Resumen: Las crecientes demandas de sujetadores de alta resistencia, junto con sus campos de aplicación en expansión, han llevado a mayores requisitos de rendimiento para los aceros para sujetadores de alta resistencia. El acero no sólo debe presentar una alta resistencia, sino también garantizar un rendimiento fiable.
Este artículo explora el estado actual de la investigación, los mecanismos de refuerzo y los materiales comúnmente utilizados para tornillos de alta resistencia, y destaca las tendencias futuras en su desarrollo.
Los sujetadores, como los tornillos, desempeñan un papel fundamental en la conexión, posicionamiento y sellado de componentes mecánicos. Los tornillos son el tipo de sujetador más utilizado.
A medida que la maquinaria, los equipos y los proyectos de construcción continúan expandiéndose y mejorando en términos de potencia y velocidad, las condiciones de trabajo y los niveles de tensión de los pernos se han vuelto cada vez más exigentes. Esto resultó en la necesidad de pernos de acero de mayor resistencia.
Por ejemplo, las bombas de agua de alimentación de alta presión utilizadas en unidades generadoras supercríticas y ultrasupercríticas requieren pernos más fuertes para garantizar que sus funciones de sellado y soporte de presión puedan cumplir con los crecientes requisitos de presión del suministro de agua.
Los tornillos de alta resistencia también son componentes cruciales en la construcción de grandes estructuras de rejilla, como las que se encuentran en los edificios públicos. Estos pernos transfieren fuerzas internas alternas causadas por cargas alternas y están directamente relacionadas con la seguridad pública.
Los pernos originales utilizados en automóviles y motocicletas, especialmente los pernos de motor, tienen dificultades para cumplir con los requisitos de alta tensión de los motores. Los pernos de alta resistencia pueden reducir el tamaño y la masa de los pernos, lo que puede ayudar a reducir el peso del vehículo y el consumo de energía.
Además, la alta resistencia de los tornillos contribuye a la miniaturización y compacidad de otras estructuras automotrices.
En conclusión, los tornillos de alta resistencia tienen un valor práctico significativo y un futuro prometedor para una amplia gama de aplicaciones.
1. Índice de rendimiento del tornillo de alta resistencia.
Los niveles de resistencia de los tornillos de alta resistencia se dividen en cuatro categorías: 8,8, 9,8, 10,9 y 12,9. Consulte la Tabla 1 para conocer las propiedades mecánicas de los tornillos en cada nivel.
Según la calidad del acero para tornillos de alta resistencia, se puede dividir en tres categorías: calidad actual, calidad potencial y calidad final.
- La calidad actual se refiere principalmente a las características más fundamentales de la forja, como baja resistencia a la deformación, buena calidad del acero, fácil recalcado y pérdida mínima de herramientas y matrices, que no son fácilmente propensas a agrietarse.
- La calidad potencial se refiere a seleccionar la proporción ideal de varios elementos de aleación y simplificar u omitir el proceso de tratamiento térmico antes y después del recalcado, garantizando al mismo tiempo la calidad actual. Este enfoque da como resultado mejores propiedades funcionales que el acero convencional.
- La calidad final se refiere al requisito de que el acero para tornillos de alta resistencia y los tornillos de sus productos tengan una alta resistencia a la tracción para resistir el estiramiento, la rotura, el deslizamiento y la abrasión. El material debe tener alta plasticidad y tenacidad para reducir la sensibilidad a problemas de calidad de la superficie, como la deflexión y la concentración de tensiones en la entalla.
Los sujetadores que trabajan en atmósferas húmedas o corrosivas deben tener baja sensibilidad a la fractura retardada. Los pernos que soportan cargas alternas y de impacto deben tener una mayor resistencia a la fatiga y una resistencia a la tracción de impactos múltiples para resistir la fatiga y las fracturas por impactos múltiples. Para los sujetadores que operan en áreas extremadamente frías, se requieren bajas temperaturas de transición dúctiles y frágiles para los materiales de los sujetadores.
