Șuruburi din oțel carbon: clase, proprietăți, acoperiri și ghid de selecție

Ce este a Șurub din oțel carbon ?

A șurub din oțel carbon este un element de fixare filetat fabricat dintr-un aliaj fier-carbon în care carbonul este elementul de aliere primar, prezent în mod obișnuit la concentrații între 0,05% și 1,70% în greutate. Conținutul de carbon, împreună cu urme de mangan, siliciu, sulf și fosfor, determină duritatea oțelului, rezistența la tracțiune, ductilitatea și prelucrabilitatea - și, prin extensie, performanța mecanică a șurubului finit.

Oțelul carbon este cel mai utilizat material în fabricarea șuruburilor la nivel global, reprezentând majoritatea producției industriale de elemente de fixare în volum. Dominanța sa provine dintr-o combinație de raport ridicat rezistență-cost , formabilitate excelentă în timpul rulării la rece și a filetului și capacitatea de a fi tratate termic într-o gamă largă de ținte de proprietăți mecanice. De la șuruburi cu pas fin utilizate în ansamblurile electronice până la șuruburi hexagonale structurale mari utilizate în construcții, șuruburile din oțel carbon servesc practic oricărei industrii care necesită fixare filetată.

Principala limitare a oțelului carbon în comparație cu oțelul inoxidabil este susceptibilitatea acestuia la coroziune în medii umede sau agresive chimic. Acest lucru este abordat printr-o serie de tratamente de suprafață - placare cu zinc, galvanizare la cald, acoperire cu fosfat și altele - care prelungesc durata de viață în mod semnificativ fără a modifica proprietățile mecanice de bază ale elementului de fixare.

Calități de oțel carbon utilizate în fabricarea șuruburilor

Nu tot oțelul carbon este echivalent. Calitatea de oțel selectată pentru producția de șuruburi guvernează în mod direct clasa de rezistență realizabilă, răspunsul la tratament termic și comportamentul la formare la rece. Producătorii de șuruburi lucrează în principal cu următoarele categorii de materiale:

Oțel cu conținut scăzut de carbon (oțel moale) - 0,05%–0,30% C

Grade scăzute de carbon, cum ar fi SAE 1008, 1010 și 1018 sunt materialul standard pentru șuruburi de uz general, șuruburi pentru lemn, șuruburi autofiletante și șuruburi pentru gips-carton. Conținutul lor scăzut de carbon le face extrem de ductile și ușor de rece - un proces de fabricație de mare viteză în care tija este formată în semifabricate cu șuruburi fără tăiere - rezultând o eficiență excelentă a producției și un cost pe unitate scăzut. Cu toate acestea, oțelul cu conținut scăzut de carbon nu poate fi consolidat semnificativ prin tratament termic, astfel încât aceste șuruburi sunt de obicei limitate la clasa de proprietate 4.8 sau mai mică conform clasificării ISO 898-1.

Oțel carbon mediu - 0,30%–0,60% C

Note precum SAE 1035, 1038 și 1045 oferă un potențial de rezistență semnificativ mai mare și răspund bine la tratamentul termic de stingere și revenire. Acestea sunt materialele primare pentru clasa de proprietate 8.8, 9.8 și 10.9 șuruburi metrice - coloana vertebrală a ansamblurilor structurale și mecanice în aplicații de automobile, mașini și construcții. După tratamentul termic, șuruburile din oțel cu carbon mediu ating rezistențe la tracțiune de 800–1040 MPa, cu intervale de duritate controlate (de obicei 22–39 HRC pentru clasa 8.8 și respectiv 10.9) care echilibrează rezistența cu rezistența la fragilizarea hidrogenului în timpul proceselor ulterioare de galvanizare.

