Шурупы из углеродистой стали: марки, свойства, покрытия и руководство по выбору

Что такое Винт из углеродистой стали ?

А винт из углеродистой стали представляет собой резьбовое соединение, изготовленное из железоуглеродистого сплава, в котором углерод является основным легирующим элементом, обычно присутствующим в концентрации от 0,05% до 1,70% по весу. Содержание углерода, а также следовые количества марганца, кремния, серы и фосфора определяют твердость стали, прочность на разрыв, пластичность и обрабатываемость — и, как следствие, механические характеристики готового винта.

Углеродистая сталь является наиболее широко используемым материалом в производстве винтов во всем мире, на нее приходится большая часть промышленного производства крепежных изделий по объему. Его доминирование обусловлено сочетанием высокое соотношение прочности и стоимости , превосходная формуемость при холодной высадке и накатке резьбы, а также способность подвергаться термической обработке с учетом широкого спектра целевых механических свойств. От крепежных винтов с мелким шагом, используемых в сборках электроники, до крупных конструкционных болтов с шестигранной головкой, используемых в строительстве, винты из углеродистой стали применяются практически во всех отраслях промышленности, где требуется резьбовое крепление.

Основным ограничением углеродистой стали по сравнению с нержавеющей сталью является ее подверженность коррозии во влажных или химически агрессивных средах. Эта проблема решается с помощью ряда обработок поверхности — цинкования, горячего цинкования, фосфатирования и других — которые значительно продлевают срок службы без изменения основных механических свойств крепежа.

Марки углеродистой стали, используемые в производстве винтов

Не вся углеродистая сталь эквивалентна. Марка стали, выбранная для производства винтов, напрямую определяет достижимый класс прочности, реакцию на термообработку и поведение при холодной штамповке. Производители винтов работают преимущественно со следующими категориями материалов:

Низкоуглеродистая сталь (мягкая сталь) — 0,05–0,30 % C.

Низкоуглеродистые сорта, такие как САЭ 1008, 1010 и 1018. являются стандартным материалом для шурупов общего назначения, шурупов для дерева, саморезов и шурупов для гипсокартона. Низкое содержание углерода делает их очень пластичными и легкими в холодной головке (высокоскоростной производственный процесс, при котором катанка формуется в заготовки для винтов без резки), что приводит к превосходной эффективности производства и низкой себестоимости единицы продукции. Однако низкоуглеродистую сталь невозможно значительно укрепить термообработкой, поэтому использование этих винтов обычно ограничивается класс недвижимости 4,8 или ниже по классификации ISO 898-1.

Среднеуглеродистая сталь — 0,30–0,60 % C.

Такие оценки, как САЭ 1035, 1038 и 1045. обладают значительно более высоким потенциалом прочности и хорошо поддаются закалке и отпуску. Это основные материалы для класс прочности 8.8, 9.8 и 10.9 метрические винты — основа структурных и механических узлов в автомобилестроении, машиностроении и строительстве. После термообработки винты из среднеуглеродистой стали достигают прочности на разрыв 800–1040 МПа с контролируемым диапазоном твердости (обычно 22–39 HRC для классов 8,8 и 10,9 соответственно), что обеспечивает баланс между прочностью и устойчивостью к водородному охрупчиванию во время последующих процессов гальванического покрытия.

Среднеуглеродистая легированная сталь — с добавками Cr, Mn или B.

Для высших классов прочности — класс недвижимости 12,9 и специализированные высокопрочные применения — производители используют марки легированной стали, такие как SAE 4135, 4140 (хром-молибден) или марки с повышенным содержанием бора, такие как 10Б38 . Небольшие добавки бора (0,0005–0,003%) значительно улучшают прокаливаемость, позволяя осуществлять сквозную закалку винтов большего диаметра во время закалки. Винты класса 12.9, изготовленные из этих материалов, достигают предела прочности на разрыв минимум 1220 МПа , что делает их идеальным выбором для высокопроизводительных компонентов двигателя, зажимов для инструментов и критически важных соединений конструкций, где целостность соединений не подлежит обсуждению.

Обработка поверхности и защита от коррозии

Голая углеродистая сталь быстро корродирует под воздействием влаги и кислорода. В большинстве случаев обработка поверхности применяется после производства, чтобы обеспечить определенный уровень защиты от коррозии — выбор обработки зависит от окружающей среды, требуемого срока службы, того, будет ли винт окрашен или подвергнут дальнейшей обработке, а также любых нормативных требований (например, соответствия RoHS для электронных устройств).

Цинк Гальваника

Наиболее распространенный метод обработки винтов из углеродистой стали, применяемых внутри помещений и на открытом воздухе. Тонкий слой цинка 5–12 мкм наносится электролитически, обеспечивая щадящую защиту от коррозии — цинк окисляется преимущественно для защиты стальной основы. Стандартные оцинкованные винты обычно достигают 72–200 часов устойчивости к солевому туману согласно ASTM B117. Пассивация желтым хроматом, нанесенная на слой цинка, продлевает срок службы до 200 часов и придает знакомую золотую отделку, которую можно увидеть на многих крепежных винтах. Для высокопрочных винтов классов 10,9 и 12,9 обязательна обработка для предотвращения водородного охрупчивания после нанесения покрытия (обычно при 190°C в течение 4 часов) для предотвращения замедленного разрушения.

