БОЛТ

Предложенное решение относится к обработке металлов и металлургии, более конкретно - к изготовлению крепежных изделий, например, болтов с пределом прочности 800 МПа и более из низкоуглеродистой стали, которые могут быть использованы для разъемных резьбовых соединений деталей в машиностроении, автомобилестроении и других отраслях.
Известно изделие по патенту РФ на полезную модель №43481, МПК В21К 1/44, F16B 35/00, С22С 38/40 «Болт колесный из нержавеющих металлов» (опубликован в 2005 г.), в котором предложено высокопрочное крепежное изделие для автомобилестроения из нержавеющих сталей мартенсито-ферритного класса с содержанием углерода 0,11…0,17%, никеля 1,5…3,0%, и других дорогостоящих легирующих элементов. Предложенный болт обладает высокой прочностью и коррозионной стойкостью, но отличается высокой ценой и затратами на производство, что ограничивает его массовое применение.
7
Известен болт по патент ФР №2219391, МПК F16B 23/00, F16B 35/00 «Болт» (опубликован в 2003 г.), содержащий головку грибовидной формы и стержень с гладкой и резьбовой частью, отличающийся особенностями, связями и размерами конструктивных элементов. При этом болт выполнен из конструкционной хромистой стали типа 40Х селект с содержанием по массе: углерода 0,37…0,42%, хрома 0,8…1,1%, марганца 0,5…0,8% и кремния 0,17…0,3%, а его твердость после термической обработки выбрана равной 302…380 НВ, временное сопротивление при растяжении 1040…1350 МПа, относительное сужение 35…60% и относительное удлинение 6…16%.
Изобретение направлено на повышение несущей способности и надежности болтового соединения за счет высоких значений прочностных и пластических свойств болтов, которые получены за счет термической обработке (закалки и отпуска) с отдельного нагрева. Применение хромистой стали 40Х, которая отличается высокой стоимостью из-за технологических особенностей производства, приводит к удорожанию продукции. При этом энергоемкость самого процесса изготовления этих болтов очень велика и характеризуется такими дорогостоящими операциями, как сфероидизирующий отжиг исходной заготовки перед холодной объемной штамповкой болтов, нагрев под закалку и отпуск готовых изделий. Все вместе делает данные болты дорогостоящими и ограничивает сферу их массового использования.
в
5
Прототипом предлагаемой полезной модели, как наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату, является болт по ГОСТ Р 52627-2006 (Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний. ISO 898-1:1999), который изготовлен способом холодной объемной штамповкой из углеродистой стали с содержанием углерода 0,15…0,40% с присадками бора, марганца или хрома, или стали без указанных присадок, но при содержание углерода 0,25…0,55%. При этом, при использовании обеих групп сталей, готовые болты подвергаются термической обработке путем закалки с отдельного нагрева и отпуска при температуре не менее 340°С для болтов класса прочности 10.9 из стали первой группы или не менее 425°С для болтов классов 8.8, 9.8 и 10.9 для обеих групп сталей. Болты, изготовленные из сталей данного состава и подвергнутые термическому упрочнению (закалка + отпуск) должны иметь значения предела прочности (σ) не менее 800, 900 и 1000 МПа, и относительного удлинения при разрыве (δ) не менее 12,0; 10,0 и 9,0% для классов прочности 8.8, 9.8 и 10.9 соответственно.
Недостатком известных болтов, изготавливаемых из углеродистой борсодержащей стали является их высокая стоимость, унаследованная от высокой стоимости сырья. При использовании сталей без бора, но с более высоким содержанием углерода, также имеет место высокая стоимость продукции, вызванная необходимостью проведения энергоемкой технологической операции - сфероидизирующего отжига сырья. Последующая термическая обработка болтов (закалка + отпуск) с отдельного нагрева для формирования требуемого класса прочности 8.8, 9.8 и 10.9 также является энергоемкой технологической операцией, что значительно повышает себестоимость болтов. Кроме того проведение закалки и отпуска болтов, помимо энергетических затрат, требует наличия специального оборудования. Дополнительные расходы средств на производство высокопрочных болтов с применением термической обработки обуславливают технологические операции, связанные с защитой болтов от окисления при нагреве под закалку (860…950°С), а также на рихтовку и очистку поверхности готовых изделий. Все перечисленные затраты снижают конкурентоспособность готовой продукции.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение потребительских свойств и надежности продукции, снижение себестоимости за счет применения рядовых марок стали и сокращения затрат на термическую обработку, а также улучшение товарного вида. Т.е. повышение конкурентоспособности.