Tabla.1 Índices de propiedades mecánicas de tornillos de alta resistencia.
| Propiedades mecánicas | Grado de perno | ||||
| 8.8 | 9.81040-1180 | 10.9 | 12.9 | ||
| ≤M16mm | >M16mm | ||||
| Resistencia a la tracción/MPa | 800-980 | 830~980 | 32~39 | 1040-1180 | 1220~1380 |
| Dureza Rockwell/HRC | 22~32 | 23~34 | 10.9 | 32~39 | 39~44 |
Según las condiciones de servicio de los pernos de alta resistencia, generalmente existen los siguientes requisitos para sus propiedades mecánicas:
- Debe tener una alta resistencia a la tracción y un alto índice de producción.
- Debe presentar suficiente plasticidad, especialmente en la zona plástica durante el apriete.
- Debe poder soportar aprietes repetidos, lo que significa que puede soportar cargas de gran amplitud de tensión varias veces y poseer un buen rendimiento ante la fatiga de ciclos bajos.
- Debe demostrar un buen rendimiento en fatiga de ciclos altos cuando se le somete a cargas de trabajo alternas.
- Debe tener una alta resistencia al impacto cuando se expone a cargas de impacto.
- Debe tener buena resistencia a la fractura retardada.
- Debe tener buena resistencia a las bajas temperaturas.
- Debe tener buena resistencia a la fluencia y resistencia a la relajación del estrés.
- Debe tener una baja sensibilidad a las muescas, ya que los tornillos son piezas con múltiples muescas.
- Debe mantener un coeficiente de fricción superficial estable para obtener una precarga de montaje estable.
2. Estado de búsqueda de tornillos de alta resistencia.
El uso de tornillos de alta resistencia en China es relativamente reciente. Se utilizó por primera vez en algunos puentes ferroviarios en los años 1960 y posteriormente en estructuras de acero para calderas en los años 1980.
En la década de 1990, China comenzó a introducir automóviles y tecnologías de producción extranjeros y descubrió pernos con un grado de resistencia de 12,9, una resistencia a la tracción de 1.200 MPa y un límite elástico de 1.080 MPa. En ese momento, estos tornillos tenían el nivel de resistencia más alto entre los tornillos para automóviles.
Después de que el Grupo FAW importara el motor Chrysler 488 de Estados Unidos, los tornillos del volante pasaron a depender de las importaciones. Para lograr la localización, FAW Group identificó los materiales utilizados para los pernos del volante en los Estados Unidos y los pernos de alta resistencia utilizados en los automóviles Audi alemanes, ambos equivalentes a ML35MnMo y ML35CrMo, respectivamente, comparando la composición de los productos extranjeros. Materiales con materiales existentes en China.
Por lo tanto, se seleccionó ML35CrMo como material para la producción experimental nacional de material para tornillos de volante de grado 12.9. La capa descarburada de la superficie de las materias primas se ha eliminado mediante tecnología de pelado de materiales. Después de las pruebas de forjado en frío y enfriamiento final, pruebas de proceso de recocido, enfriamiento y revenido, pruebas de rendimiento del producto terminado, pruebas de banco y pruebas de carga, se desarrollaron con éxito pernos de alta resistencia con propiedades equivalentes a las de los pernos del volante del motor CA488.
Wang Rongbin et al. Se utilizó una estructura de listones de martensita para mejorar el rendimiento de los tornillos de alta resistencia. También pueden obtener pernos de alto rendimiento de grado superior a 10,9 y reemplazar parcialmente el acero estructural de alta calidad templado y revenido. El acero martensítico con bajo contenido de carbono (martensita en láminas) se utiliza ampliamente por su alta resistencia, plasticidad, tenacidad y baja sensibilidad a las muescas.
Taiyuan Iron and Steel Co., Ltd. ha desarrollado una serie de aceros de fijación de martensita con bajo contenido de carbono para las industrias del automóvil y de piezas estándar. Por ejemplo, ML15MnVB, ML20MnVB, ML15MnB y ML15Mn se utilizan para fabricar tornillos de alta resistencia de grado 8.8, 9.8 y 10.9, que han logrado buenos resultados.
