Руководство по выбору материалов крепежа: материал определяет эксплуатационные характеристики, термообработка определяет прочность, а обработка поверхности определяет срок службы!

Одно предложение, отражающее суть индустрии крепежа:

Выберите неправильный материал, и даже самый прочный крепеж сломается;

Выберите неправильную термическую обработку, и даже крепеж с самым высоким рейтингом окажется всего лишь ложным утверждением;

Выберите неправильную обработку поверхности, и даже самый лучший винт заржавеет и придет в негодность.

I. Базовое сравнение четырех основных материалов отрасли.

1. Углеродистая сталь

Преимущества: Самая низкая стоимость, самый широкий спектр преимуществ, самый высокий объем производства, самые стабильные поставки.

Недостатки: Естественно склонен к ржавчине; плохая коррозионная стойкость

Основные области применения: строительство, автомобилестроение, машиностроение, бытовая техника, общая промышленность.

2. Нержавеющая сталь

Преимущества: естественная устойчивость к ржавчине, не требуется гальваническое покрытие, гигиеничность и эстетичность, исключительно длительный срок службы.

Недостатки: высокая стоимость, умеренная максимальная прочность, склонность к заклиниванию и заклиниванию.

Основные области применения: пищевое, медицинское, химическое, наружное и морское оборудование.

3. Легированная сталь

Преимущества: сверхвысокая прочность, усталостная прочность, ударопрочность, устойчивость к высоким температурам.

Недостатки: Требует термической обработки, плохая устойчивость к ржавчине, высокие затраты на обработку.

Основные области применения: ветроэнергетика, мосты, горнодобывающая промышленность, тяжелые грузовики, строительная техника, высоковольтное оборудование.

4. Титановые сплавы

Преимущества: сверхлегкий, сверхпрочный, устойчивый к коррозии, немагнитный и с высокой биосовместимостью.

Недостатки: Дорого, очень сложно обрабатывать.

Основные области применения: аэрокосмическая, оборонная, медицинская, гоночная и высокотехнологичная легкая промышленность.

При выборе материалов для крепежа самый дорогой вариант никогда не является лучшим выбором; вместо этого учитываются четыре основных критерия: рабочая среда, требования к нагрузке, требования к сроку службы и бюджет затрат.

II. Крепеж из углеродистой стали

Углеродистая сталь на сегодняшний день является доминирующим материалом в индустрии крепежа. На его долю приходится около 70% мирового промышленного крепежа, и он является наиболее широко используемым и универсальным базовым материалом в промышленном производстве и инфраструктурных проектах.

Преимущества

• Самая низкая общая стоимость среди четырех основных материалов, предлагающая лучшее соотношение цены и качества.
• Отличная пластичность, легкость холодной ковки и низкая сложность производства.
• Охватывает весь диапазон уровней прочности, подходит для применения в диапазоне от обычного потребительского использования до промышленных сценариев средней и высокой прочности.
• Развитая глобальная цепочка поставок, достаточный запас и стабильные сроки выполнения заказов.

Недостатки

По своей сути плохая коррозионная стойкость; чувствителен к воде, влаге и солевым брызгам. При использовании без защиты он очень легко ржавеет, и его поверхность необходимо обработать антикоррозийным покрытием.

Три основных процесса термообработки углеродистой стали

1. Закалка и отпуск (Q&T)

Основной процесс изготовления всех болтов из высокопрочной углеродистой стали класса 8.8.

Функция: Балансирует прочность на разрыв и ударную вязкость, повышает усталостную устойчивость и устраняет риск перелома.

2. Цементация

Специально используется для саморезов и винтов с сверлильным наконечником.

Эффект: Высокая поверхностная твердость и высокая прочность сердцевины; поверхностный слой может проникать сквозь стальные пластины, а внутренний слой устойчив к хрупкому разрушению.

3. Сфероидизирующий отжиг

Важный процесс предварительной обработки перед производством холодной высадки.

Функция: Смягчает сталь, снижает твердость, предотвращает растрескивание при формовке и обеспечивает выход продукции.

Углеродистая сталь не обладает естественной способностью защищать от ржавчины; срок его службы полностью зависит от обработки поверхности:

Электрогальванизация (сине-белый цинк, цветной цинк, черный цинк), горячее цинкование, чернение, фосфатирование, цинк-алюминиевое покрытие Dacromet, Geomet, механическое цинкование, тефлоновое покрытие.

III. Крепежи из нержавеющей стали

Нержавеющая сталь не требует гальванического покрытия для защиты от ржавчины и подходит для различных влажных, коррозионных и санитарных применений.

• Естественная устойчивость к окислению, кислотам, щелочам и коррозии солевого тумана.
• Гладкий, привлекательный внешний вид; нетоксичный и гигиеничный, подходит для пищевого и медицинского применения.
• Разработан для длительного использования на открытом воздухе, срок службы значительно превышает срок службы углеродистой стали.

Недостатки

• Затраты на сырье значительно выше, чем у углеродистой и легированной стали.
• Обычная термообработка аустенитной нержавеющей стали не может повысить прочность.
• Склонен к заеданию резьбы и заклиниванию при холодной сварке, что приводит к высокому уровню ошибок при сборке.

Более 90% изделий из нержавеющей стали в индустрии крепежа по-прежнему изготавливаются в основном из аустенитной нержавеющей стали марок 304 (А2) и 316 (А4); Нержавеющая сталь 410 используется только для изделий, требующих особой твердости, таких как саморезы и самосверлящие винты, и не имеет характеристик основных марок нержавеющей стали.

