Материалы и покрытия для крепежной техники

Качество материала для крепежной техники определяется совокупностью его механических свойств:

• сопротивлением статическим воздействиям (временным сопротивлением и пределом текучести при растяжении);
• сопротивлением динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударной вязкостью при различных температурах);
• показателями пластичности (относительным удлинением);
• сопротивлением расслоению (изгибом в холодном состоянии).

Значения этих показателей устанавливаются государственными стандартами. Кроме того, качество материала определяется сопротивлением многократному нагружению (усталостью) и коррозионной стойкостью.

Основная масса металлического крепежа изготавливается из стали. Причиной, по которой сталь занимает исключительное место в ряду других металлов и сплавов, являются её замечательные механические свойства, например, уникально высокое отношение вязкости к прочности, а также высокая распространенность в природе минералов, содержащих соединения железа, и относительно простая и дешевая технология получения стали.

Сталь

Под сталью понимается сплав железа Fe и углерода С с содержанием в сплаве последнего не более 1,5%. Стали, применяемые в производстве крепежа, в зависимости от процентного содержания углерода и легирующих элементов можно разделить на следующие группы.

Нелегированная низкоуглеродистая сталь с содержанием 0,22% С используется для производства низкопрочного крепежа (болтов, винтов, гаек, гвоздей). Этот вид сталей, в соответствии с рекомендациями DIN, обозначается буквами "St" и числом, определяющим десятую часть значения предельной прочности на разрыв. Например, St 38 - низкоуглеродистая сталь (С - 0,22%) характеризуется значением предела прочности на разрыв, равным 380 N/мм.кв.

В зависимости от метода изготовления различают несколько видов стали.Один из них - кипящая сталь, в процессе плавки которой и по её окончании наблюдается активное выделение газов. Такая сталь обозначается с использованием буквы U перед St. В российской технической терминологии такие стали имеют обозначение, например, 08 кп.

Другой вид - спокойая сталь (в противоположность кипящей). В ее обозначении используют букву R перед St. При получении такого copтa стали «кипящую» «успокаивают» или раскисляют добавлением кремния или алюминия, улучшающими структуру стали. Отечественные производители маркируют такой вид стали как 10сп. Углеродистые стали, применяемые в метизной промышленности, обычно подразделяют на стали для холодной высадки (ДИН 1654), стали для термической обработки и закалки (ДИН 17200) и стали с упроченной поверхностью (цементированные) по ДИН 17210. Углеродистые стали этой группы делятся по качеству на 3 вида:

• качественная сталь, маркируемая символом углерода - С и числом, показывающим его процентное содержание, например, сталь С 35 содержит 0.35% углерода.
• высококачественная сталь, маркируемая символом Ck и числом, показывающим процентное содержание углерода, например Ck 35. В отличие от качественной стали содержание фосфора и серы составляет здесь макс. 0.035%, в то время как C 35 содержит примесей не более 0.045%.
• сталь для холодной высадки, обозначаемая как Cq. Она обладает специфическими свойствами, позволяющими применять для ее обработки методы холодного формообразования. Сталь Cq 35 содержит 0.35% С и не более 0.035% P и S.

В группе легированных углеродистых сталей, закрепленных вышеназванными стандартами, процентное содержание химических элементов, которые в обычных сталях проявляются как следы или как примесь, должно быть увеличено, а других - добавлено. При этом изменяются свойства стали: увеличиваются механическая прочность, коррозийная стойкость и т. п. Маркировка таких сталей содержит в обозначении на первой позиции число сотых процента содержания углерода С, затем перечисляются символы легирующих химических элементов в порядке, определяющем уменьшение их содержания в стали. Заканчивается такое выражение числом (или последовательностью чисел), показывающим (-ей) количественную меру содержания перечисленных легирующих элементов:

• для Cr, Co, Mn, Ni, Si, W - число четвертей процента (0,25%);
• для Al, Cu, Mo, Ti, V - число десятых долей процента (0,1%);
• для С, Р, S, N - сотых;
• для В - тысячных долей процента.