Leng Guangrong y su equipo controlaron con éxito las propiedades del acero de aleación media con bajo contenido de carbono (22Cr2Ni4MoV) para lograr una resistencia a la tracción de 1560 MPa, un alargamiento del 12 %, una dureza de 45 HRC y una energía de impacto de 60 J mediante el calor adecuado. proceso de tratamiento.
Sin embargo, los tornillos de alta resistencia fabricados con este material apenas pueden cumplir con los requisitos del laminador de cuatro alturas de 2500 mm en cuanto a las propiedades mecánicas de los materiales de los tornillos. Además, la vida media de los tornillos es de sólo dos meses, lo que no es satisfactorio en términos de durabilidad.
Para mejorar la resistencia del material, Pan Zuyi et al. utilizó el material 22Cr2Ni4MoV y controló la composición química, estructura y propiedades a través del proceso de tratamiento térmico de enfriamiento + enfriamiento a baja temperatura o enfriamiento + enfriamiento a alta temperatura. Esto dio como resultado una buena combinación de resistencia, plasticidad y tenacidad del acero.
El acero para tornillos de alta resistencia recientemente desarrollado tiene una larga vida útil para el tornillo de junta universal de 2500 mm de molino reversible de cuatro alturas.
Sin embargo, cuando la resistencia a la tracción excede los 1200 MPa, la fractura retardada se convierte en un problema importante. Los tornillos de alta resistencia son piezas ranuradas y tienen una alta sensibilidad a las muescas, lo que los hace susceptibles a una fractura retardada en la posición de concentración de tensión de la muesca. En consecuencia, su ámbito de aplicación es limitado.
Para abordar esta cuestión, Hui Weijun et al. aumentó el contenido de Mo y agregó elementos microligando V y Nb, al tiempo que redujo el contenido de Mn y elementos impuros P y S, en la composición del material 42CrMo. Desarrollaron un acero para tornillos ADF1 de alta resistencia, que presenta una buena resistencia a la fractura retardada con un nivel de resistencia de 1300 MPa.
Un análisis más detallado indica que el tamaño de grano del acero se ha refinado desde aproximadamente 12 µm hasta aproximadamente 5 µm. Este refinamiento, combinado con el efecto de endurecimiento secundario de los carburos de Mo y V y el tratamiento térmico cíclico, aumentó significativamente la tensión de tracción crítica de la entalla.
Por lo tanto, se puede concluir que la resistencia a la fractura retardada de los pernos de alta resistencia se puede mejorar ajustando el contenido de aleación, agregando elementos de aleación resistentes a la corrosión, refinando los granos, reduciendo la segregación de los límites de los granos, aumentando la temperatura de templado y neutralizando los invasores. hidrógeno.
Gracias a estas medidas, la serie ADS de Sumitomo Metal, la serie KNDS de Kobe Iron y la serie ADF del Instituto de Investigación del Hierro y el Acero de China han desarrollado con éxito pernos de acero de alta resistencia con buena resistencia a la fractura retardada.
Sin embargo, en comparación con los países desarrollados, el nivel de investigación y desarrollo de pernos de acero de alta resistencia en China todavía está relativamente atrasado. Actualmente, sólo materiales como ML20MnVB, ML35CrMoV y 35CrMo pueden cumplir los requisitos para tornillos de alta resistencia de grado 12.9.
En 2005, China todavía importaba pernos de biela de grado 12.9 utilizados en motores de automóviles debido a la falta de acero para pernos de alta resistencia de producción nacional.
Aunque Hui Weijun y otros han desarrollado un material de tornillo de alta resistencia de 1300 MPa, 42CrMoVNb, basado en 42CrMo, su rendimiento en aplicaciones prácticas necesita más investigación.
Las propiedades del material requeridas para tornillos de alta resistencia varían según los entornos de servicio.
Yang Xinglin y sus colegas descubrieron que el material 35CrMnSiA utilizado para tornillos de alta resistencia en el entorno marino es propenso a fracturarse durante el servicio.
