Болт підвищеної міцності

1. Болт підвищеної міцності, що вироблений способом холодного об'ємного штампування із низьковуглецевої сталі, який відрізняється тим, що він виготовлений із сталі з вмістом вуглецю 0,15...0,35 %, марганцю 0,5...1,5 %, решта залізо та неминучі домішки та має значення межі міцності (в) і відносного подовження при розриві (5) не нижче нормованих, а добуток значення межі міцності (МПа) та відносного подовження (%) складає більше 10000; 2. Болт за п. 1, який відрізняється тим, що виготовлений із сталі, що містить як неминучі домішки один або декілька елементів із групи кремній, хром, мідь, нікель, молібден, ванадій, титан; 3. Болт за п. 1 і 2, який відрізняється тим, що виготовлений із сталі, що підлягала термічному зміцненню в іншому технологічному процесі; U 2 (13) 1 3 МПа, відносне звуження 35...60 % та відносне подовження 6...16 %. Винахід направлений на підвищення несучої спроможності та надійності різьбового з'єднання за рахунок високих значень міцності та пластичності болтів, які виготовлені із середньовуглецевої сталі типу 40Х селект та підлягають термічній обробці (гартування + відпуск) з окремого нагріву. Застосування хромистої сталі 40Х, яка відрізняється високою вартістю із-за технологічних особливостей виробництва, призводить до подорожчання продукції. При цьому енергоємність самого процесу виготовлення цих болтів дуже велика і характеризується такими дорогими операціями, як сфероідизуючий відпал початкової заготовки перед холодною об'ємною штамповкою і нагрівами під гартування та відпуск готових виробів. Разом це приводить до високої вартості болтів та обмежує сферу їх масового використання. Прототипом корисної моделі, що пропонується, як найбільше близький по своїй технічній суті та досягнутому результату, є болт по ДСТУ ISO 898-1:2003 (Механічні властивості кріпильних виробів, що виготовляються із вуглецевих та легованих сталей. Частина 1. Болти, гвинти та шпильки), який вироблено способом холодної об'ємної штамповки з вуглецевої сталі з вмістом вуглецю 0,15...0,35 % з присадками бору, марганцю або хрому, або сталі без вказаних присадок, але при вмісті вуглецю 0,25...0,55 %. При цьому, при використанні обох груп сталей готові болти підлягають термічній обробці шляхом гартування з окремого нагріву та відпуску при температурі не менше 340 °С для болтів класу міцності 10.9 із сталі першої групи або не менше 425 °С для болтів класів 8.8, 9.8 та 10.9 для обох груп сталей. Болти, які виготовлені зі сталей даного складу і підлягають термічному поліпшенню (гартування + відпуск) повинні мати значення межі міцності (в) 800, 900 и 1000 МПа, та відносного подовження при розриві (5) 12,0; 10,0 и 9,0 % для класів міцності 8.8, 9.8 и 10.9 відповідно. Недоліком звісних болтів, які виготовляються із вуглецевої сталі, що містить бор, є їх висока вартість, що є наслідком від високої вартості сировини. При використанні сталей без бору, але з більш високим вмістом вуглецю, також має місце висока вартість продукції із-за необхідності проведення енергоємної технологічної операції - сфероідизуючого відпалу сировини. Подальша термічна обробка болтів (гартування + відпуск) з окремого нагріву для формування потрібного класу міцності 8.8, 9.8 та 10.9 також є енергоємною технологічною операцією, що значно підвищує собівартість болтів. Крім того проведення гартування та відпуску болтів, окрім енергетичних витрат, потребує наявності спеціального обладнання. Додаткових витрат на виробництво високоміцних болтів з використанням термічної обробки потребують технологічні операції, які пов'язані із захистом болтів від окиснення при нагріві під гартування (860...950 °С), а також з рихтовкою та очисткою поверхні готових виробів. Задачею корисної моделі, що заявляється, є підвищення споживчих властивостей та надійності 65187 4 продукції, зниження собівартості за рахунок використання рядових марок сталі та скорочення витрат на термічну обробку, а також покращення товарного виду. Поставлена задача вирішується тим, що запропонований болт підвищеної міцності, переважно класу міцності 8.8, 9.8 і 10.9, виготовляється способом холодного об'ємного штампування (холодна висадка) з низьковуглецевої сталі із вмістом вуглецю 0,15...0,35 %, марганцю 0,5...1,5 %, де решта - залізо та неминучі домішки, і має значення межі міцності (в) і відносного подовження при розриві (5) не нижче нормуючих, а добуток значень межі міцності (МПа) та відносного подовження (%) складає більше 10000. В сталі, з якої виготовлено болт, можуть бути в наявності як неминучі домішки один або декілька елементів із групи кремній, хром, мідь, нікель, молібден, ванадій, титан. При цьому сталь підлягала термічному зміцненню в іншому технологічному процесі (при виготовленні круглої заготовки-катанки на металургійному переділі). Після виготовлення болт підлягає фінішній операції термічної обробки - деформаційному старінню в інтервалі температур 130...480 °С. Ця операція