Ключевые моменты по прочности нержавеющей стали

Прочность аустенитных нержавеющих сталей 304 и 316 нельзя повысить термической обработкой, но их механическую прочность можно улучшить путем холодной обработки (наклепа). Представленные на рынке высокопрочные крепежные детали из нержавеющей стали, такие как A2-70 и A4-80, достигают своих более высоких классов благодаря процессам наклепа.

Причины заедания нержавеющей стали + решения

Основные причины ареста

Аустенитная нержавеющая сталь обладает высокой пластичностью. Трение, возникающее при затягивании резьбы, приводит к повышению температуры, что приводит к холодной сварке металла. Из-за этого резьбы слипаются и заедают, что делает разборку невозможной.

Практические решения

• Перед сборкой нанесите специальный противозадирный состав или смазку для нержавеющей стали.
• Уменьшите скорость затяжки, чтобы избежать выделения тепла из-за высокоскоростного трения.
• Выбирайте прецизионно обработанную резьбу, прошедшую полировку поверхности и пассивацию.
• Контролируйте крутящий момент сборки, чтобы предотвратить чрезмерную силу во время затяжки.

Обработка поверхности нержавеющей стали

Нержавеющая сталь не требует гальванизации для предотвращения ржавчины. Основные процессы включают: кислотное травление, пассивацию, электролитическую полировку, механическую полировку, зеркальную полировку и пескоструйную обработку.

IV. Крепеж из легированной стали

Сверхпрочные винты, используемые в ветроэнергетике, мостах, тяжелых грузовиках и высоковольтном оборудовании, используют легированную сталь в качестве основного материала сердечника.

Путем добавления редких металлов, таких как хром, молибден, никель и ванадий.Легированная сталь преодолевает недостатки углеродистой стали с точки зрения прочности, ударной вязкости и усталостной прочности, что делает ее основным материалом для высококачественных и тяжелых условий эксплуатации.

Распространенные марки легированной стали

SCM435 (эквивалент 35CrMo), 35CrMo, 42CrMo, 4140, 4340

Преимущества

Благодаря правильному подбору химического состава и прецизионной термообработке легированная сталь может легче достичь сверхвысокой прочности, высокой ударной вязкости, превосходной усталостной и высокотемпературной стойкости, что значительно превосходит пределы производительности обычной углеродистой стали. Он подходит для экстремальных условий, связанных с тяжелыми нагрузками, вибрациями и высоким давлением.

Недостатки

• Чрезвычайная зависимость от процессов термообработки, что приводит к высоким техническим барьерам и производственным затратам.
• Не обладает присущей ему устойчивостью к ржавчине, поэтому его необходимо сочетать со специальной антикоррозионной обработкой.

Основная термическая обработка легированной стали

Почти исключительно использует закалку и отпуск (закалка + высокотемпературный отпуск)

Высококачественная продукция также может включать в себя: индукционную закалку, азотирование, цементацию и нитроцементацию.

Способен стабильно производить сверхвысокопрочные крепежные детали класса 10,9, класса 12,9 и выше.

Обработка поверхности легированной стали и предотвращение проблем, связанных с водородным охрупчиванием

Основной риск: водородное охрупчивание

Для крепежных изделий из высокопрочных углеродистых и легированных сталей класса 10,9 и выше, если удаление водорода и обработка дегидрированием неадекватны во время стандартных процессов электрогальванизации, может возникнуть риск водородного охрупчивания, приводящий к замедленным разрушениям во время использования, что представляет собой серьезную угрозу безопасности в машиностроительной, автомобильной и ветроэнергетической промышленности.

В настоящее время в таких высокотехнологичных секторах, как автомобилестроение, ветроэнергетика, железные дороги и мосты, традиционное электрогальванирование было полностью заменено цинк-алюминиевыми покрытиями Dacromet и Geomet. Такой подход устраняет риск водородного охрупчивания в его источнике, одновременно повышая коррозионную стойкость.

Основные процессы обработки поверхности

Цинк-алюминиевые покрытия Dacromet, Geomet, фосфатирование, чернение и высококачественное безводородное цинкование (двойная защита от коррозии и водородного охрупчивания)

V. Крепеж из титанового сплава

Титановые сплавы представляют собой вершину легких и устойчивых к коррозии материалов в производстве крепежных изделий, которые в основном используются в высокоточных приложениях и в экстремальных условиях эксплуатации.

Представительные марки: ТА2, ТС4 (Ti-6Al-4V).

Преимущества

• Плотность около 4,5 г/см³, что составляет всего около 57 % плотности стали (приблизительно 7,85 г/см³), что обеспечивает чрезвычайно легкую конструкцию.
• Чрезвычайно высокая удельная прочность, сравнимая с высокопрочной легированной сталью, при значительном снижении веса.
• Исключительная коррозионная стойкость в подавляющем большинстве промышленных сред (коррозия возникает только в особых средах, таких как сильные кислоты и плавиковая кислота)
• Немагнитные, термостойкие и обладают высокой биосовместимостью, что делает их пригодными для медицинского и аэрокосмического применения.

Единственный недостаток

Дорогое сырье, сложная обработка, длительные производственные циклы и чрезвычайно высокие общие затраты.

Термическая обработка титановых сплавов

В отличие от процесса закалки и отпуска, используемого для стали, основной подход включает обработку на раствор с последующим старением для оптимизации стабильности материала и механических свойств.

Высококачественная обработка поверхности титановых сплавов

Анодирование (индивидуальная цветовая отделка), пескоструйная обработка, пассивация, PVD-покрытие и износостойкое покрытие DLC.

VI. Ключевые данные: Срок службы обработанных поверхностей при солевом тумане

Коррозионная стойкость различных видов обработки поверхности значительно различается. Ниже приведены справочные данные испытаний в нейтральном солевом тумане (в зависимости от толщины покрытия и состава; предоставлены только для целей отраслевого выбора):