Более 90% производства стального крепежа в мире осуществляется на основе углеродистой стали. Эта сталь обладает отличной работоспособностью, широким спектром манипулирования различными комбинациями прочностных свойств, а по сравнению с другими широко используемыми материалами, применяемыми для производства крепежа, менее дорогая.
Механические свойства крепежных изделий напрямую зависят от содержания углерода, который составляет обычно менее 1,0%. Наиболее распространенные стали для крепежа, как правило, подразделяются на три группы: низкоуглеродистая, среднеуглеродистая и легированная.
Углеродистые стали, нашедшие свое применение при изготовлении крепежных изделий, прежде всего, метрического крепежа – болтов, винтов, гаек, а также шайб, принято подразделять на три основные группы:
Низкоуглеродистая сталь
Низкоуглеродистая сталь обычно содержит менее 0,25% углерода и не может быть усилена путем термообработки, усиление может быть достигнуто только путем холодной обработки. Низкоуглеродистая сталь является относительно мягкой и слабой, но имеет высокую пластичность и прочность, кроме того, эта сталь легко обрабатываема, свариваема и относительно недорога в производстве.
Низкоуглеродистые стали соответствуют ГОСТ 380-71. Их поставляют в виде качественного проката в нормализованном состоянии и применяют, как правило, для изготовления метизов общего назначения с пределом прочности на разрыв до 600 МПа.
Стандартизированная маркировка таких сталей имеет буквенно-цифровое написание: «Ст» и цифры от 0 до 6. Цифры — это условный номер марки. Большее число означает более высокое содержание углерода, следовательно, большую прочность и более низкую пластичность. Кроме того, для обозначения тех или иных свойств стали применяют следующие индексы (стоящие справа от цифрового обозначения):
Между индексом и номером марки может стоять буква Г, это означает повышенное содержание марганца.
Среднеуглеродистая сталь (конструкционная)
Концентрация углерода в среднеуглеродистой стали составляет 0,25 - 0,85%. Эта сталь может подвергаться термообработке по аустениту, закалке и отпуску для улучшения механических свойств крепежных изделий.
Стали углеродистые качественные конструкционные соответствуют ГОСТ 1050-74. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мn). Эти стали нашли свое применение при изготовлении крепежных изделий (болтов, в первую очередь) с пределом прочности на разрыв свыше 600 Мпа.
Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).
Сталь углеродистую качественную поставляют для производства метизной продукции в виде качественного сортопроката.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАЧЕСТВЕННОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
Марка стали | Предел прочности на разрыв МПа | Относительное удлинение % | Твердость НВ |
08 | 330 | 33 | 131 |
10 | 340 | 31 | 143 |
15 | 380 | 27 | 149 |
20 | 420 | 25 | 163 |
25 | 460 | 23 | 170 |
30 | 500 | 21 | 179 |
35 | 540 | 20 | 207 |
40 | 580 | 19 | 217 |
45 | 610 | 16 | 229 |
50 | 640 | 14 | 241 |
55 | 660 | 13 | 255 |
60 | 690 | 12 | 255 |
65 | 710 | 10 | 255 |
70 | 730 | 9 | 269 |
75 | 1100 | 7 | 285 |
80 | 1100 | 6 | 285 |
85 | 1150 | 6 | 302 |
60Г | 710 | 11 | 269 |
70Г | 800 | 8 | 285 |
Легированная сталь
Углеродистая сталь может быть классифицирована как легированная сталь, когда содержание марганца превышает 1,65%, кремния или меди 0,60% или когда содержание хрома составляет менее 4%. Углеродистая сталь также может быть классифицирована как сплав, если указанный минимум содержания алюминия, титана, ванадия, никеля или любого другого элемента был добавлен для достижения конкретных результатов. Добавки хрома, никеля и молибдена улучшают способность изделий из этих сплавов к дальнейшей термической обработке и улучшают химические и механические свойства крепежных изделий.
Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые и придают им заданные свойства.
Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель — элементы с решеткой, отличающейся от решетки Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Что требуется, прежде всего, при использовании крепежных изделий в условиях больших перепадов температур, снижая тем самым возможное разрушение изделий. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сr и 1,5% Мn.
Повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Улучшение прокаливаемости стали достигается при ее легировании несколькими элементами, например Cr+Мо, Cr+Ni, Cr+Ni+Мо и другими сочетаниями различных элементов.
Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается сбалансированным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает разрушение стали.
Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите. Кроме того, хром – основной элемент, значительно уменьшающий проникновение водорода в кристаллическую решетку стали при определенных технологических процессах, уменьшая тем самым основную проблему высокопрочных крепежных изделий – водородное охрупчивание.
Никель характеризуется прочностью, тугоплавкостью, способностью к пассивации. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%. Никель заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с никелем в сталь вводят карбидообразующие элементы.
Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом, придавая тем самым, дополнительные свойства стали, прежде всего – упругость.
Кремний является некарбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.
Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2— 0,4% и вольфрам в количестве 0,8—1,2% в комплексно легированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.
Ванадий и титан — сильные карбидообразушие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, титана, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.
Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002— 0,005%).
Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения (ГОСТ 4547-71):
Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%.
В качественных конструкционных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Высококачественные легированные стали имеют в конце марки букву А, а особо высококачественные — Ш (электрошлаковый переплав).
