ГАЙКА

Предложенное решение относится к обработке металлов и металлургии, более конкретно - к изготовлению крепежных изделий, например, гаек шестигранных класса прочности 8 и 9 из низкоуглеродистой стали, которые могут быть использованы для разъемных резьбовых соединений деталей в машиностроении, автомобилестроении и других отраслях.
Известно решение по патенту РФ на полезную модель №43606, МПК F16B 27/00 «Гайка колесная из нержавеющих металлов» (опубликован в 2005 г.). Данное решение относится к обработке металлов и может быть использовано при изготовлении колесных гаек, из нержавеющих сталей мартенсито-ферритного класса для автомобилестроения. Гайка, включающая корпус в виде наружного многогранника и отверстия с резьбой, имеет отношение длины к диаметру гайки в пределах 1,4…1,7, а в качестве нержавеющего металла использована легированная сталь, содержащая значительные количества хрома, никеля, марганца и кремния. Предложенная гайка обладает повышенной коррозионной стойкостью, но имеет высокую цену, обусловленную стоимостью стали, что ограничивает ее массовое применение.
Также известно решение по патенту РФ на полезную модель №111808, МПК В60В 7/16 «Крепеж для автомобильных колес (варианты)» (опубликован в 2011 г.). Данное решение также относится к обработке металлов и может быть использовано при изготовлении колесных гаек для автомобилестроения. При этом гайка выполнена из высокопрочной легированной стали, подвергнута сквозной термической обработке (закалке с отпуском) с конечной твердостью ее материала 50-54 единицы по шкале Роквелла.
Для повышения коррозионной стойкости на поверхность гайки нанесено покрытие из никеля, и/или хрома, и/или цинка, и/или олова, предпочтительно трехслойное.
Предложенная гайка обладает повышенной прочностью и коррозионной стойкостью, но имеет высокую цену, обусловленную стоимостью стали, а также затратами на термообработку и нанесение дорогостоящих покрытий, что ограничивает ее массовое применение.
Известная гайка, по патенту РФ №2361695 МКИ В21К 1/68 «Способ изготовления изделий, типа заготовок многогранных гаек и втулок» (опубликовано 2009 г.) выполнена путем волочения или калибровки заготовки и последующего формообразование из нее изделия с использованием холодной объемной штамповки. Общую степень деформации при волочении или калибровке и общую степень осадки заготовки в поперечном направлении до размера "под ключ" принимают суммарной величиной, не превышающей 40%, а поперечный размер исходного проката выбирают из условия, выраженного математической зависимостью. При этом для производства гайки используют прокат оптимального размера только в горячекатаном состоянии из металла низкоуглеродистых марок сталей типа 10кп, 20кп и др., что позволяет снизить усилия при волочении и формообразовании заготовок гайки при холодной объемной штамповки. Однако такая гайка имеет низкий класс прочности и не соответствует современным требованиям автомобилестроения, машиностроения и прочих отраслей промышленности, где применяются гайки класса прочности 8 и 9.
2
Прототипом предлагаемой полезной модели, как наиболее близкой по своей технической сущности и достигаемому результату, является гайка шестигранная по ГОСТ Р 52628-2006 (Гайки. Механические свойства и методы испытаний. ISO 898-2:1992, ISO 898-6:1994), изготовленная способом холодной или горячей объемной штамповкой из углеродистой стали с содержанием углерода не более 0,58% и марганца не менее 0,25% классов прочности 8 и 9, выдерживающая напряжение от пробной нагрузки без срыва резьбы более 800 и 900 Н/мм соответственно и имеющая твердость не менее 170 HV.
При этом готовые гайки классов прочности 8 и 9 допускается изготавливаться и поставляться без термической обработки, т.е. без закалки с отдельного нагрева и отпуска.
Недостатком известной гайки классов прочности 8 и 9, изготавливаемой из углеродистой стали по данному стандарту является ее высокая себестоимость. При использовании среднеуглеродистых сталей (содержание углерода 0,35…0,60%), имеет место высокая стоимость продукции, вызванная необходимостью проведения энергоемкой технологической операции - сфероидизирующего отжига сырья. Использование низкоуглеродистых сталей (содержание углерода менее 0,35%) не позволяет получать гайки повышенного класса прочности без термической обработки, что снижает их потребительские свойства. Последующая термическая обработка этих гаек (закалка + отпуск) с отдельного нагрева для формирования требуемого класса прочности также является энергоемкой технологической операцией, что значительно повышает себестоимость гаек. Кроме того проведение закалки и отпуска гаек, помимо энергетических затрат, требует наличия специального оборудования и дополнительных расходов, связанных с защитой металла гаек от окисления при нагреве под закалку (860…950°С), а также на очистку их поверхности после термической обработки.