Например, сталь марки 36Cr Ni Mo 4 содержит 36/100 = 0,36% углерода С и 4/4 -1% хрома Сг, никеля 0,25%, молибдена 0,1%.

Вот примеры наиболее популярных элементов и их влияние на свойства сталей при их легировании.

Углерод (С) элемент, в значительной степени определяющий механические свойства стали. Для изготовления крепежных деталей применяются стали, в которых процентное содержание углерода не превышает 0,5%. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается значение временного сопротивления разрыву или предел прочности на разрыв, но одновременно ограничиваются возможности холодной формовки (высадки). Если содержание углерода в стали больше чем 0,3%, то такую сталь можно подвергать термообработке.

Никель (Ni) повышает закаливаемость, ударную вязкость при низких температурах и немагнитные свойства. 8% содержание никеля (Ni) и 18% - хрома (Cr) придаёт стали свойства нержавеющей.

Принимая во внимание аустенитную структуру стали, в метрической системе ее обозначают А2. Американские стандарты обозначают сталь А2 как 18.8, и такое обозначение некоторые ошибочно могут интерпретировать как предел прочности, например, болты из стали с классом прочности 18.8!!!

• Хром (Сг). Введение в состав стали этого элемента увеличивает закаливаемость и предел прочности на разрыв. Присутствие в составе стали хрома в количестве, превышающем 12,5%, дает основание квалифицировать сталь как нержавеющую.
• Молибден (Мо) увеличивает закаливаемость и уменьшает хрупкость после отпуска. При добавлении молибдена сталь приобретает температурную прочность. Введение в сплав 2-3% Мo в совокупности с 18% Cr и 12% Ni значительно увеличивает коррозионную стойкость стали. Аустенитная нержавеющая сталь такого состава применяется для изготовления крепежа в кислотоупорном исполнении, обозначение такой стали А 4.
• Марганец (Mn) в низкоуглеродистых сталях обычно проявляется, также как и кремний, фосфор и сера, в виде примеси. Добавление марганца при варке стали способно увеличить ее прочность и твердость, а также износоустойчивость изделий из неё, однако при этом возникает чувствительность к перегреву и, как следствие,хрупкость при высоких температурах.
• Титан (Ti) применяется в металлургии для стабилизации уровня так называемой внутрикристаллической коррозии в нержавеющих сталях. Такой же эффект наблюдается при введении тантала (Та) и ниобия (Nb).
• Бор (В) сравнительно новый легирующий элемент для стали, идущей на изготовление крепежа. Совсем небольшие количества его (0,002-0,003% ) значительно улучшают твердость металла, что позволяет широко использовать холодную формовку при производстве закаленного крепежа из низкоуглеродистых сталей.

Цементированные стали обладают относительно низким содержанием углерода и применяются для получения очень твердых и износоустойчивых поверхностей у крепежа при закалке с добавлением углерода. Такие стали используются при изготовлении винтов с нарезанной резьбой, самонарезных и самосверлящих винтов, а также шурупов для гипсокартона.

Термообработка

В металлургии давно существует разработанная система национальных и международных стандартов для обозначения марок сталей в соответствии с их химическим составом. Но химический состав прежде всего определяет пригодность стали для термической и механической обработки, которая и формирует свойства готового изделия.

Закалкой называется нагрев до температур порядка 1000°C с последующим охлаждением в воде, маслах, растворах солей или на воздухе, в зависимости от химического состава стали и вариантов технологии. При закалке формируются твердые (и хрупкие!) фазы системы ”железо-углерод” (мартенситная структура).