Oțel aliat cu carbon mediu - cu adaosuri de Cr, Mn sau B

Pentru cele mai înalte clase de rezistență - clasa de proprietate 12.9 și aplicații specializate de înaltă rezistență — producătorii folosesc clase de oțel aliat, cum ar fi SAE 4135, 4140 (crom-molibden) sau gradele îmbunătățite cu bor ca 10B38 . Adăugările mici de bor de 0,0005%–0,003% îmbunătățesc considerabil călirea, permițând călirea integrală a șuruburilor de diametre mai mari în timpul călirii. Șuruburile din clasa 12.9 produse din aceste materiale ating rezistențe la tracțiune de 1220 MPa minim , făcându-le alegerea pentru componentele motorului de înaltă performanță, clemele de scule și îmbinările structurale critice în care integritatea îmbinărilor nu este negociabilă.

Tratamente de suprafață și protecție împotriva coroziunii

Oțelul carbon nu se corodează rapid atunci când este expus la umiditate și oxigen. În majoritatea aplicațiilor, un tratament de suprafață este aplicat după fabricație pentru a oferi un nivel definit de protecție împotriva coroziunii - alegerea tratamentului depinde de mediul de expunere, durata de viață necesară, dacă șurubul va fi vopsit sau prelucrat în continuare și orice cerințe de reglementare (cum ar fi conformitatea RoHS pentru aplicațiile electronice).

Galvanizarea zincului

Cel mai comun tratament pentru șuruburile din oțel carbon în aplicații interioare și ușoare-exterior. Un strat subțire de zinc de 5-12 µm se depune electrolitic, oferind o protecție sacrificială împotriva coroziunii — zincul se oxidează de preferință pentru a proteja substratul de oțel. Șuruburile standard placate cu zinc se realizează de obicei 72-200 de ore de rezistență la pulverizarea cu sare conform ASTM B117. Pasivarea cu cromat galben aplicată peste stratul de zinc extinde aceasta până la 200 de ore și oferă finisajul auriu cunoscut pe multe șuruburi de feronerie. Pentru șuruburile de înaltă rezistență din clasa 10.9 și 12.9, este obligatorie o coacere post-placare a fragilizării prin hidrogen (de obicei la 190°C timp de 4 ore) pentru a preveni fracturile întârziate.

Galvanizare la cald

Șuruburile sunt scufundate în zinc topit la aproximativ 450°C, formând un strat de aliaj zinc-fier lipit metalurgic de 45–85 µm . Această acoperire mult mai groasă oferă o rezistență la coroziune substanțial mai mare - de obicei 500-1.000 de ore spray de sare - și este specificația standard pentru elementele de fixare structurale exterioare, echipamentele agricole și aplicațiile de infrastructură, cum ar fi stâlpii de utilitate și balustradele de autostradă. Procesul nu este potrivit pentru șuruburile din clasa de rezistență ridicată 10.9 și 12.9 din cauza riscului de absorbție a hidrogenului și a potențialei distorsiuni a filetelor cu toleranță strânsă.

Acoperire cu fosfat (negru sau gri)

Tratamentele cu zinc sau fosfat de mangan creează un strat de conversie cristalin pe suprafața oțelului care oferă o rezistență independentă minimă la coroziune, dar o excelentă reținere a uleiului și aderență a vopselei. Șuruburile fosfatate și unse cu ulei sunt utilizate pe scară largă în ansamblurile de automobile și mașini în care dispozitivul de fixare va fi instalat într-un mediu lubrifiat sau vopsit ulterior. Fosfatul de mangan este, de asemenea, specificat pentru acesta proprietăți anti-grisare pe șuruburi cu cap tubular de mare rezistență, reducând riscul de gripare a filetului în timpul strângerii controlate de cuplu.

Geomet / Dacromet și acoperiri cu fulgi de zinc

Acoperirile anorganice în fulgi de zinc aplicate prin procese de dip-spin sau de pulverizare sunt din ce în ce mai specificate pentru elementele de fixare structurale de înaltă rezistență, unde riscul de fragilizare a hidrogenului de galvanizare este inacceptabil. Aceste acoperiri realizează 720–1.000 de ore rezistență la pulverizarea cu sare la grosimi de acoperire de 8–12 µm, sunt lipsite de hidrogen prin natura lor și oferă coeficienți de frecare consecvenți, critici pentru controlul cuplului-tensiunii în conexiunile structurale cu șuruburi. Sunt acoperirea dominantă pe elementele de fixare din clasa 10.9 în industria europeană de automobile și energie eoliană.

