Rury stalowe bez szwu ASTM A519 50B40: skład stali borowej, hartowność i obróbka cieplna

Zakres bezszwowych rur mechanicznych ASTM A519/A519M

ASTM A519/A519M obejmuje bezszwowe rury mechaniczne ze stali węglowej i stopowej dostarczane w stanie wykończonym na gorąco lub wykończonym na zimno, do zastosowań mechanicznych i ciśnieniowych, w których wymagany jest określony skład chemiczny, kontrolowana hartowność i określone właściwości mechaniczne. Rura jest wytwarzana poprzez przebicie na gorąco litego okrągłego kęsa, a następnie jego zmniejszenie albo poprzez walcowanie na gorąco do zamówionego rozmiaru, albo przez ciągnienie na zimno na trzpieniu lub korku. Ponieważ produkt jest bezszwowy, nie posiada spoiny wzdłużnej i dlatego jest preferowany wszędzie tam, gdzie liczą się jednolite właściwości obręczy, szczelność ciśnieniowa, koncentryczność i stała obrabialność.

Specyfikacja jest odpowiednikiem specyfikacji prętów: gatunek taki jak SAE 50B40 opisuje stal, podczas gdy ASTM A519/A519M opisuje produkt rurowy, warunki jego dostawy, tolerancje i badania. Nabywcy zamawiają zatem według gatunku, średnicy zewnętrznej, grubości ścianki, stanu dostawy, długości i testów, które należy przeprowadzić, a huta wystawia certyfikat testu obejmujący wyniki chemiczne i mechaniczne.

SAE 50B40: Chemia i rola boru

SAE 50B40 to średniowęglowa stal chromowa obrabiana borem z rodziny 50xx. Zawartość węgla nadaje mu wytrzymałość po utwardzeniu, niewielki dodatek chromu nieznacznie przyczynia się do hartowności i odporności na zużycie, a bor zapewnia decydujący wzrost reakcji na hartowanie. Poniżej przedstawiono typowe limity analizy kadzi stosowane do gatunku.

Bor wywiera działanie w bardzo niskich poziomach i to jest główny aspekt konstrukcyjny tego gatunku. Kilka tysięcznych procenta boru hamuje zarodkowanie ferrytu na granicach ziaren austenitu podczas chłodzenia, więc przemiana w martenzyt przebiega na większej głębokości niż w tej samej stali bez boru. Praktyczną konsekwencją jest to, że zawartość stopu, a tym samym koszt stopu, można zmniejszyć, zachowując wymaganą głębokość hartowania. Bor musi pozostać w roztworze, aby zadziałał, dlatego hutnik wiąże azot z niewielkim dodatkiem tytanu lub aluminium; gdy bor występuje w niewłaściwej postaci, staje się nieskuteczny, a hartowność spada do poziomu podstawowej stali węglowej. Temperatura i czas przetrzymywania austenityzowania również wpływają na wzrost ziaren i skuteczność boru, dlatego kontrola obróbki cieplnej jest tak samo ważna jak chemia.

Hartowność jest kontrolowana komercyjnie poprzez zamówienie według zakresu hartowności, a nie pojedynczego składu. Do wykazania reakcji stosuje się metodę testu hartowania końcowego, a opaska ogranicza twardość, którą można zmierzyć w każdej odległości od hartowanego końca. Jest to właściwość najbardziej istotna w przypadku elementu takiego jak cylinder lub wał, ponieważ określa, czy wymaganą twardość można uzyskać w środkowej części ścianki, czy w środku przekroju.

Właściwości mechaniczne i obróbka cieplna

ASTM A519/A519M stwierdza, że ​​właściwości mechaniczne rurki odpowiadają gatunkowi w zamówionym stanie dostawy. W praktyce nabywca określa albo zakres wytrzymałości na rozciąganie, minimalną granicę plastyczności, zakres twardości lub ich kombinację, a walcownia weryfikuje wynik na próbkach do próby rozciągania pobranych z rury. Próba twardości jest często określana jako rutynowa kontrola odbiorcza, a próby spłaszczania lub hydrostatyczne lub jedno i drugie mogą być wymagane, gdy rura jest używana w warunkach ciśnieniowych. Jeżeli rura jest używana w stanie hartowanym i odpuszczonym, wytrzymałość i ciągliwość są ustalane na podstawie temperatury odpuszczania, a wymagana kombinacja jest uzgadniana na podstawie zamówienia, a nie zakładana wyłącznie na podstawie gatunku.

Typowa obróbka cieplna gotowej części przebiega według poniższej sekwencji.

Austenityzowanie.Nagrzewanie równomiernie w zakresie austenitycznym, powszechnie podawanym w zakresie od 845 do 870 stopni dla tej klasy średniowęglowej stali borowej. Należy kontrolować czas przebywania w temperaturze, aby struktura ziaren nie uległa pogrubieniu, ponieważ grube ziarna zmniejszają wytrzymałość i mogą osłabić zalety boru.