Отпуском называется выполняемый после закалки нагрев до температуры от 75 до 650° C, выдержка и охлаждение в одной из перечисленных выше сред. При отпуске происходит перераспределение фаз системы ”железо-углерод” в сторону снижения доли твердых и хрупких фаз (повышается вязкость стали). При заданном химическом составе конечное соотношение между твердостью и вязкостью стали обычно является компромиссом, который определяется назначением готового изделия. Во многих случаях вязкость может быть повышена только за счет твердости и наоборот. Для одного и того же химического состава стали обычно рекомендуются два типа отпуска:

• низкий отпуск, после которого достигается наибольшая твердость;
• высокий отпуск, после которого достигается наибольшая конструкционная прочность.

В некоторых довольно редких случаях отпуск может проводиться в несколько этапов. Охлаждение при закалке и отпуске может производиться по заранее заданному температурному профилю (тогда эти операции выполняются в специальных печах).

Как уже говорилось, во время закалки и отпуска система ”железо-углерод” претерпевает разнообразные фазовые превращения, причем объем фаз может различаться на 10-15%.

При выполнении механической обработки изделия, уже прошедшего термическую обработку, надо следить за тем, чтобы его температура не повышалась настолько, чтобы происходили ”незапланированные” фазовые превращения. Высококачественный стальной крепеж обладает блестящими механическими свойствами благодаря такому виду термообработки изделий, как закалка с последующим высоким отпуском. При этом отпуск при температурах от 340 до 650 градусов Цельсия производится сразу после закалки.При этом достигается оптимальный компромисс между относительно высокими значениями сопротивления разрыву, высокими значениями отношения пределов текучести и разрыва при достижении достаточной вязкости. Такие свойства крепежных деталей необходимы для надежной реализации функции крепления при действии на соединение разнообразных внешних сил. Крепеж с высокими значениями класса прочности 8.8, 10.9, 12.9 -подвергается именно такой термообработке.

Маркировка сталей

В этой части статьи мы рассмотрим принципы маркировки, применяющейся для крепежных изделий, изготовленных из углеродистой и легированной сталей. Массовость крепежа и исключительная важность знания его механических свойств при использовании предопределили создание системы маркировки этих деталей. Напомним, что маркировка - это способ идентификации детали с помощью символьной, цветовой или буквенной информации, наносимой на поверхность детали и позволяющей при её интерпретации получить ответы на следующие вопросы: Кто изготовил изделие? Из какого материала изготовлено изделие? Каковы его механические (или иные) характеристики? Как устанавливается изделие? При этом каждый вид или тип изделия может иметь свою систему маркировки.

Для крепежных деталей принята следующая маркировка. На головках резьбовых деталей с наружной метрической резьбой обязательно присутствует торговая марка производителя, таким образом мы всегда имеем возможность предъявить претензии по качеству крепежа, имея только само изделие. Вопрос определения типа материала, из которого изготовлена деталь, не должен вызывать затруднений: если на головке различимы два числа , разделенные точкой - например 10.9, использовалась углеродистая сталь. То есть форма представления - два числа, разделенные точкой, показывает, что болт из углеродистой стали.

Механические свойства этого материала можно определить, зная правила интерпретации чисел маркировки. Временное сопротивление разрыву в мПа определяется умножением первого числа на 100. Например, если маркировка на головке болта 10.9, то материал болта углеродистая сталь, имеющая предел прочности на разрыв 1000 мПа, а предел текучести для этой стали равен 900 мПа. Это мы получаем из маркировки, перемножив оба числа между собой и на десять, так как второе число предствляет собой число десятых долей от предела прочности на разрыв, составляющих предел текучести. Этот параметр важен потому, что определяет верхний (разрушительный)предел рабочих нагрузок, эксплуатационный диапазон которых обычно составляет от 0.1 до 0.5 предела текучести.