El análisis reveló que la fractura del perno no se debió a la fragilización ordinaria por hidrógeno, sino al agrietamiento por corrosión bajo tensión causado por la corrosión severa de la atmósfera marina y el agua de mar en los materiales del perno.
Se sugirió que reemplazar el recubrimiento y mejorar el nivel de detección de los productos terminados aumentaría la resistencia del perno al agrietamiento por corrosión bajo tensión, pero el problema de los defectos de rendimiento del material seguía sin resolverse.
Después de considerar el entorno de servicio, Fang Dong y su equipo eligieron el material 16Co14Ni10Cr2Mo para reemplazar el 35CrMnSiA.
Este acero tiene alta resistencia, buena plasticidad, tenacidad y excelente rendimiento general.
Aunque ha sido ampliamente utilizado en aviación, esta es la primera vez que se utiliza en la fabricación de pernos de gran sección y se aplica en el medio marino.
La prueba simulada en un ambiente marino mostró que el perno M56 hecho de acero 16Col4Nil0Cr2MoE no se rompe debido a la fragilidad a baja temperatura o a la fragilidad por entalladura. Además, el agrietamiento por corrosión bajo tensión y la fractura por sobrecarga no ocurren en el estado de preapriete incluso si el recubrimiento está desgastado, y el funcionamiento normal no causa fractura por sobrecarga.
El producto de tornillo se puede utilizar de forma segura durante un año en uso práctico. El estudio de los académicos chinos sobre tornillos de alta resistencia se centró en el mecanismo de fractura por fragilidad por hidrógeno, la mejora del proceso de tratamiento térmico y el análisis de fallas de tornillos de alta resistencia. Esta investigación proporciona una base crucial para el desarrollo de materiales para tornillos de alta resistencia en el futuro.
El rendimiento de los materiales para tornillos de alta resistencia depende en gran medida de la aleación y los oligoelementos. Las investigaciones han demostrado que la adición de elementos de microaleación, como 0,02% de Ti, al acero revenido y sin templar puede precipitar una fase que previene el crecimiento del grano durante el calentamiento y el trabajo en caliente, y fortalece la matriz durante el enfriamiento, mejorando las propiedades generales del acero.
Sin embargo, no todos los precipitados mejoran las propiedades integrales del acero. Utilizando el software Thermo Scale y Dicta se calculó la precipitación en acero microaleado de 40MnV.
La composición, morfología y distribución de los precipitados se estudiaron mediante análisis electrolítico, difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión. Los resultados indican que una pequeña cantidad de N y Ti en el acero puede provocar la precipitación de partículas gruesas de TiN, con un tamaño de 50 nm, en la zona bifásica sólido-líquido.
La teoría de Gladman sugiere que las partículas (Ti,V)(C,N) precipitadas en la zona de dos fases sólido-líquido no pueden impedir el crecimiento del grano durante el calentamiento. En cambio, estas partículas gruesas dañan las propiedades del acero.
Al reducir el contenido de N o Ti, la temperatura de precipitación y la cantidad de TiN en la zona de dos fases sólido-líquido se pueden reducir de manera efectiva, asegurando más precipitación de VN. Aproximadamente el 0,02% de Ti en el acero microaleado debe reducirse a un rango apropiado y el contenido de N también debe controlarse en el rango apropiado.
Al estudiar la influencia de los elementos de aleación en las propiedades de los materiales, podemos sentar las bases para el desarrollo de nuevos materiales para sujetadores de alta resistencia. Sin embargo, una composición de aleación adecuada por sí sola no puede garantizar que los sujetadores desarrollados cumplan con los requisitos de rendimiento reales. Sólo mediante un proceso de tratamiento térmico razonable y la coordinación de la dureza, resistencia, plasticidad y tenacidad del material se pueden desarrollar tornillos con un rendimiento excelente.
30NCD16 es un acero de aleación de alta resistencia con una robusta resistencia al calor y alta resistencia y tenacidad después del templado a temperatura media-alta. Liu Xiangjiang y Liu Hua estudiaron la influencia de la temperatura de enfriamiento y revenido en la estructura y propiedades del 30NCD16.