Производство известной гайки класса прочности 8 и 9 из среднеуглеродистой стали с дополнительным отжигом исходного проката, или из низкоуглеродистой стали с закалкой и отпуском готовых изделий характеризуется повышенной энергоемкостью процесса изготовления, повышенным расходом металла, связанным с образованием окалины, а также повышенным расходом инструмента.
Предлагаемая полезная модель решает задачу обеспечения производства высокопрочной гайки из рядовых низкоуглеродистых марок сталей без закалки готовых изделий, снижения расхода металла и усилия штамповки (снижение энергоемкости и трудоемкости процесса), а также повышение стойкости инструмента.
2
2
2
5
экв
Поставленная задача решается тем, что предлагаемая гайка, преимущественно шестигранная из низкоуглеродистой стали, которая выдерживает напряжение от пробной нагрузки без срыва резьбы более 800 Н/мм и имеет твердость не менее 170 HV (класса прочности 8 и 9), выполнена из круглого проката, подвергнутого прерванной закалке с самоотпуском при изготовлении на металлургическом переделе и имеющего предел текучести не менее 360 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (δ) не менее 28%, относительное сужение не менее 60%, изготовленного из стали, содержащей 0,15…0,35% углерода и 0,5…1,6% марганца, остальное железо и неизбежные примеси, при величине углеродного эквивалента (С) не менее 0,23%, определяемого по формуле:
экв
С=С+Мn/20,
где: С и Mn - массовая доля углерода и марганца в %.
Процесс получения гайки включает холодную пластическую деформацию проката калибровкой или волочением для получения заданного диаметра заготовки, последующую холодную объемную штамповку за шесть переходов на шестипозиционном прессе и формирование резьбы, без осуществления закалки готовых изделий. При этом формирование резьбы осуществляют путем нарезания или выдавливанием (накаткой). Процесс получения дополнительно может включать финишную операцию деформационного старения готового изделия путем нагрева до температур от 150 до 500°С. Гайка может быть изготовлена с нанесением защитного покрытия на поверхность. Операция нанесения защитного покрытия (цинкового, оксидного), может быть совмещена с операцией деформационного старения и выполняться в одном технологическом процессе.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение производства высокопрочной гайки из рядовых низкоуглеродистых марок сталей без закалки готовых изделий, снижения расхода металла и усилия штамповки (снижение энергоемкости и трудоемкости процесса), а также повышение стойкости инструмента.
2
2
2
5
экв
Достижение указанного технического результата обеспечивается набором отличительных признаков, а именно тем, что гайка, преимущественно шестигранная из низкоуглеродистой стали, которая выдерживает напряжение от пробной нагрузки без срыва резьбы более 800 Н/мм и имеет твердость не менее 170 HV, т.е. класса прочности 8 и 9, выполнена из круглого проката, подвергнутого прерванной закалке с самоотпуском при изготовлении на металлургическом переделе и имеющего предел текучести не менее 360 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (δ) не менее 28%, относительное сужение не менее 60%. Этот прокат изготовлен из низкоуглеродистой стали, содержащей 0,15…0,35% углерода и 0,5…1,6% марганца, остальное железо и неизбежные примеси, при величине углеродного эквивалента (С) не менее 0,23%, определяемого по формуле:
экв
С=С+Mn/20,
где: С, Mn - массовая доля углерода и марганца в %.
Технологический процесс получения гайки включает холодную пластическую деформацию проката калибровкой или волочением, последующую холодную объемную штамповку за шесть переходов и формирование резьбы путем нарезки или выдавливания (накаткой), без осуществления закалки готовых изделий. Дополнительно процесс получения гайки может включать финишную операцию деформационного старения готового изделия путем нагрева до температур от 150 до 500°С и выдержки в течение от 0,25 до 1 часа. Также гайка может быть изготовлена с нанесением защитного покрытия поверхности, что может быть осуществлено в процессе деформационного старения.
Все отличительные признаки заявляемой полезной модели взаимосвязаны и способствуют обеспечению требований нормативной документации по свойствам гайки (класс прочности, напряжение от пробной нагрузки без срыва резьбы, твердость) и достижению поставленной задачи.
