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. 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. Поставленная задача решается тем, что болт изготовлен из стали с содержанием углерода 0,150,35%, марганца 0,51,5%, остальное железо и неизбежные примеси, в виде одного или нескольких элементов из группы хром, ванадий, молибден, медь, никель, кремний, титан, которая подвергнута термическому упрочнению в другом технологическом процессе. При этом болт имеет значения предела прочности (_в) и относительного удлинения при разрыве (₅) не ниже нормируемых, а произведение значений прочности (МПа) и удлинения (%) составляет более 10000. Дополнительно повышение потребительских свойств за счет сочетания высоких значений прочностных и пластических свойств обеспечивается проведением финишной термической обработки - деформационного старения в интервале температур 130480°С. А повышение антикоррозионных свойств и улучшение товарного вида болтов обеспечивается нанесением защитно-декоративного покрытия (цинкового, оксидного, фосфатного) в процессе деформационного старения.

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 0,110,17%, никеля 1,53,0%, 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.

Известен болт по патент ФР 2219391, МПК⁷ 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 0,370,42%, хрома 0,81,1%, марганца 0,50,8% и кремния 0,170,3%, а его твердость после термической обработки выбрана равной 302380 НВ, временное сопротивление при растяжении 10401350 МПа, относительное сужение 3560% и относительное удлинение 616%.

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.

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 0,150,40% с присадками бора, марганца или хрома, или стали без указанных присадок, но при содержание углерода 0,250,55%. 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 (_в) не менее 800, 900 и 1000 МПа, и относительного удлинения при разрыве (₅) 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 (860950°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.

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 0,150,35%, марганца 0,51,5%, где остальное железо и неизбежные примеси, и имеет значения предела прочности (_в) и относительного удлинения при разрыве (₅) 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 130480°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.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что болт изготовлен из стали с содержанием углерода 0,150,35% и марганца 0,51,5%, остальное железо и неизбежные примеси, и имеет значения предела прочности (_в) и относительного удлинения при разрыве (₅) 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 130480°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 130200°С. Фосфатное покрытие светло-серо-черного цвета выполняется в процессе деформационного старения в интервале температур 200380°С. Цинковое покрытие матово-серого цвета (термодиффузионное оцинкование) выполняется в процессе деформационного старения в интервале температур 290450°С. Цинковое покрытие светло-блестящего цвета (горячее оцинкование) выполняется в процессе деформационного старения в интервале температур 450480°С.

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 (_в) и относительного удлинения при разрыве (₅) 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 410% 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 130480°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 130480°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 130480°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	в, Н/мм	5, %	в×5	Защитное покрытие	Класс прочности
1*)	40Х	0,39	0,76	3	430	1000	9,0	9000	-	10.9
2*)	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
*) - 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.

1. Болт преимущественно класса прочности 8.8 и более, выполненный способом холодной объемной штамповки из низкоуглеродистой стали, отличающийся тем, что изготовлен из стали с содержанием углерода 0,150,35%, марганца 0,51,5%, остальное - железо и неизбежные примеси в виде одного или нескольких элементов из группы хром, ванадий, молибден, медь, никель, кремний, титан, подвергнутый термическому упрочению в другом технологическом процессе и имеет значения предела прочности (_в) и относительного удлинения при разрыве (₅) не ниже нормируемых, а произведение значений предела прочности (МПа) и относительного удлинения (%) составляет более 10000.

2. Болт по пп.1-3, отличающийся тем, что изготовлен с использованием финишной термической обработки - деформационного старения в интервале температур 130480°С.

3. Болт по пп.1-4, отличающийся тем, что изготовлен с нанесением защитного покрытия поверхности.

4. Болт по пп.1-5, отличающийся тем, что изготовлен с нанесением защитного покрытия в процессе деформационного старения.