Горячее цинкование

Винты погружаются в расплавленный цинк при температуре примерно 450°C, образуя металлургически связанный слой сплава цинка и железа. 45–85 мкм . Это гораздо более толстое покрытие обеспечивает значительно большую устойчивость к коррозии. 500–1000 часов солевой туман — стандартная спецификация для крепежных элементов наружных конструкций, сельскохозяйственного оборудования и объектов инфраструктуры, таких как столбы электропередач и дорожные ограждения. Этот процесс не подходит для высокопрочных винтов класса прочности 10,9 и 12,9 из-за риска поглощения водорода и потенциальной деформации резьбы с жесткими допусками.

Фосфатное покрытие (черное или серое)

Обработка фосфатом цинка или марганца создает на поверхности стали кристаллический конверсионный слой, который обеспечивает минимальную самостоятельную коррозионную стойкость, но превосходное удержание масла и адгезию краски. Фосфатированные и смазанные винты широко используются в узлах автомобилей и машиностроения, где крепеж будет установлен в смазанной среде или впоследствии окрашен. Фосфат марганца также указан из-за его противозадирные свойства на высокопрочных винтах с головкой под торцевой ключ, что снижает риск заклинивания резьбы во время затяжки с контролем крутящего момента.

Geomet/Dacromet и цинковые чешуйчатые покрытия

Неорганические покрытия из чешуек цинка, наносимые методами погружения или распыления, все чаще используются для высокопрочных конструкционных крепежных изделий, где риск водородного охрупчивания при гальванопокрытии неприемлем. Эти покрытия достигают 720–1000 часов устойчивы к солевому туману при толщине покрытия 8–12 мкм, не содержат водорода по своей природе и обеспечивают стабильные коэффициенты трения, критически важные для контроля крутящего момента и напряжения в конструкционных болтовых соединениях. Они являются основным покрытием крепежных изделий класса 10.9 в европейской автомобильной и ветроэнергетической промышленности.

Углеродистая сталь или винты из нержавеющей стали: когда выбирать каждый

Выбор между винтами из углеродистой и нержавеющей стали часто неправильно понимается как просто вопрос коррозии, хотя на самом деле он включает в себя более широкий компромисс между прочностью, стоимостью, магнитными свойствами, стойкостью к истиранию и условиями применения.

Винты из углеродистой стали являются правильным выбором, если:

• Требуется высокая прочность на разрыв — нержавеющая сталь А2-70 достигает 700 МПа, углеродистая сталь класса 10,9 — 1040 МПа, а класса 12,9 — 1220 МПа. Для конструкционных и высоконагруженных соединений углеродистая сталь обычно является единственным практичным вариантом.
• Стоимость является основным фактором, поскольку винты из углеродистой стали, как правило, На 30–70% дешевле чем эквивалентные марки нержавеющей стали по объему, что делает их стандартными для общепромышленного производства.
• Сборка находится в контролируемом помещении или будет окрашена. Это означает, что винт из углеродистой стали с покрытием обеспечивает адекватную защиту при меньших затратах, чем винт из нержавеющей стали.
• Требуется магнитный отклик — например, в магнитных сборочных приспособлениях или автоматизированных системах подачи крепежных изделий, которые полагаются на магнитную ориентацию.

Винты из нержавеющей стали являются правильным выбором, если:

• Крепеж подвергается длительному воздействию влаги, соленой воды или агрессивных химикатов без возможности ухода за покрытием — морское оборудование, оборудование для пищевой промышленности и наружные архитектурные применения.
• Аppearance is critical and the natural silver finish must be maintained without periodic re-coating.
• При сборке используются разнородные металлы, поэтому риск гальванической коррозии необходимо контролировать путем выбора материала, а не покрытия.

Производственный процесс: как изготавливаются винты из углеродистой стали

Понимание производственного процесса проясняет, почему определенные качественные характеристики имеют значение при оценке винтов из углеродистой стали покупателем или инженером-разработчиком.

Преобладающим способом производства является холодный заголовок , также называемый холодной штамповкой. Катанка вытягивается до точного диаметра, обрезается до длины заготовки, а затем при помощи матриц при комнатной температуре постепенно формируется геометрия головки винта — без удаления материала. Холодная высадка упрочняет сталь в месте соединения головки с хвостовиком, улучшая усталостную прочность в этой критической точке концентрации напряжений. Он также выравнивает поток зерна стали с геометрией детали, что механически превосходит механически обработанные винты, где поток зерна прерывается в результате резки.

Резьбонакатка следует холодный заголовок. Плашки с обратным профилем резьбы прижимают форму резьбы к заготовке за счет пластической деформации, а не резки. Как и холодная высадка, это создает сжимающие остаточные напряжения в основании резьбы — области самого высокого напряжения винта при растягивающей нагрузке — что существенно увеличивает усталостную долговечность по сравнению с нарезанной резьбой. Отраслевые данные неизменно показывают, что крепежные детали с накатанной резьбой достигают Усталостная прочность выше на 20–30 % чем крепежные детали с нарезанной резьбой эквивалентного размера из того же материала.

Для класса недвижимости 8,8 и выше: закалка и отпуск, термообработка следует накатывание резьбы. Винты аустенитизируют при температуре 820–880°C, закаливают в масле или растворе полимера для достижения полного мартенситного превращения, затем отпускают при температуре 425–500°C для снижения хрупкости и достижения целевого диапазона твердости и прочности на разрыв, указанного в стандарте ISO 898-1. Окончательная обработка поверхности — гальваническое покрытие, покрытие или пассивация — применяется после термообработки и любого необходимого контроля.