Oțel carbon vs șuruburi din oțel inoxidabil: când să le alegeți pe fiecare

Alegerea dintre șuruburile din oțel carbon și din oțel inoxidabil este adesea înțeleasă greșit ca o simplă problemă de coroziune, când, în realitate, implică un compromis mai larg între rezistență, cost, proprietăți magnetice, rezistență la uzură și mediul de aplicare.

Șuruburile din oțel carbon sunt alegerea corectă atunci când:

• Este necesară o rezistență ridicată la tracțiune - oțelul inoxidabil A2-70 atinge 700 MPa, în timp ce oțelul carbon clasa 10.9 atinge 1040 MPa și clasa 12.9 atinge 1220 MPa. Pentru îmbinările structurale și cu sarcini mari, oțelul carbon este de obicei singura opțiune practică.
• Costul este un factor principal - șuruburile din oțel carbon sunt în general Cu 30-70% mai puțin costisitor decât clasele inoxidabile echivalente la volum, ceea ce le face standard pentru producția industrială generală.
• Ansamblul este într-un mediu interior controlat sau va fi vopsit, ceea ce înseamnă că un șurub placat din oțel carbon oferă o protecție adecvată la un cost mai mic decât cel inoxidabil.
• Este necesar un răspuns magnetic – de exemplu, în dispozitivele de ansamblu magnetice sau sistemele automate de alimentare cu elemente de fixare care se bazează pe orientarea magnetică.

Șuruburile din oțel inoxidabil sunt alegerea corectă atunci când:

• Elementul de fixare este expus la umiditate prelungită, apă sărată sau substanțe chimice agresive, fără posibilitatea de întreținere a acoperirii - feronerie marine, echipamente de procesare a alimentelor și aplicații arhitecturale exterioare.
• Aspectul este critic, iar finisajul argintiu natural trebuie menținut fără re-acoperire periodică.
• Asamblarea implică metale diferite în care riscul de coroziune galvanică trebuie gestionat prin selecția materialului, mai degrabă decât prin acoperire.

Procesul de fabricație: Cum sunt fabricate șuruburile din oțel carbon

Înțelegerea procesului de fabricație clarifică de ce anumite caracteristici de calitate contează atunci când evaluăm șuruburile din oțel carbon ca cumpărător sau inginer specificator.

Metoda de producție dominantă este directie rece , numită și formare la rece. Tija este trasă la un diametru precis, tăiată la lungimea semifabricată și apoi formată progresiv de matrițe la temperatura camerei în geometria capului șurubului - fără a îndepărta materialul. Întărirea la rece întărește oțelul la joncțiunea cap-codă, îmbunătățind rezistența la oboseală la acest punct critic de concentrare a tensiunii. De asemenea, aliniază fluxul de cereale al oțelului cu geometria piesei, care este mecanic superioară șuruburilor prelucrate în care fluxul de cereale este întrerupt prin tăiere.

Rularea firului urmează direcția rece. Matricele cu profil de filet invers presează forma firului în semifabricat prin deformare plastică, mai degrabă decât prin tăiere. Ca și capul rece, aceasta produce tensiuni reziduale de compresiune în rădăcina filetului - regiunea cu cea mai mare tensiune a șurubului sub sarcină la tracțiune - care îmbunătățește substanțial durata de viață la oboseală în comparație cu filetele tăiate. Datele din industrie arată în mod constant că elementele de fixare cu filet laminate au rezultate rezistență la oboseală cu 20-30% mai mare decât elementele de fixare cu filet tăiat de dimensiuni echivalente din aceeași calitate a materialului.

Pentru clasa de proprietate 8.8 și mai sus, tratament termic de stingere și temperare urmează rularea firului. Șuruburile sunt austenite la 820–880°C, stinse în ulei sau soluție de polimer pentru a obține transformarea completă a martensitei, apoi temperate la 425–500°C pentru a elimina fragilitatea și pentru a atinge duritatea țintă și banda de rezistență la rupere specificate de ISO 898-1. Tratamentul final al suprafeței — placare, acoperire sau pasivizare — este aplicat după tratamentul termic și orice inspecție necesară.