На гайках из углеродистой стали маркировка кроме торговой марки производителя содержит единственное число: 4, 5, ..8, ..10, без литер и других знаков. На низких гайках (h=1/2 d) маркировка имеет вид 04 или 05 ("нолик" позволяет дополнительно указать на низкую высоту гайки при чтении маркировки). Механические характеристики гайки должны быть интерпретированы по маркировке следующим образом: гайка предназначена для работы в болтовых соединениях с болтами, класс прочности которых не превышает или равен числу, указанному на гайке, например, гайки с маркировкой "5" или "05" работают с болтами с классом прочности не выше 5.6.

Маркировка крепежных деталей и других металлов и сплавов также включает в себя указание на значения прочностных характеристик материала. Так для легированных сталей с аустенитной структурой в метрической системе приняты следующие обозначения: А2 для нержавеющих, и А4 для кислотоупорных сталей, именно такие символы и нанесены на головках болтов и гайках из этих материалов. Указание типа материала сопровождается числом 50, 60 или 80, которое, если его умножить на десять, позволяет получить значение временного сопротивления разрыву, выраженному в мПа. Гайки из меди и её сплавов маркируются значком "Cu" с числом от 1 до 7, при этом указанные числа отражают по возрастающей увеличение значений прочности на разрыв, а их сочетание, например Cu2, указывает на химический состав медного сплава, для которого в специальных таблицах приводятся значения предела прочности, т.е. по маркировке определить численную характеристику прочности невозможно. Для бронзового крепежа принято считать, что их класс прочности соответствует классу прочности болтов из углеродистой стали - 4.6.

Защитные покрытия для стального крепежа

Цинковые покрытия

Цинкование применяется для защиты черных металлов от коррозии. Осадок цинка с течением времени заметно темнеет, так как его поверхность покрывается налетом основных углекислых солей. Этим и объясняется невозможность использования цинка как декоративного покрытия. Цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому цинковое покрытие обеспечивает электрохимическую защиту черных металлов от коррозии. В настоящее время наиболее распространенными способами нанесения цинка являются:

1. горячий способ покрытия;
2. электролитический способ;
3. диффузионный способ;
4. шерардирование.

Горячий способ цинкования заключается в погружении предварительно подготовленных изделий в расплавленный цинк при температуре 450-480°С. Образование покрытия основано на хорошем смачивании железа и его сплавов цинком. Толщина покрытия на отдельных участках из-за наплывов колеблется в значительных пределах (50-150 мкм), и точная регулировка его невозможна. Горячий способ не может быть применен для покрытия изделий с точными допусками и в тех случаях, когда высокая температура может изменить свойства изделия. Этот метод широко применяется для цинкования изделий, имеющих внутренние закатанные швы (ведра, тазы, баки и пр.), а также для цинкования труб, листов, проволоки, кузовов автомобилей. Электролитический метод является более совершенным для осаждения цинка.

Экономия металла при гальваническом способе доходит по сравнению с горячим способом до 50%, а высокая степень чистоты осажденного цинка обеспечивает повышенную химическую стойкость. В зависимости от условий эксплуатации толщина покрытия может быть от 5 до 35 мкм. Наиболее широкое применение при цинковании получили кислые, сернокислые и щелочные цианистые ванны. Сернокислые электролиты применяются для покрытия изделий простой формы: листов, ленточной проволоки и пр.

Гальванический ряд

Нормальные потенциалы металлов:

Металл / Химическое обозначение металла / Электрохимический потенциал (В)

Натрий…………….…Na……………...…….-2.71
Магний………………Mg…………………...-2.38
Алюминий…………..Al………………….…-1.66
Цинк……………….... Zn…….………………-0.76
Хром…………………Cr………………….… -0.71
Железо……………….Fe………………….... -0.44
Кадмий……………….Cd…………………... -0.40
Кобальт…………..…..Co………………….. .-0.27
Никель……………….Ni………………….... -0.23
Олово…………….…..Sn…………………. ...-0.14
Свинец……………….Pb………..……….... -0.126
Водород…………….. H…………………. .…0.00
Медь………………….Cu………………… ..+0.31
Серебро………………Ag.…..…………… .+0.799
Ртуть………………….Hg.……………….. .+0.854
Золото…………………Au…………… ….+1.42