Determinaron que el proceso de tratamiento térmico ideal para el acero de alta resistencia 30NCD16 es entre 840 y 870 ℃. Después del enfriamiento y revenido a 560 ℃, se puede obtener una estructura de sorbita fina y uniforme. La resistencia a la tracción del acero es de más de 1200 MPa y la energía de impacto de Akus es de más de 50 J.
Wang Genji et al. estudiaron el efecto de diferentes procesos de tratamiento térmico sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de la lámina gruesa de acero de baja aleación y alta resistencia Q390 mediante observación de la microestructura y medición de propiedades mecánicas.
Los resultados muestran que la normalización a 920 ℃ durante 36 minutos puede austenitizar completamente la estructura cristalina mixta en la placa de acero de baja aleación Q390 laminada en caliente, logrando un refinamiento del grano. El enfriamiento posterior la transforma en ferrita y perlita poligonales, lo que da como resultado excelentes propiedades mecánicas integrales.
El alargamiento y la resistencia al impacto del acero CrNiMoBNb16-16 son significativamente mayores que los del estado laminado en caliente, y el fenómeno de delaminación por fractura por tracción se elimina por completo. Este acero de alta aleación es un material importante para la producción industrial, y se utiliza principalmente como material para tornillos en aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, como turbinas de vapor, turbinas de gas, motores, reactores químicos y equipos térmicos de alta presión.
He Wei et al. analizaron la relación entre la estructura y las propiedades mecánicas del acero CrNiMoBNb16-16 desde dos perspectivas: la influencia de los procesos de tratamiento térmico en las propiedades de tracción a temperatura ambiente y alta y la influencia de la temperatura de prueba en las propiedades de tracción.
Los resultados de la prueba indican que con el aumento de la temperatura de prueba (20～650℃), la resistencia y plasticidad del material disminuyen significativamente. Para este material, la forja en caliente tiene un mejor rendimiento integral que la forja a alta temperatura. En consecuencia, se determina que la forja en caliente es el tratamiento termomecánico ideal para este material, dando como resultado la mejor combinación entre resistencia y tenacidad.
Para la mayoría de los aceros estructurales aleados, la resistencia a la tracción se puede aumentar a 1200 MPa ajustando la composición de la aleación y realizando el tratamiento térmico adecuado. Sin embargo, un mayor aumento de la resistencia puede reducir el valor de uso del material y provocar una mayor inseguridad debido a una fractura retrasada.
Los resultados muestran que la resistencia a la fractura retardada del acero de alta resistencia se puede mejorar reduciendo la segregación de los límites de grano, refinando los granos, aumentando la temperatura de templado, ajustando los elementos de aleación, reduciendo la cantidad de intrusión de hidrógeno en la superficie y haciendo que la intrusión de hidrógeno sea inofensiva. .
3. Materiales comunes para tornillos de alta resistencia y su mecanismo de fortalecimiento y tenacidad.
3.1 Aceros de baja aleación
Los aceros de baja aleación suelen contener una cantidad media de carbono. La composición de la aleación incluye las series Cr, Cr Mo, Cr Ni, Ni Cr Mo, Mn y Mn Cr.
La Tabla 2 muestra que el acero para tornillos de baja aleación tiene una amplia gama de aplicaciones y el grado de resistencia se puede seleccionar entre 700 y 1000 MPa.
Sin embargo, cuando la resistencia supera los 1200 MPa, el problema de la falla retardada de los pernos fabricados con acero de baja aleación se vuelve prominente y debe resolverse.
En la actualidad, el acero de baja aleación sigue siendo el material principal para los tornillos de alta resistencia.
Los pernos fabricados con acero de baja aleación requieren temple y revenido, lo que significa que primero deben templarse y luego revenirse.
Además, debido al alto contenido de carbono y a los elementos de aleación, el acero tiene una gran dureza y resistencia a la deformación.
Por lo tanto, es necesario un tratamiento de recocido esferoidal antes de la forja en frío.
Debido a que el acero de baja aleación contiene múltiples elementos de aleación, encontrar formas de ahorrar la aleación en el acero para pernos y reducir los costos es una cuestión crítica a considerar.