в
5
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый болт, преимущественно класса прочности 8.8 и более производится способом холодной объемной штамповки (холодной высадки) из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,15…0,35%, марганца 0,5…1,5%, где остальное железо и неизбежные примеси, и имеет значения предела прочности (σ) и относительного удлинения при разрыве (δ) не ниже нормируемых, а произведение значений предела прочности (МПа) и относительного удлинения (%) составляет более 10000. В стали в качестве неизбежных примесей могут содержаться один или несколько элементов из группы хром, ванадий, молибден, медь, никель, кремний, титан. При этом сталь, из которой изготовлен болт, подвергнута термическому упрочнению в другом технологическом процессе (при изготовлении круглой катанки на металлургическом переделе). При изготовлении болта используются финишная термическая обработка - деформационное старение в интервале температур 130…480°С и нанесение защитного покрытия на поверхности. Операция нанесения защитного покрытия (цинкового, оксидного, фосфатного) может быть совмещена и выполняться в процессе деформационного старения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение себестоимости болта за счет применения рядовых марок стали и сокращения затрат на термическую обработку, повышение потребительских свойств и надежности продукции, а также улучшение товарного вида.
в
5
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что болт изготовлен из стали с содержанием углерода 0,15…0,35% и марганца 0,5…1,5%, остальное железо и неизбежные примеси, и имеет значения предела прочности (σ) и относительного удлинения при разрыве (δ) не ниже нормируемых по ГОСТ Р 52627, а произведение значений предела прочности (МПа) и относительного удлинения (%) составляет более 10000. Присутствие в стали в качестве неизбежных примесей одного или несколько элементов из группы хром, ванадий, молибден, медь, никель, кремний, титан в незначительных количествах, вносимых в сталь с ломом во время выплавки, также повышают прочностные и пластические свойства болта. Существенное влияние на показатели прочности и пластичности оказывает уровень свойств исходной заготовки и заявляемый результат достигается в том случае, когда сталь заготовки (катанки) предварительно подвергается термическому упрочнению в другом технологическом процессе (при изготовлении на металлургическом переделе). Окончательный уровень механических свойств болта обусловлен проведением финишной термической обработки - деформационного старения в интервале температур 130…480°С. Для придания болту товарного вида и антикоррозионных свойств его поверхность может быть выполнена с защитным покрытием. При этом нанесение защитного покрытия может проводиться в процессе деформационного старения. Оксидированное покрытие сине-черного цвета выполняется в процессе деформационного старения в интервале температур 130…200°С. Фосфатное покрытие светло-серо-черного цвета выполняется в процессе деформационного старения в интервале температур 200…380°С. Цинковое покрытие матово-серого цвета (термодиффузионное оцинкование) выполняется в процессе деформационного старения в интервале температур 290…450°С. Цинковое покрытие светло-блестящего цвета (горячее оцинкование) выполняется в процессе деформационного старения в интервале температур 450…480°С.
в
5
Все отличительные признаки заявляемой полезной модели взаимосвязаны и способствуют достижению поставленной задачи. Так, если болт изготовлен из стали с содержанием углерода менее 0,15% и марганца менее 0,5% не удается обеспечить его прочность более 800 МПа. При изготовлении болта из стали с содержанием углерода более 0,35% и марганца более 1,5%, перед холодной объемной штамповкой заготовку необходимо подвергать отжигу и травлению, что приводит к увеличению энергозатрат. Для обеспечения требований нормативной документации болт должен имеет значения предела прочности (σ) и относительного удлинения при разрыве (δ) не ниже нормируемых, а произведение значений предела прочности (МПа) и относительного удлинения (%) должно составлять более 10000. Данный показатель и его величина характеризуют запас надежности и на 4…10% превышают минимальные требования стандарта.
Изготовление болтов из стали предварительно подвергнутой термическому упрочнению в другом технологическом процессе способствует формированию прочностных свойств более 800 МПа и исключает необходимость их закалки и отпуска с отдельного нагрева. В свою очередь исключение высокотемпературных нагревов и быстрых (резких) охлаждений готовых болтов исключает порчу их поверхности и обеспечивает получение высокого класса точности резьбы.
Изготовление болта с использованием финишной термической обработки - деформационного старения в интервале температур 130…480°С способствует формированию прочностных и пластических свойств болтов, а также заявляемому произведению значений предела прочности (МПа) и относительного удлинения (%). Проведение деформационного старения при температуре менее 130°С не обеспечивает желаемого прироста прочности, а при температуре более 480°С вызывает резкое снижение прочности болта, что приводит к невыполнению заявляемых параметров относительно требования стандарта на продукцию.