2
2
2
2
5
5
5
Так, если гайка выполнена из круглого проката, подвергнутого прерванной закалке с самоотпуском при изготовлении на металлургическом переделе, имеющего предел текучести не менее 360 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (δ) не менее 28%, относительное сужение (ψ) не менее 60%, то уже в самом исходном сырье заложены более высокие механические свойства, которые наследуются готовой продукцией и отпадает необходимость в закалке гайки. Применение проката с пределом текучести менее 360 Н/мм и временным сопротивлением разрыву менее 480 Н/мм не обеспечивает требуемых свойств получаемой гайки. Прокат с указанными свойствами, несмотря на повышенную прочность по сравнению с отожженным или горячекатаным прокатом, остается достаточно пластичным (δ≥28%, ψ≥60%) и при холодной штамповке гайки на шестипозиционном прессе, позволяющем снизить значения единичной деформации, на готовой продукции не образуется трещин. Если характеристики пластичности проката - относительное удлинение (δ) будет менее 28%, а относительное сужение (ψ) будет менее 60%, то при штамповке гайки образуются трещины, что является браковочным признаком. Применение проката из стали с содержанием углерода менее 0,15% и марганца менее 0,5% не обеспечить прочность гайки на уровне класса 8 из-за недостаточного количества перлитной составляющей в структуре металла.
Применение проката из стали с содержанием углерода более 0,35% и марганца более 1,6%, затруднит изготовление гайки и приведет к необходимости перед холодной объемной штамповкой сырье (прокат) подвергать сфероидизирующему отжигу для перевода повышенного количества перлита из пластинчатой в глобулярную форму и последующему травлению, что увеличивает себестоимость производства и энергозатраты.
экв
Суммарное воздействие углерода и марганца, как основных легирующих элементов в низкоуглеродистых сталях, повышающих прочность и твердость изделий, косвенно оценивается через показатель углеродного эквивалента (С), определяемого по приведенной формуле. При этом технический результат достигается в том случае, когда величина углеродного эквивалента составляет не менее 0,23%. При величине менее 0,23% конечные свойства гайки не будут соответствовать классу 8.
В стали в качестве неизбежных примесей могут присутствовать один или несколько легирующих элементов из группы кремний, хром, медь, молибден, ванадий, никель в незначительных количествах, которые специально в сталь не вводятся, а попадающих из лома во время выплавки. Эти элементы также способствует повышению класса прочности и твердости гайки за счет упрочнения твердого раствора и увеличения доли карбидов.
Процесс получения гайки из проката повышенной прочности включает несколько поэтапных технологических операций, которые также способствуют достижению поставленной задачи. Холодная пластическая деформацияя проката калибровкой или волочением для получения круглой заготовки требуемого диаметра приводит к повышению прочности и твердости заготовки. Последующая холодная объемная штамповка, кроме формообразования изделия, также приводит к повышению прочности и твердости металла, чего не происходит при применении горячей объемной штамповки. Проведение операции штамповки за шесть переходов способствует перераспределению усилий деформирования, уменьшает потери металла и повышает стойкость инструмента. Формирование резьбы предпочтительно осуществлять путем выдавливания (накатки), что по сравнению с нарезкой, также способствует экономии металла (снижение потерь). Сочетание применяемого проката и заявленных операций изготовления способствует получению гайки класса 8 и 9 без осуществления закалки готовых изделий. Т.е. требуемые свойства гайки формируются в технологическом цикле ее изготовления, что исключает необходимость проведения операции термического упрочнения (закалки). Кроме того исключение высокотемпературных нагревов и резких охлаждений (закалка) готовых гаек устраняет причины возникновения поверхностных дефектов, исключает обезуглероживание резьбы, возникновения поверхностного слоя окалины, обеспечивает получение требуемой точности и прочности резьбы.
Изготовление гайки с использованием финишной операции деформационного старения готового изделия путем нагрева до температур от 150 до 500°С способствует дополнительному приросту прочности и твердости. Проведение деформационного старения при температуре менее 150°С не обеспечивает заметного прироста прочности, а при температуре более 500°С вызывает резкое снижение прочности резьбы гайки, что приводит к невыполнению заявляемых параметров относительно требования стандарта на продукцию.
Выполнение защитного покрытия повышает потребительские свойства гайки, а совмещение технологической операции нанесения покрытия с операцией деформационного старения способствует снижению энергозатрат за счет исключения проведения каждой операции в отдельности. Температурные режимы нанесения покрытий (оксидирование, термодиффузионное и горячее оцинкование), обуславливаются параметрами, присущими каждому способу и лежат в интервале температур 150…500°С.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая гайка отличается от известной тем, что получение высоких значений прочности достигается путем использования проката с определенными механическими свойствами, изготовленного из низкоуглеродистой стали определенного состава, а также определенным набором операций изготовления, что исключает необходимость нагревать гайку под закалку, а следовательно проводить эту технологическую операцию. Дополнительный прирост прочностных свойств обеспечивается проведением финишной технологической операции - деформационного старения, которая аналогична операции отпуска гайки, применяемого в прототипе.