Además, debido al contenido relativamente alto de carbono y elementos de aleación, la plasticidad y tenacidad del acero son pobres.
Para aumentar aún más la resistencia y garantizar la plasticidad necesaria, este tema requiere más investigación.
Tab.2 Grado de resistencia MPa de algunos aceros para tornillos
| Tipo de acero | 400 | 500~600 | 700~800 | 900~1000 | 1100 |
| Acero carbono | √ | √ | √ | ||
| acero templado y sin templar | √ | ||||
| acero al boro | √ | √ | √ | ||
| acero de aleación ligera | √ | √ | √ |
3.2 Acero al boro
Con el desarrollo de la tecnología de forjado en frío, ha habido un aumento significativo en la demanda de pernos de acero forjado en frío.
Los pernos de alta resistencia se fabricaban tradicionalmente con acero con medio carbono y acero de aleación con medio carbono. Sin embargo, estos aceros tienen una alta dureza y una resistencia significativa a la deformación en frío, por lo que requieren un tratamiento de recocido esferoidal antes de la forja en frío. Este proceso consume mucha energía.
Para solucionar este problema se desarrolló acero con bajo contenido en carbono y boro. El principio básico de diseño de la composición de acero con bajo contenido de carbono y boro es reducir el contenido de carbono y mejorar la capacidad de deformación en frío del acero. Se añade una pequeña cantidad de boro para compensar la pérdida de resistencia y templabilidad causada por la reducción de carbono. Además, se pueden añadir pequeñas cantidades de Cr, Mn y otros elementos de aleación según sea necesario para mejorar aún más la templabilidad.
Las características del acero con bajo contenido de carbono y boro son las siguientes:
- Una pequeña cantidad de boro puede sustituir una gran cantidad de elementos de aleación, lo que lo hace más económico.
- Los productos laminados se pueden forjar directamente en frío sin tratamiento previo de esferoidización debido al bajo contenido de carbono y elementos de aleación. Esto ahorra mucha energía.
- La tendencia al revenido, la deformación y el agrietamiento es mínima, lo que permite tratar el acero mediante enfriamiento con agua, ahorrando aceite de enfriamiento y mejorando las condiciones operativas y el entorno de trabajo.
- El acero con bajo contenido de carbono y boro tiene excelentes propiedades, incluida una tenacidad mejorada en comparación con el acero de aleación con medio carbono al mismo nivel de resistencia, alta resistencia a la falla por fatiga y baja sensibilidad a la descarburación.
Los tornillos de acero al boro se utilizan cada vez más en las industrias del automóvil, la construcción, la maquinaria y otras industrias. Como ilustra la Tabla 2, se pueden fabricar pernos con resistencias que oscilan entre 700 MPa y 1100 MPa con acero al boro.
3.3 Acero sin templar y revenido
El acero revenido y sin templar contiene una pequeña cantidad de elementos de aleación y no requiere temple ni revenido. Al controlar la deformación por trabajo en caliente y la posterior velocidad de enfriamiento, se pueden garantizar las propiedades mecánicas requeridas, ahorrando el consumo de energía para el tratamiento térmico, acortando el ciclo de producción y reduciendo el costo del acero.
En la actualidad, los tornillos de acero revenidos y sin templar se utilizan principalmente en la fabricación de automóviles, pero su número total es aún pequeño y su ámbito de aplicación no es amplio. Aunque su costo es menor que el del acero templado y revenido, su tenacidad es menor, el nivel de resistencia no es lo suficientemente estable y la vida útil del troquel es más corta durante el forjado en frío. Estas limitaciones restringen el ámbito de aplicación de los aceros revenidos y sin templar.
El acero templado y sin templar se utiliza principalmente para pernos de grado 700-800 MPa y, a veces, para pernos de más de 900 MPa. Normalmente, se utilizan sistemas de C-Mn revenidos y sin apagar con un contenido de carbono de aproximadamente 0,25% o sistemas de C-Mo con un contenido de carbono de aproximadamente 0,10% para pernos de grado 700-800 MPa. Se añaden trazas de Nb, V, Ti y otros elementos, y la estructura es ferrita + perlita.
