AFM - závesná skrutka žeriavového háku

1. Úvod

Ekonomická efektívnosť výrobného procesu závisí od vhodne a účelne zvolených základných technologických operácií, ale tiež aj od vhodných strojne-technologických zariadení, ktoré nám umožňujú získať požadovaný výrobok s potrebnými vlastnosťami. Pri skúmaní jednotlivých možností pre výrobu závesnej skrutky žeriavového háku som navrhol technológiu výroby, ktorá pozostáva so zápustkového kovania a následného tepelného spracovania, ktoré pozostáva s normalizačného žíhania, cementácie, kalenia a následného popúšťania.
2. Materiál

2.1 Požadovaný materiál

Materiál na výrobu závesnej skrutky žeriavového háka je ten istý ako materiál samotného háka, teda musí byť oteruvzdorný, tvrdý, vysoko húževnatý a minimálne deformovaťeľný. Požadovaná nosnosť háku je 15 000 kg a prierez nosnej časti je 0,00915m , napätie vznikajúce v tejto časti sa určí ako kde F je sila, ktorá sa určí ako m*g teda 15 000 kg * 9,81 m .s = 147 150 N, S = 9 145 mm t. j. 160,9 MPa. Mnou zvolená oceľ 12 020 má pevnosť v ťahu R = min. 390 MPa, najnižšiu medzu sklzu R = 225 MPa. Pri rátaní s bezpečnostným koeficientom 1,25 bude celkové napätie 201,125 MPa , čiže mnou zvolená oceľ 12 020 je vhodná na výrobu závesnej skrutky .

2.2 Voľba materiálu

2.2.1 Chemické zloženie ocele

Na výrobu závesnej skrutky žeriavového háku som zvolil Oceľ 12 020.1 táto oceľ je konštrukčná, nelegovaná, normalizačne žíhaná a vhodná na cementovanie[2]. Chemické zloženie danej ocele podľa [5] je :
0,13 až 0,20 % C
0,60 až 0,90 % Mn
0,15 až 0,40 % Si
0,25 % Cr
0,30 % Ni
0,30 % Cu
0,04 % P
0,04 % S
Teploty premeny podľa diagramu železo – uhlík : AC = 720 °C
AC = 840°C
Oceľ s obsahom uhlíka 0,2 % je podeutektoidná.

Výsledná štruktúra výkovku bude Martenzitická.

2.2.2 Mechanické vlastnosti ocele

Jedná sa o výkovok stredných rozmerov s priemermi od 25 do 100 mm, ktorý má tieto mechanické vlastnosti:
najnižšia medza sklzu : R = 225 Mpa
pevnosť v ťahu: R = 390 Mpa
najnižšia ťažnosť: A = 26%
najnižšia kontrakcia : Z = 55%
tvrdosť cementovanej vrstvy po kalení podľa Vickersa HV : 725
tvrdosť cementovanej vrstvy po kalení podľa Rockwella HRC : 60
Tieto údaje platia pre materiál v stave normalizačne žíhanom 12 020.1 [5].


2.3 Rozmerové určenie výrobku

Hák s nosnosťou 15 ton patrí do II. skupiny (stredne ťažké) žeriavov. Rozmery daného háku sú podľa [6] v mm : a1 = 125
a2 = 100
b1 = 112
b2 = 45
b3 = 95
b4 = 60
d1 = 85
e = 272
h1 = 140
h2 = 118
l = 450
r1 = 14
r2 = 22
r3 = 125
r4 = 265
r5 = 182
r6 = 160
váha v kg = 41
Veľkosť háku je označená číslom 12,5 [6].
Veľkosť závitu pre závesnú skrutku daného háku je M 48x3 [7].