Совмещение операций деформационного старения и нанесения защитных покрытий способствует дополнительному снижению себестоимости гайки и экономии энергоресурсов.
Пример изготовления гайки.
В условиях металлургического производства изготовили катанку диаметром 14,5 мм из стали марки 16Г2, 20Г2, 20 и 35, которую подвергали термическому упрочнению с температуры конца прокатки путем прерванной закалке с самоотпуском, смотке в моток и последующему охлаждению на воздухе.
В условиях метизного производства катанку перерабатывали на гайку размером М12×1,75 мм. Перед переработкой с поверхности катанки удаляли окалину одним из известных способов (подвергали травлению, удалили окалину механическим способом), при необходимости проводили технологическую операцию нанесения подсмазочного слоя на поверхность катанки (фосфатирование). При перетяжке катанки на волочильном стане АЗТМ 1/750 на заготовку диаметром, необходимым для изготовления гайки, использовали однократное калибрование на диаметр 14,0 мм (степень деформации 6,8%). Изготовление шестигранной гайки M12 по ГОСТ 5927 проводили на холодновысадочном шестипозиционном автоматическом прессе.
После изготовления часть гаек подвергали деформационному старению (отпуску) в интервале температур 150…500°С в течение 1 часа и механическим испытаниям.
Испытание гаек пробной нагрузкой проводили согласно п.8.1 ГОСТ Р 52628 путем осевого растяжения при помощи испытательной машины FP-100/1. Отдельно определяли нагрузку, при которой происходит срыв резьбы гайки (испытание до разрушения гайки). Определение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999) при нагрузке 30НV осуществляли согласно п.8.2 ГОСТ Р 52628.
Результаты опробования производства гаек приведены в таблице.
Таблица - Марка и состав стали, свойства исходного проката, параметры производства, механические свойства, возможное защитное покрытие и класс прочности гайки
№ п/п
Марка стали
С, %
Mn, %
C<sub>экв</sub>, %
Механические свойства проката
Общий коэфф. расхода металла
Общий расход пуансонов, шт./т
Свойства гайки
Возможное защитное покрытие
Класс прочности
σ<sub>T</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>B</sub> Н/мм<sup>2</sup>
Температура старения (отпуска), °С
Нагрузка срыва резьбы, КН
Напряж. срыва резьбы, Н/мм<sup>2</sup>
Твердость, 30HV
1<sup>*)</sup>
40
0,38
0,70
0,42
-
-
1,347
21,0
450
76,3
905
286
-
8
2
16Г2
0,14
1,42
0,21
350
470
1,126
16,2
-
70,2
832
225
-
6
3
16Г2
0,15
1,60
0,23
360
480
1,126
16,2
150
74,8
887
248
оксидн.
8
4<sup>**)</sup>
16Г2
0,15
1,60
0,23
360
480
1,105
16,2
300
75,5
895
265
термодиффузия цинк.
8
5
20Г2
0,21
1,39
0,28
450
560
1,126
18,7
150
82,8
982
286
оксидн.
9
6<sup>**)</sup>
20Г2
0,21
1,39
0,28
450
560
1,105
18,7
300
89,5
1062
323
термодиффузия цинк.
10
7
20Г2
0,21
1,39
0,28
450
560
1,126
18,7
450
84,2
999
282
горячее цинкование
9
8
20Г2
0,21
1,39
0,28
450
560
1,126
18,7
500
78,6
932
272
горячее цинкование
8
9
20
0,20
0,66
0,23
405
540
1,126
16,9
-
75,1
890
852
-
8
10
35
0,35
0,68
0,38
380
525
1,126
16,5
390
81,0
961
288
термодиффузия цинк.
9
*) - По прототипу - изготовление на четырехпозиционном прессе при отжиге катанки и термическом упрочнении (закалка + отпуск) гайки, т.е. три технологические операции связанных с нагревом;
**) - формирование резьбы накаткой (выдавливание).
Результаты свидетельствуют о том, что предложенное техническое решение обеспечивает производство гайки класса прочности 8 и 9 из рядовых низкоуглеродистых и низколегированных сталей без закалки готовых изделий при пониженном расходе металла и повышенной стойкости инструмента. Отсутствие операции закалки косвенно указывает на снижении энергозатрат. Гайки характеризуется повышенными потребительскими свойствами, а также имеют более низкую себестоимость за счет применения дешевых марок стали и сокращения затрат на исходный прокат и термическую обработку (исключены операции отжига сырья и/или нагрева гайки под закалку).
Гайки классов прочности 8 и 9 по ГОСТ Р 52628-2006 могут широко применяться в машиностроении, автомобилестроении и других отраслях.