Cuando el nivel de resistencia es superior a 900 MPa, generalmente se añaden Cr, Ti, B y otros elementos al sistema C-Mo Si que contiene aproximadamente un 0,10 % de carbono para mejorar la templabilidad y garantizar una resistencia y tenacidad satisfactorias. La estructura es ferrita+bainita.
Para mejorar la tenacidad del acero revenido y sin templar y obtener resistencia y tenacidad adecuadas, ajustar la tecnología de procesamiento (como la temperatura de trabajo en caliente, la deformación por laminación y el enfriamiento controlado después de la laminación), además de controlar la composición química, también puede ser una solución.
3.4 Acero martensítico con bajo contenido de carbono
Todo el acero sin alear (acero al carbono) o acero estructural con bajo contenido de carbono y baja aleación con un contenido de carbono inferior al 0,25% puede obtener más del 80% y, a veces, incluso el 100% de una estructura de martensita con bajo contenido de carbono después de un enfriamiento intensivo.
Este tipo de acero se conoce comúnmente como acero martensita con bajo contenido de carbono. Tiene una dureza de 45-50 HRC, un límite elástico de 1000-1300 MPa y una resistencia a la tracción de 1200-1600 MPa.
Presenta buena plasticidad (A ≥ 10%, Z ≥ 40%) y tenacidad (Axv ≥ 59 J), junto con una excelente trabajabilidad en frío, soldabilidad y mínima distorsión por tratamiento térmico.
Como resultado, el uso de acero martensita con bajo contenido de carbono está cada vez más extendido y se ha convertido en una forma crucial de liberar el potencial de resistencia y tenacidad del acero y extender la vida útil de las piezas de las máquinas.
Los materiales comúnmente utilizados en la producción de tornillos de alta resistencia incluyen 15MnVB, 20MnSi, 20 acero, 20MnTiB, etc.
3.5 Mecanismo de fortalecimiento y endurecimiento.
Los mecanismos que fortalecen y endurecen el acero de alta resistencia incluyen principalmente el refuerzo de grano fino, el refuerzo por solución, el refuerzo por precipitación y dispersión y el refuerzo por dislocación.
1) Fortalecimiento de los granos finos.
Al aumentar los límites de grano para obstruir el movimiento de las dislocaciones y restringir la deformación plástica dentro de un cierto rango, es posible mejorar la plasticidad del acero. Esto no sólo aumenta efectivamente la resistencia, sino que también optimiza significativamente la plasticidad y la resistencia.
Actualmente, la tecnología de laminación controlada y enfriamiento controlado (TMCP) se utiliza ampliamente en la industria. Implica el refinamiento de la estructura final mediante recristalización de austenita, transformación de ferrita inducida por deformación (DIFT), enfriamiento acelerado y recristalización de ferrita.
2) Fortalecer la solución
La matriz metálica (metal solvente) se puede reforzar utilizando los defectos puntuales internos de los materiales metálicos, como los átomos intersticiales y los átomos de reemplazo.
A medida que aumenta la diferencia de diámetros atómicos, también aumenta el grado de distorsión, lo que conduce a un mayor efecto de fortalecimiento.
Además, la adición de elementos como Mn, Si, Ni, Mo a Fe puede provocar un fortalecimiento de la solución sólida de tipo desplazamiento.
3) Fortalecimiento de la precipitación y dispersión.
Cuando las partículas de la segunda fase precipitan, crean un campo de tensión y una región de alta energía en la matriz, lo que resulta en un marcado aumento de la resistencia, la dureza y el fortalecimiento general.
Se puede concluir que:
- Cuanto mayor sea la proporción en volumen de la fase precipitada, más significativo será el efecto fortalecedor.
- Cuanto mayor sea la dispersión de la segunda fase, mejor será el efecto fortalecedor.
- Cuanto mayor sea la resistencia de las partículas de la segunda fase al movimiento de dislocación, mayor será el efecto fortalecedor.