Hartowanie.Hartowanie w oleju lub polimerze, wybrane tak, aby szybkość chłodzenia przekraczała prędkość krytyczną na całej grubości ścianki, ograniczając jednocześnie ryzyko odkształcenia i pękania. Cienkie ścianki i długie rury wymagają podparcia lub hartowania pionowego, aby pozostały proste.

Ruszenie.Natychmiast po hartowaniu, w temperaturze wybranej w celu uzyskania określonej twardości. Temperaturę w zakresie od 500 do 550 stopni powszechnie stosuje się w przypadku stali średniowęglowych z dodatkiem boru, gdy wymagana jest równowaga wytrzymałości i udarności; wyższe temperatury zmniejszają wytrzymałość i zwiększają plastyczność, niższe temperatury działają odwrotnie.

Prostowanie i odprężanie.Hartowanie wprowadza odkształcenia i naprężenia szczątkowe, zatem przed obróbką końcową zwykle przeprowadza się prostowanie i, gdy stabilność wymiarowa ma kluczowe znaczenie, obróbkę odprężającą.

Hartowanie powierzchniowe.W przypadku części, które wymagają twardej, odpornej na zużycie powierzchni na wytrzymałym rdzeniu, obrobioną rurę poddaje się hartowaniu indukcyjnemu lub nawęglaniu, a hartowność gatunku określa głębokość uzyskanej hartowanej obudowy.

Typowe zastosowania

Tuleje cylindrów hydraulicznych i pneumatycznych oraz tłoczyska, których otwór musi być obrobiony maszynowo, honowany i często hartowany indukcyjnie.

Puste wały napędowe, wały napędowe i wały odbioru mocy, w przypadku których bezszwowa rura zmniejsza wagę w porównaniu z litą kierownicą.

Rury osi, elementy układu kierowniczego i zawieszenia oraz tuleje łączące w pojazdach użytkowych i maszynach rolniczych.

Gniazda łożysk, pierścienie łożysk i tuleje, które wymagają twardego, stabilnego wymiarowo osadzenia po obróbce cieplnej.

Wrzeciona maszynowe, prowadnice i tuleje w obrabiarkach i ogólnej budowie maszyn.

Korpusy amortyzatorów, rury reakcyjne i części obrotowe w sprzęcie budowlanym, górniczym i do transportu materiałów.

Ogólnie hartowane i odpuszczane części mechaniczne, w których obrobiona maszynowo, poddająca się obróbce cieplnej rura zastępuje litą odkuwkę lub pręt.

Punkty obróbki, spawania i kontroli

Obróbka.Maszyny do rur ciągnionych na zimno i wyżarzanych z dobrym wykończeniem przy użyciu konwencjonalnych narzędzi. Ponieważ średnia zawartość węgla i dodatek boru powodują gwałtowny wzrost twardości podczas chłodzenia, należy unikać przerywanej obróbki i słabego podawania chłodziwa, a część powinna być obrabiana w stanie miękkim przed hartowaniem, jeśli pozwala na to sekwencja procesu. Odkształcenia po hartowaniu są minimalizowane poprzez obróbkę zgrubną, obróbkę cieplną, a następnie wykańczanie.

Spawalniczy.Ekwiwalent węgla stali węglowej o zawartości 0,40% i do 1,00% manganu jest na tyle wysoki, że spawanie wymaga ostrożności. Zwykle określa się wymagania dotyczące podgrzewania wstępnego i kontroli temperatury międzyściegowej, stosuje się materiały eksploatacyjne o niskiej zawartości wodoru, a grube lub silnie utwierdzone złącza poddaje się obróbce cieplnej po spawaniu w celu zmiękczenia strefy wpływu ciepła i zmniejszenia ryzyka pękania wspomaganego wodorem. Jeżeli złącze musi być spawane w stanie zahartowanym, procedurę należy zakwalifikować do rzeczywistego stopnia twardości.

Weryfikacja chemii.Zawartość boru należy potwierdzić analizą chemiczną, a sprawdzenie dodatku aluminium lub tytanu stanowi przydatny dowód, że bor jest odpowiednio chroniony. Węgiel i mangan sprawdza się pod kątem dopuszczalnych wartości gatunku.

Hartowność.Jeżeli w zamówieniu określono zakres hartowności, końcową krzywą hartowania porównuje się z granicami pasma dla gatunku. W przypadku rury przekrój ścianki jest zwykle sprawdzany także poprzez pomiar twardości lub przecięcie reprezentatywnego elementu po produkcyjnej obróbce cieplnej, co jest najbardziej bezpośrednim dowodem osiągnięcia wymaganej głębokości hartowania.

Jakość wymiarowa i wewnętrzna.Średnica zewnętrzna, grubość ścianki, mimośród, długość i prostoliniowość ścianki są sprawdzane pod kątem tolerancji określonych w specyfikacji. W przypadku ciśnieniowych i krytycznych zastosowań obrotowych, w celu potwierdzenia solidności wewnętrznej, zaleca się badanie ultradźwiękowe, zwykle odnoszące się do normy odniesienia z płaskim dnem, lub badanie prądem wirowym, a powierzchnia jest sprawdzana pod kątem szwów, zakładek, zgorzeliny i odwęglenia.