2.4 Vplyv chemických prvkov na vlastnosti ocele

Vlastností jednotlivých ocelí sú veľmi závislé na chemickom zložení resp. na množstve jednotlivých prvkov vyskytujúcich sa v oceliach. Uhlík sa dostáva do ocele najmä zo surového železa a jednotlivých prísad, v málo legovaných oceliach ako cementit. Pevnosť ocelí stúpa so zvyšujúcim sa obsahom C avšak len do obsahu 1,2 %. Súčastne stúpa krehkosť, tvrdosť a prekaliteľnosť. Zhoršuje sa zvárateľnosť a klesá teplota tavenia.
Mangán prichádza zo surového železa. Roztavená oceľ sa mangánom odkysličuje, zbavuje síry, čim sa zmenšuje nebezpečenstvo lámavosti pri kovaní za tepla. Mn do obsahu 0,2 % zvyšuje pevnosť a ťažnosť mäkkých ocelí. Tieto ocele sú citlivé na prehriatie a zle sa zvárajú. Pri obsahu Mn nad 12 % je oceľ veľmi húževnatá, ťažko obrábateľná a odoláva opotrebeniu.
Kremík prichádza zo surového železa .V obyčajných druhoch ocelí na kovanie a valcovanie je Si 0,15 –0,35. Stúpajúci obsah Si zvyšuje medzu pružnosti, pevnosti, únavy, zmenšuje tvárnosť za studena a zvárateľnosť.
Chróm je najpoužívanejšou prísadou ocele. Výrazne zväčšuje pevnosť, tvrdosť ( chrómovy cementit ) a odolnosť proti opotrebeniu. V množstve nad 12 % zvyšuje odolnosť voči korózii, chemickým vplyvom a teplote.
Nikel do 0,5 % zjemňuje kryštalické zrno a tým zvyšuje húževnatosť.
Meď v množstve od0,2 do0,3 % zväčšuje pevosť ocele za tepla a odolnosť voči korózii.[4]

3. Tepelné spracovanie

Pre moju súčiastku som navrhol nasledovné tepelné spracovanie, ktoré by som realizoval v takej postupnosti krokov a teplôt v akej sú zapísané:

Krok Operácia Približná teplota
1. Ohrev materiálu 1225°C
2. Zápustkové kovanie 1150°C
3. Normalizačné žíhanie 870-890°C / 2 hod./vzduch
4. Cementovanie v plyne / vzduch 850-950°C/30min./0,1mm
5. Kalenie vo vode 850°C
6. Popúšťanie / vzduch 150-225°C


3.1 Technológia výroby

3.1.1 Ohrev materiálu

Rýchlosť akou ohrievame požadovaný výrobok značne ovplyvňuje výrobnosť, preto sa snažíme ohrievať materiál čo najrýchlejšie.

Treba však mať na zreteli, že s vysokou rýchlosťou ohrevu rastie rozdiel teplôt po priereze ohrievaného materiálu a s rastom teplotného spádu úmerne rastú aj termické napätia. Ohrev približne na teplotu 1225°C.
Ohrev v indukčnej peci sa zdá byť najekonomickejší a najmenej ovplyvňuje povrchové vlastnosti z hľadiska chemického zloženia. Vhodné je uskutočniť pred ohrev materiálu.

3.1.2 Zápustkové kovanie

Zápustkové kovanie na rozdiel od voľného kovania sa uplatňuje vo veľkosériovej a hromadnej výrobe. Toto kovanie je presnejšie, získame kvalitnejší povrch, lepší vzhľad výkovku, docielime dôkladné prekovanie materiálu ako aj správny priebeh vlákien. [1]
Zápustkové kovanie sa bude vykonávať pri teplote približne 1150 °C, výkovky sa pomaly ochladzujú. Kovanie je tvarovanie materiálu za tepla tlakom alebo rázom. Kovaním sa zrovnomerňuje chemické zloženie a štruktúra, ktorá sa zjemní a zlepšia sa mechanické hodnoty, hlavne húževnatosť.
Po kovaní potrebujeme na telo háku narezať závit pomocou strojného zariadenia – sústruhu.


3.1.3 Normalizačné žíhanie

Normalizačné žíhanie (normalizácia) je najdôležitejší a najčastejšie používaný spôsob žíhania. Používa sa na zjemnenie zrna austenitu a vytvorenie jemnej rovnomernej výslednej štruktúry s priaznivými mechanickými vlastnosťami. Normalizačne sa žíhajú výhradne iba podeutektoidné ocele. Nevyhnutné je pri odliatkoch a výkovkoch, ktoré majú v pôvodnom stave nerovnomernú štruktúru a v niektorých častiach i veľmi hrubé zrno.
Teplota normalizačného žíhania podeutektoidných ocelí je 30 až 50 °C nad AC s výdržou 1 až 4 hodiny. Ochladzovanie sa robí zásadne voľne na vzduchu. Výsledná štruktúra nie je jednoznačne definovaná a záleží na chemickom zložení ocele a na veľkosti žíhaného objektu. Žíhanie sa v závislosti na rýchlosti ochladzovania delí na normalizačné žíhanie s ochladzovanímna vzduchu a na žíhanie homogenizačné u ktorého sa ochladzovanie z nadkritickej teploty prevádza v peci. Mikroštruktúra podeutektoidných ocelí sa pri takejto rozdielnej rýchlosti ochladzovania rozlišuje tvrdosťou, pomerom feritu a perlitu, disperzitou perlitu a hodnotou vnútorných napätí.