В качестве анода применяются пластины из чистого металлического цинка (99,85-99,9% цинка). С применением органических добавок осадки цинка становятся более мелкозернистыми и приобретают полублестящий серебристый оттенок. Цианистые электролиты применяют для покрытия изделий, имеющих сложную форму. При этом образуется мелкокристаллический осадок цинка, который обладает более высокими прочностными и защитными свойствами. Цинковое покрытие хорошо защищает стальную основу от коррозии, но само довольно быстро коррозирует в атмосфере, образуя рыхлый налет основных углекислых солей цинка.

В ряде случаев наблюдается не только электрохимическая коррозия цинка, но также и химическая коррозия в результате взаимодействия последнего с парами различных летучих органических веществ. Образующиеся на цинковом покрытии продукты коррозии легко осыпаются и могут вызвать нарушение работы приборов и механизмов. Для повышения антикоррозийной устойчивости цинковых покрытий применяют процесс пассивирования в растворах хромовой кислоты или ее солей. Образующаяся хроматная пленка представляет собой ряд соединений хрома и цинка. Защитные свойства хроматной пленки практически не изменяются даже при наличии на ней механических повреждений (царапин, рисок и пр.). После хроматного пассивирования покрытие приобретает зеленовато-желтую окраску с радужным оттенком. В некоторых случаях, например, при следующем нанесении лакокрасочных покрытий, применяют фосфатирование, которое хорошо обеспечивает сцепление лакокрасочного покрытия с цинковым подслоем, фосфатные покрытия улучшают адгезионную способность поверхности деталей.

В наших магазинах есть крепежные детали с таким покрытием. Обратите внимание на капсулы анкеров PFG темно-серого цвета.Цинковое покрытие наносится диффузионным способом, деталь загружают в барабан с цинковым порошком и стальными шариками, при вращении барабана происходит «вбивание» цинкового порошка в поверхность стальной детали. Толщина получаемого покрытия может составлять десятки микрон. 

Фосфатирование

К неметаллическим неорганическим покрытиям, состоящим из неорганических соединений металлов, относятся фосфатные, оксидные, хроматные и другие покрытия. Фосфатные пленки, создаваемые на поверхности металлических изделий, обладают целым рядом ценных свойств, в числе которых:

• повышенная коррозийная стойкость;
• адгезионная способность;
• маслоемкость;
• электроизоляционные качества;
• антифрикционные свойства.

Цвет фосфатного покрытия - от светло-серого до черного.

Химическому фосфатированию могут подвергаться углеродистые, низколегированные и среднелегированные стали, чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, цинковые, кадмиевые покрытия и др. Сущность химического фосфатирования состоит в обработке металлов и сплавов в подкисленных растворах однозамещен-ных фосфатов или монофосфатов железа, марганца, цинка и др. Процесс химического фосфатирования обусловлен гидролизом однозамещенных фосфатов металлов, в результате чего устанавливается равновесие между одно-, двух-, трехзамещенными фосфатами металлов и фосфорной кислотой. Образующаяся при этом свободная фосфорная кислота в процессе фосфатирования взаимодействует с основным металлом, в результате чего образуются труднорастворимые двух-, трехзамещенные фосфаты, являющиеся основной составляющей частью фосфатных пленок. На состав фосфатных пленок большое влияние оказывает вид катионов фосфатирующего раствора. Образующийся фосфат железа не окисляется кислородом воздуха, поэтому фосфатные пленки обладают высокими защитными свойствами. В зависимости от подготовки поверхности металла, пленки могут иметь разные размеры кристаллических структур. Наиболее высокими защитными свойствами обладают мелкокристаллические пленки. Крупнокристаллические пленки имеют низкие защитные свойства. Фосфатные пленки повышают адгезию лакокрасочных, клеевых и других подобных покрытий, это свойство является основной причиной для фосфатирования крепежных деталей. Высокая прочность сцепления лакокрасочного покрытия с фосфатной пленкой и повышение ее защитных свойств связаны со структурой фосфатных покрытий. Связь между фосфатной пленкой и металлом является молекулярной. Структура фосфатной пленки определяет ее пористость, маслоемкость и антифрикционные свойства.

