуре отпуска прочность на разрыв R составила 1425…1475 Н/мм.
Эксперимент 2.2
На фиг. 4 результаты статичного испытания на изгиб резьбовых шпилек М20 класса прочности 8.8, 10.9, 12.9 и 15.8 показаны в качественном виде и справа внизу показаны образцы в конце эксперимента. Соединительный элемент согласно настоящему изобретению класса прочности 15.8 сравнивается с коммерческими соединительными элементами класса прочности 8.8, 10.9 и 12.9.
Испытание на изгиб выполняли с использованием резьбовых шпилек длиной 120 мм и стальной подпорки радиусом 20 мм. Резьбовые шпильки помещались на наклонной плоскости призмы 90°.
Выяснилось, что соединительный элемент согласно настоящему изобретению поглощает значительно более высокую изгибающую нагрузку, но и деформируемость настоящего соединительного элемента превышает деформируемость болтов с более низким классом прочности 12.9 и 10.9. Таким образом, болт М20 согласно настоящему изобретению выдерживает изгибающую деформацию в 24 мм. При такой деформации болты классов прочности 12.9 и 10.9 уже разрушаются.
Эксперимент 2.3
В дальнейших экспериментах изучали низкотемпературную пластичность резьбового болта М20 согласно настоящему изобретению. Для этой цели при температуре -40°С выполняли ударное испытание образца с надрезом согласно ISO 148-1. Качественные результаты, также в сравнении с соединительными элементами более низких классов прочности, здесь 10.9 и 12.9, показаны на фиг. 5
Энергия разрушения образца с надрезом KV при -40°С более 60 Дж и до приблизительно 69 Дж, полученная согласно этим экспериментам с настоящим соединительным элементом 15.8, значительно превышает значения энергии разрушения образца с надрезом KV иных идентичных образцов ISO-V резьбовых шпилек классов прочности 10.9 и 12.9.
Таким образом, соединительные элементы согласно настоящему изобретению обладают высокой низкотемпературной пластичностью, которая превышает низкотемпературную пластичность  при более низких классах прочности.
Эксперимент 2.4
Высокая низкотемпературная пластичность настоящего соединительного элемента, которая, несмотря на значительно более высокую прочность, превышает низкотемпературную пластичность более низких классов прочности, также может наблюдаться на фиг. 5. На фиг. 6 качественно показана поглощенная энергия при разрушении резьбовых болтов М20 при температуре испытаний -40°С.
Поэтому при -40°С настоящий резьбовый болт М20 поглощает значительно больше энергии, чем резьбовый болт М20 классов прочности 10.9 и 12.9. В областях применения при низкой температуре избыток поглощенной энергии соединительного элемента согласно настоящему изобретению обеспечивает более высокую безопасность в процессе эксплуатации.
Эксперимент 2.5
В дальнейших последовательностях испытаний показатели пластичности настоящих соединительных элементов изучали в сравнении с коммерческими соединительными элементами более низких классов прочности при -40°С с помощью экспериментов SOD.
В экспериментах SOD (смещение раскрытия надреза) надрез, параллельный секущей, на некоторых образцах имеющий глубину 3,4 мм и на других образцах имеющий глубину 6,8 мм, измеренную от внутренней глубины резьбы, вводят в болты М20 (см. фиг. 6). Глубина надреза при этом соответствует 20% (глубина надреза 3,4 мм) и 40% (глубина надреза 6,8 мм) соответственно от диаметра. После этого болты подвергаются напряжению при затяжке. Посредством тензодатчика на наружном диаметре, противоположном самой глубокой точке надреза, отслеживается раскрытие надреза при увеличении деформации растяжения.
Результаты экспериментов SOD в качественном виде показаны на фиг. 7.
Можно видеть, что в сравнении с болтами 10.9 и 12.9 вплоть до разрушения болта наивысшие абсолютные значения энергии могут поглощаться настоящим соединительным элементом.
Далее из результатов испытаний, показанных на фиг. 7, можно видеть, что разрушение настоящих соединительных элементов может происходить только после значительного расширения надреза. В то время как болт М20 класса прочности 12.9, более или менее вне зависимости от глубины надреза, разрушается после расширения надреза приблизительно на 0,3 мм и болт класса прочности 10.9, более или менее вне зависимости от глубины надреза, разрушается после расширения надреза приблизительно на 0,5 мм, соединительный элемент согласно настоящему изобретению, изготовленный из описанной выше стали, выдерживает расширение надреза на величину, значительно превышающую 0,5 мм, а именно - больше чем на 0,7 мм.
Из экспериментов SOD можно сделать вывод, что даже при температуре -40°С соединительный элемент согласно настоящему изобретению не снизится ниже допустимого предела рабочей нагрузки WLL для стопорных болтов даже при -40°С с последующим разрушением. Таким образом, запас прочности 6 применим к стопорным болтам в отношении силы разрыва для получения допустимого предела рабочей нагрузки. Болт класса прочности 15.8 с силой разрыва 1500 кН при использовании в качестве стопорного болта должен поэтому подвергаться в большинстве случаев нагрузке всего 1500 кН/6=250 кН. Однако при температуре -40°С соединительный элемент согласно настоящему изобретению имеет более чем тройной запас прочности относительно предела рабочей нагрузки. Этот запас прочности существует даже при -60°С. На фиг. 8 силы разрыва, предел рабочей нагрузки WLL и тройная рабочая нагрузка отмечены пунктирными линиями.
Все эксперименты показывают, что соединительный элемент согласно настоящему изобретению сочетает чрезвычайно высокую прочность с чрезвычайно высокой низкотемпературной пластичностью. В отношении прочности на изгиб, так же как энергии разрушения образца с надрезом и силы разрыва образцов SOD настоящие соединительные элементы превосходят известные соединительные элементы.