Veľkosť vnútorných napätí po ochladení na vzduchu z teploty normalizačného žíhania nie je zanedbateľná a môže byť príčinou zvýšenej miery bortenia pi zušľachťovaní po obrobení [3].
Pri označovaní ocelí sa stav normalizačného žíhania označuje doplnkovým číslom 1.[2] Normalizačné žíhanie sa v prípade výroby závesnej skrutky žeriavového háku bude vykonávať na žíhacej teplote 870 – 890 °C, s výdržou približne 2 hodiny a nasledovným ochladením na vzduchu.
3.1.4 Cementovanie

Cementovanie je nasycovanie povrchu oceľových súčiastok uhlíkom. Používa sa vtedy, ak sa od súčiastok požaduje vysoká povrchová tvrdosť, pri súčastnom zachovaní húževnatého jadra. Na cementovaie sú vhodné mäkké ocele s obsahom od 0,1 až 0,3 %C. Povrch súčiastok sa obohacuje na eutektoidnú alebo mierne nadeutektoidnú koncentráciu.
Zakalením nacementovanej súčiastky sa získa vo vrstve martenzitická štruktúra vysokej tvrdosti, pričom v jadre dochádza, v závislosti od prekaliteľnosti ocele a veľkosti prierezu, väčšinou iba k čiastočnému zakaleniu, prípadne vznikajúci martenzit má vzhľadom na nízky obsah uhlíka nízku tvrdosť. Jadro súčiastky preto zostane mäkke a húževnaté.
Cementovanie sa robí pri teplotách asi 50°C nad AC. Pre ocele uhlíkove s obsahom 0,2 %C je to asi 850 až 950°C. Hĺbka cementačnej vrstvy býva 0,5 až 2 mm.
Pri cementovaní môže uhlík do ocele difundovať buď z plynnej alebo kvapalnej fázy. Atmosféra pre cementovanie predstavuje zložité zmesi plynov, najmä CO, CO2, N2, H2, H2O a uhľovodíkov. Cementovanie sa robí v tuhom, kvapalnom alebo plynnom prostredí.[3]
Pre zachovanie dobrej obrobiteľnosti na mieste závitu je nevyhnutné dané miesto natrieť špeciálnou pastou resp. krémom pred samotnou operáciou cementovania. Pre svoju súčiastku odporúčam cementovať v plyne pri teplote 880°C a po dobu 3 hodín kedy dosiahnem cementačnú vrstvu o hrúbke 0,6 mm.

3.1.5 Kalenie

Kalenie je tepelné spracovanie pozostávajúce z ohrevu ocele na kaliacu teplotu, výdrže na tejto teplote a ochladenia rýchlosťou väčšou než je rýchlosť kritická.
Pri voľbe vhodného spôsobu kalenia je potrebné zohľadniť chemické zloženie ocele, žiadané mechanické a iné vlastnosti po tepelnom spracovaní, potrebu čo najnižších výrobných nákladov, čo najnižšej časovej náročnosti zvoleného spôsobu kalení [3].
Pri mojom potrebnom tepelnom spracovaní som zvolil kalenie pri teplote okolo 850 °C s ochladením do vody. 3.1.6 Popúšťanie

Popúšťanie je ohrev zakalenej ocele s martenzitickou štruktúrou, na teploty pod AC za účelom vytvorenia štruktúr bližších k rovnovážnym. Popúšťanie pri nízkych teplotách ( do 350 °C) sa prevádza za účelom zníženia napätí po kalení, zmenšenia podielu zvyškového austenitu, stabilizácia rozmerov, zvýšenia húževnatosti. Pokles tvrdosti je minimálny.
Popúšťanie pri vyššých teplotách ( nad 350°C ) sa prevádza za účelom dosiahnutia štruktúr vykazujúcich priaznivejší komplex mechanických vlastností – vysokú húževnatosť pri vysokých hodnotách medze sklzu, medze únavy, kontrakcie.