Często zadawane pytania

P: Do czego używa się rur stalowych ASTM A519 50B40?
Stosowany jest do produkcji bezszwowych rur mechanicznych, które muszą zostać poddane obróbce mechanicznej, a następnie utwardzane lub dostarczane już hartowane i odpuszczone. Typowe części obejmują cylindry hydrauliczne i pneumatyczne, drążone wały napędowe i przegubowe, tuleje łożyskowe, gniazda i tuleje łożysk, wrzeciona maszyn i korpusy amortyzatorów w pojazdach użytkowych, maszynach rolniczych, sprzęcie budowlanym i ogólnej inżynierii mechanicznej.

P: Dlaczego do stali 50B40 dodaje się bor?
Bor dodaje się w bardzo małych ilościach, zazwyczaj od 0,0005% do 0,003%, aby zwiększyć hartowność. Opóźnia powstawanie ferrytu na granicach ziaren austenitu podczas chłodzenia, dzięki czemu stal twardnieje na większą głębokość niż ten sam skład bazowy bez boru. Pozwala to na zmniejszenie zawartości stopu i kosztu stopu przy zachowaniu wymaganej głębokości hartowania, co jest głównym powodem, dla którego ten gatunek jest konkurencyjny w stosunku do stali o większej zawartości stopu.

P: Jaka jest różnica między 50B40 a SAE 4140?
SAE 4140 to stal chromowa-molibdenowa, której hartowność opiera się na molibdenie, natomiast 50B40 to stal chromowo-średniowęglowa, której podstawą jest głównie bor. Gatunek borowy oferuje porównywalną reakcję hartowania przy uboższym i zwykle bardziej ekonomicznym składzie, ale jest bardziej wrażliwy na kontrolę obróbki cieplnej, szczególnie na ochronę boru przez tytan lub aluminium oraz na czas i temperaturę austenityzowania. SAE 4140 pozostaje wyborem tam, gdzie wymagana jest wyższa zawartość stopu, lepsza wytrzymałość w wysokich temperaturach lub szersza tolerancja na zmiany procesu.

P: Czy można spawać rury ASTM A519 50B40?
Tak, ale wymaga to kontrolowanej procedury. Zawartość węgla i manganu nadaje stali stosunkowo wysoki równoważnik węgla, dlatego zwykle określa się podgrzewanie wstępne i kontrolę temperatury międzyściegowej, stosuje się materiały spawalnicze o niskiej zawartości wodoru, a grube lub utwierdzone złącza stosuje się obróbkę cieplną po spawaniu, aby zmniejszyć twardość w strefie wpływu ciepła i uniknąć pękania wspomaganego wodorem. Spawanie powinno być kwalifikowane na podstawie rzeczywistego gatunku i stanu twardości.

P: Jakie warunki dostawy są dostępne dla tuby A519 50B40?
Rury bez szwu w tym gatunku są zwykle dostarczane wykończone na gorąco, ciągnione na zimno, wyżarzane, normalizowane lub hartowane i odpuszczane. Stan dobiera się w zależności od procesu produkcyjnego części: materiał ciągniony na zimno i wyżarzany do ciężkiej obróbki, materiał znormalizowany, w przypadku którego wymagana jest jednolita struktura, oraz materiał hartowany i odpuszczany, gdy część jest używana w stanie hartowanym bez dalszej obróbki cieplnej.

P: Jakie testy są zwykle wymagane w przypadku rurek 50B40?
Weryfikacja chemiczna, w tym zawartość boru, jest podstawą. Aby potwierdzić właściwości mechaniczne w stanie dostawy, wymagana jest próba rozciągania rury, w celu akceptacji zwykle określa się badanie twardości, a w przypadku zamówienia opaski, hartowność wykazuje się za pomocą próby hartowania na końcu. Badania ultradźwiękowe lub prądami wirowymi, próby spłaszczania i próby hydrostatyczne są określone dla zastosowań ciśnieniowych i krytycznych, wraz z kontrolą wymiarów i powierzchni pod kątem mimośrodowości ścian, prostości, szwów i odwęglenia.

P: Jak grubość ścianki wpływa na hartowanie 50B40?
Hartowność opisuje, jak głęboko w przekroju stal może stwardnieć, więc cienka ściana utwardza ​​się znacznie łatwiej niż gruba. Jeżeli wymagana jest utwardzenie ciężkiej ściany aż do środkowej ściany lub otworu, zakres hartowania i metodę hartowania należy wybrać łącznie, a pomiar twardości na przekroju próbki jest praktycznym sposobem potwierdzenia, że ​​wymagana głębokość hartowania została osiągnięta przed dopuszczeniem części do produkcji.