4) Fortalecimiento de la dislocación.
Es un desafío mover desplazamientos debido a su alta densidad.
Una propiedad mecánica de los metales es la mejora de su resistencia. La multiplicación de dislocaciones puede fortalecer metales reales con defectos cristalinos.
El movimiento de las dislocaciones es la razón principal del fortalecimiento de la solución, el fortalecimiento de grano fino, la precipitación y el fortalecimiento de la dispersión.
Los microdefectos de la estructura de la matriz, incluidos los límites de grano, las partículas de precipitación, la subestructura de dislocación y la distorsión de la solución, afectan principalmente la resistencia y tenacidad de los materiales de tornillo de alta resistencia.
Las estructuras de microdefectos mencionadas anteriormente pueden mejorar la resistencia del acero. Sin embargo, aunque un aumento en los límites de los granos (es decir, el fortalecimiento de los granos finos) puede aumentar la tenacidad, otras estructuras de microdefectos pueden reducir la tenacidad.
Para reforzar materiales de tornillos de alta resistencia, es necesario utilizar plenamente estos mecanismos de refuerzo.
4. Perspectiva de la investigación de materiales para tornillos de alta resistencia.
Con el avance de los sectores de energía, automóvil, maquinaria, construcción, industria ligera y otros, existe una demanda creciente de materiales para producir diversos tipos de tornillos de fijación, lo que genera una necesidad urgente de materiales para tornillos de alta resistencia.
Durante la última década, se ha puesto un énfasis significativo en el avance de esta tecnología, tanto a nivel nacional como internacional. En China se inició el proyecto “Principales investigaciones básicas sobre materiales de acero de nueva generación” (973), que incluye la investigación y el desarrollo de pernos de acero de alta resistencia como una de sus áreas críticas.
La tendencia de desarrollo del acero para tornillos de alta resistencia se puede resumir de la siguiente manera:
1) Acero de alta resistencia y alto rendimiento
A medida que aumenta la resistencia del acero, también aumenta su susceptibilidad a la fractura retardada. En concreto, cuando la resistencia a la tracción supera los 900 MPa y la dureza es igual o superior a 31 HRC, la sensibilidad a la fractura retardada aumenta gradualmente. Además, cuanto mayor sea la tensión de servicio, más extenso será el daño causado por la fractura.
Por esta razón, es crucial desarrollar aceros para tornillos de alta resistencia con una excepcional resistencia a la fractura retardada. Esto ayudará a proteger la vida y la propiedad de las personas y, al mismo tiempo, ampliará la gama de aplicaciones de los tornillos de alta resistencia.
2) Reducir costes y consumo energético
Para reducir costos, considere reemplazar el acero al boro barato con aceros aleados de alto precio que contengan Ni, Cr, Mo, etc.
Además, las siguientes técnicas pueden ayudar a reducir el consumo de energía, mejorar el rendimiento del tornillo y minimizar la tendencia de los extremos de las roscas a descarburarse:
- Utilice forjado en frío en lugar de forjado en caliente.
- Utilice acero templado y sin templar para reducir el proceso de tratamiento térmico.
- Utilice acero sin recocer con bajo contenido de carbono que no requiera tratamiento de ablandamiento antes de forjar.
- Utilice productos laminados de alta precisión que no necesiten pelarse ni estirarse.
3) Mejorar la calidad y confiabilidad del acero para tornillos.
La confiabilidad y la vida útil de las piezas de tornillos están estrechamente relacionadas con la calidad metalúrgica y el estado de la superficie del acero para tornillos, así como con algunas propiedades de procesamiento.
Al aumentar la pureza del acero y reducir el contenido de S y P, se puede mejorar la capacidad de deformación del acero. Esto reduce la fragilización de los límites de grano y la presencia de inclusiones no metálicas, aumentando así la tenacidad y plasticidad del acero. También mejora la resistencia a la fractura retardada del acero.
Además, la precisión de fabricación, la tecnología de fijación y los métodos de prueba de los tornillos terminados son factores cruciales que afectan la confiabilidad de los tornillos de alta resistencia.