Je súčasťou procesu anizotermického zušľachťovania.[3]
Pri výrobe závesnej skrutky žeriavového háku budem popúšťať pri teplotách 150 – 225 °C

Po tepelnom spracovaní nasledujú operácie finalizácie výrobku ako sú brúsenie, leštenie poprípade natieranie farbou, lakom a pod.

4. Ekonomické aspekty

Pri porovnaní zápustkového kovania s kovaním voľným je zrejme že zápustkové kovanie sa používa vo veľkosériovej výrobe, zatiaľ čo voľné kovanie sa používa zväčša pri malosériovej výrobe. Zápustkové kovanie má viacero výhod ako: produktivita práce je niekoľkokrát vyššia, presnosť požadovaných výrobkov je väčšia, čím dochádza jednoznačne k úspore materiálu, vyššia možnosť docielenia dobrého vzhľadu, dôkladné prekovanie materiálu ako aj správny priebeh vlákien.
Pri malosériovej výrobe by som odporučil voľné kovanie, vzhľadom na vysokú cenu zápustky. Táto Oceľ 12 020 sa vyznačuje relatívne nízkym obsahom legúr, čo ju predurčuje na všestranné masové využitie.
5. Ekologické Aspekty

Najväčšie znečistenie vznikne pravdepodobne pri tvarovaní súčiastky teda pri kovaní kde odpadne z materiálu tzv. opal ktorý vznikne pri predohreve materiálu na tvárniacu teplotu.
Pri tvárnení materiálu musíme brať do úvahy hluk, ktorým sa tvárniace procesy ( hlavne kovanie ) vyznačujú.
Pri ohreve a tepelnom spracovaní by som odporúčal ohrev materiálu v indukčnej peci so zabezpečeným odsávaním a filtráciou spalín pre zabránenie znečistenia ovzdušia.

6. Zhrnutie a Záver

Keďže závesná skrutka žeriavového háku je vyrobená z materiálu ako samotný hák, pretože je to jeho neoddeliteľná súčasť môžeme daný výrobný postup aplikovať aj na výrobu žeriavových hákov. Zápustkové alebo voľné kovanie je najvhodnejší tvárniaci proces na výrobu takéhoto sortimentu. V jeho prospech hovorí malá pracnosť, cenová výhodnosť a hlavne veľké sa priblíženie ku koncovému tvaru.Tepelné spracovanie je ďalšia nevyhnutná časť pri výrobe, pretože výkovok po vykovaní nemusí mať ešte požadované vlastnosti ako pevnosť oteruvzdornosť a pod.






Zoznam použitej literatúry



[1] Beneš, A. a kol.: Mechanická technológia kovov, Nakladatelství technické literatúry, Praha, 1967

[2] Homišin, J. a kol.: Základy strojného inžinierstva, Vienala, Košice, 2001

[3] Puškár, A.- Micheľ,J.- Pulc, V.: Náuka o materiáli I, Edičné stredisko ŽU, Žilina, 1998

[4] Vasilko, K.- Bogučava, G.: Výrobné Technológie, Fakulta Výrobných Technológii s COFIN, Prešov, 2001

[5] STN 41 2020

[6] STN 27 1902

[7] STN 02 1369






























OBSAH





1. Úvod ...........................................................

1
2. Materiál ........................................................... 1
2.1 Požadovaný materiál ........................................................... 1
2.2 Voľba materiálu ........................................................... 1
2.2.1 Chemické zloženie ocele ........................................................... 1
2.2.2 Mechanické vlastnosti ocele ........................................................... 1
2.3 Rozmerové určenie výrobku ........................................................... 2
2.4 Vplyv chemických prvkov na vlastnosti ocele .............................. 2
3. Tepelné spracovanie ........................................................... 3
3.1 Technológia výroby ........................................................... 3
3.1.1 Ohrev materiálu ........................................................... 3
3.1.2 Zápustkové kovanie ........................................................... 3
3.1.3 Normalizačné žíhanie ........................................................... 3
3.1.4 Cementovanie ........................................................... 4
3.1.5 Kalenie ........................................................... 4
3.1.6 Popúšťanie ........................................................... 5
4. Ekonomické aspekty ........................................................... 5
5. Ekologické aspekty ........................................................... 5
6. Zhrnutie a záver ........................................................... 5
Zoznam použitej literatúry .....................