Дополнительная обработка повышает защитные свойства фосфатных пленок. Такая обработка производится в растворах соединений хрома промасливанием, гидрофобизированием и окраской. Промасливание фосфатированных деталей обычно производится веретенным или авиационным маслом, нагретым до 100-110°С. Используется для промасливания также раствор масел в органических растворителях или эмульсия при комнатной температуре.

Гидрофобизирование заключается в получении на поверхности деталей тонкой водоотталкивающей (гидрофобной) пленки. Под маслоемкостью понимают степень поглощения фосфатной пленкой наносимого на нее масла. Фосфатная пленка увеличивает степень поглощения масла примерно вдва раза. Повышение защитных свойств промасленной фосфатной пленки можно характеризовать следующим примером: если на нефосфатированной стали в коррозионной камере (разбрызгивание 3%-го раствора хлорида натрия) обнаруживается коррозия через 0.1 ч, то на фосфатированной и промасленной - через 40-48 ч.
Наличие на поверхности основного металла фосфатных пленок, наполненных маслом или парафином, резко снижает коэффициент трения. При испытании нефосфатированной, подвергнутой шлифованию стали, при напряжении 0,047Мпа схватывание наступает сразу, в то время как фосфатированная сталь в паре с такой же сталью без смазывания удовлетворительно работает в течение 95 мин. При смазывании фосфатированной стали парафином схватывание происходит не раньше, чем через 50 ч. Фосфатные пленки обладают диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать фосфатирование для получения электроизоляционного покрытия на деталях трансформаторов, генераторов и т.п. Пропитка фосфатных пленок масляными и бакелитовыми лаками значительно повышает пробивное напряжение. Фосфатные пленки не смачиваются расплавленными металлами.

Для фосфатирования стальных деталей низкой и средней прочности (1400 Мпа) широко используется раствор соли Мажеф. Исходными компонентами для составления раствора является монофосфат марганца и железа, который называется препаратом Мажеф. Толщина фосфатной пленки, образующейся в растворе соли Мажеф, может достигать 7-50 мкм. Фосфатные пленки имеют большую прочность сцепления со сталью, микропористую структуру, высокие электроизоляционные свойства (пробивное напряжение достигает 1000В). Жаростойкость и электроизоляционные свойства фосфатных пленок сохраняются примерно до 500°С. После нагревания до 350°С фосфатная пленка теряет часть кристаллизованной воды, в результате чего ее структура изменяется и защитные свойства снижаются в 2-3 раза. При фосфатировании высокопрочных сталей в указанном выше растворе обнаруживается коррозионное растрескивание в области упругих растягивающих напряжений. Для избежания подобных явлений применяют цинк-фосфатные ванны. Для массового фосфатирования крепежных и мелких деталей используют ванны с вращающимися барабанами, применяемые в гальванических процессах. Загрузка барабана составляет 40-50 кг деталей.

Латунирование

Латунирование - это нанесение на поверхность металлических (главным образом стальных) изделий слоя латуни толщиной в несколько мкм (примерный состав: 70% Cu и 30% Zn). Осуществляется обычно электролитическим способом - осаждением латуни из гальванической ванны. Применяется для защиты изделий от коррозии, для обеспечения прочного сцепления стальных и алюминиевых изделий с резиной при горячем прессовании, для создания промежуточного слоя (т.н. подслоя) при никелировании или лужении стальных деталей (что более эффективно, чем непосредственное покрытие никелем или оловом). Латунирование - один из способов повышения антифрикционных свойств титана и его сплавов.