Выполнение защитного покрытия повышает потребительские свойства болтов, а совмещение технологических операций нанесения покрытия с операцией деформационного старения способствует снижению энергозатрат за счет исключения проведения каждой операции в отдельности. Температурные режимы нанесения защитных покрытий (оксидирование, фосфатирование, термодиффузионное и горячее оцинкование), обуславливаются параметрами, присущими каждому способу и лежат в интервале температур 130…480°С.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый болт отличается от известного тем, что получение высоких значений прочности и пластичности достигается путем использования стали определенного состава и подвергнутой термическому упрочнению в другом технологическом цикле, что исключает необходимость нагревать болт под закалку, а также проводить эту технологическую операцию. Дополнительный прирост прочностных и пластических свойств обеспечивается проведением финишной технологической операции - деформационного старения, которая аналогична операции отпуска болта, применяемого в прототипе. Совмещение операций деформационного старения и нанесения защитных покрытий способствует дополнительному снижению себестоимости болта и экономии энергоресурсов. Совместное снижение стоимости готовой продукции за счет применения рядовых (дешевых) марок стали и экономии энергоресурсов на изготовления болтов повышает конкурентоспособность последних.
Пример.
В условиях металлургического производства изготовили катанку диаметром 12,0 мм из стали марки 20, 20Г2 и 35, которую подвергли термическому упрочнению с температуры конца прокатки, смотке в моток и последующему охлаждению на воздухе.
В условиях метизного производства катанку перерабатывали на болты с шестигранной головкой. Перед переработкой катанку подвергали травлению (удаление окалины) и фосфатированию. При перетяжке катанки на волочильном стане на заготовку размером, необходимым для изготовления болтов M10, использовали трехкратное волочение на диаметр 9,5 мм (степень деформации 37%). Изготовление болтов размером M10×70 по ГОСТ 7798 проводили на холодновысадочном автомате АВ 1921. После изготовления болты подвергали деформационному старению (отпуску) в интервале температур 130…480°С и механическим испытаниям. Испытание болтов на растяжение осуществляли при помощи испытательной машины FP-100/1, а определение прочностных и пластических свойств проводили согласно ГОСТ Р 52627. Марка, состав стали, режимы деформационного старения (отпуска) и механические свойства болтов приведены в таблице.
Таблица
Марка, состав стали, режимы деформационного старения (отпуска) и механические свойства болтов
Марка стали
%, С
%, Mn
Количество нагревов при изготовлении
Температура деформац. старения (отпуска), °С
σ<sub>в</sub>, Н/мм
δ<sub>5</sub>, %
σ<sub>в</sub>×δ<sub>5</sub>
Защитное покрытие
Класс прочности
1<sup>*)</sup>
40Х
0,39
0,76
3
430
1000
9,0
9000
-
10.9
2<sup>*)</sup>
20Г2Р
0,23
1,26
2
450
800
12,0
9600
-
8.8
3
20
0,17
0,58
1
300
800
12,5
10000
фосф.
8.8
4
20Г2
0,21
1,39
1
150
920
12,5
11500
оксид.
9.8
5
20Г2
0,21
1,39
1
300
920
13,0
11960
фосф.
9.8
6
20Г2
0,21
1,39
1
390
900
14,0
12600
цинк
9.8
7
20Г2
0,21
1,39
1
460
840
16,0
13440
цинк
8.8
8
35
0,35
0,68
1
390
1060
10,5
11130
цинк
10.9
<sup>*</sup>) - Болты по прототипу термически упрочненные (закалка + отпуск). Стали 40Х и 20Г2Р дополнительно содержат 0,9% Сr и 0,004% В соответственно.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемый болт, выполненный из низкоуглеродистых сталей характеризуется повышенными потребительскими свойствами (высокий класс прочности, наличие защитного покрытия) и надежностью (высокий уровень пластический свойств, а величина произведения значений предела прочности (МПа) и относительного удлинения (%) составляет более 10000), а также имеет более низкую себестоимость за счет применения рядовых марок стали и сокращения затрат на термическую обработку (исключены операции отжига заготовки и нагрева болтов под закалку).
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что предлагаемый болт из низкоуглеродистых сталей работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. При этом сокращение количества дорогостоящих энергоемких операций на его изготовление (числа нагревов при проведении термических обработок), позволяет значительно уменьшить энергоемкость и организовать производство крепежной продукции повышенной прочности из рядовых низкоуглеродистых сталей, что существенно уменьшает себестоимость продукции и повышает рентабельность. Болты с пределом прочности более 800 МПа классов 8.8, 9.8 и 10.9 по ГОСТ Р 52627-2006 могут широко применяться в машиностроении, автомобилестроении и других отраслях.