може бути поєднана з операціями нанесенням захисного покриття (цинкового, оксидного, фосфатного), які виконуються в інтервалі вказаних температур. Тим самим поверхня болта буде виконана з захисним покриттям. Технічним результатом корисної моделі, що заявляється, є зниження собівартості болта за рахунок використання рядових марок сталі та скорочення затрат на термічну обробку, підвищення споживчих властивостей та надійності продукції, а також покращення товарного вигляду. Досягнення вказаного технічного результату забезпечується тим, що болт виготовлено зі сталі із вмістом вуглецю 0,15...0,35 %, марганцю 0,5...1,5 %, решта - залізо та неминучі домішки та має значення межі міцності (в) і відносного подовження при розриві (5) не нижче нормуючих по ДСТУ ISO 898-1:2003, а добуток значень межі міцності (МПа) та відносного подовження (%) складає більше 10000. Присутність в сталі як неминучі домішки одного чи декількох елементів із групи кремній, хром, мідь, нікель, молібден, ванадій, титан в незначній кількості, що вносяться в сталь з ломом під час виплавки, також підвищує міцність та пластичність болта. Суттєвий вплив на показники міцності та пластичності чинить рівень властивостей початкової заготовки і результат, що заявляється, досягається в тому випадку, коли сталь заготовки попередньо підлягає термічному зміцненню в іншому технологічному процесі (при виготовленні на металургійному переділі). Кінцевий рівень механічних властивостей болта зумовлений проведенням фінішної термічної обробки - деформаційного старіння в інтервалі температур 130...480 °С. Для придання болту товарного вигляду та антикорозійних властивостей його поверхня може бути виготовлена із захисним покриттям. При цьому нанесення захисного покриття може проводитися в процесі деформаційного старіння. Оксидоване покриття здійснюється в процесі деформаційного старіння в інтервалі температур 130...200 °С. Фо 5 сфатне покриття здійснюється в процесі деформаційного старіння в інтервалі температур 200...380 °С. Цинкове покриття при термодифузійному оцинкуванні здійснюється в процесі деформаційного старіння в інтервалі температур 290...450 °С. Цинкове покриття при гарячому оцинкуванні здійснюється в процесі деформаційного старіння в інтервалі температур 450...480 °С. Всі відмінні ознаки корисної моделі, що заявляється, взаємно пов'язані та сприяють досягненню поставленої задачі. Так, якщо болт вироблено із сталі з вмістом вуглецю менше 0,15 % і марганцю менше 0,5 % , то не вдається забезпечити його міцність більше ніж 800 МПа. Для вироблення болта із сталі з вмістом вуглецю більше ніж 0,35 % і марганцю більше ніж 1,5 %, перед холодною об'ємною штамповкою заготовку необхідно піддавати відпалу та травленню, що призводить до збільшення енерговитрат. Для забезпечення вимог нормативної документації болт повинен мати значення межі міцності (в) та відносного подовження при розриванні (5) не нижче нормуючих, а добуток значень межі міцності (МПа) та відносного подовження (%) повинен складати більше 10000. Даний показник і його величина характеризують запас надійності, та на 5...10 % перевищують мінімальні вимоги стандарту. Вироблення болтів із сталі, що попередньо підлягала термічному зміцненню в іншому технологічному процесі, сприяє формуванню міцності більше 800 МПа та виключає необхідність їх гартування і відпуску з окремого нагріву. В свою чергу, вилучення високотемпературних нагрівів та швидких охолоджень готових болтів, виключає псування їх поверхні та забезпечує отримання високого класу точності. Також відпадає необхідність у використанні дорогого та складного устаткування - прохідних термічних агрегатів. Виготовлення болта з використанням фінішної термічної обробки - деформаційного старіння в інтервалі температур 130...480 °С сприяє формуванню підвищеної міцності та пластичності болтів, а також заявленому добутку значень межі міцності (МПа) та відносного подовження (%). Проведення деформаційного старіння при температурі менше 130 °С не забезпечує бажаного приросту міцності, а при температурі більше 480 °С викликає різке зниження міцності болта, що призводить до невиконання заявлених параметрів відносно вимоги стандарту на продукцію. 65187 6 Нанесення захисних покриттів підвищує споживчі властивості болтів, а суміщення технологічних операцій нанесення покриттів з операцією деформаційного старіння сприяє зниженню енерговитрат за рахунок вилучання проведення кожної операції окремо. Температурні режими нанесення захисних покриттів (оксидування, фосфатування, термодифузійне і гаряче оцинкування), зумовлюються параметрами, які властиві кожному способу і знаходяться в інтервалі температур 130...480 °С. Порівнянний аналіз корисної моделі, що заявляється, з прототипом дозволяє зробити висновок, що болт, який заявляється, відрізняється від відомого тим, що отримання високих значень міцності і пластичності досягається шляхом використання сталі визначеного складу, яка підлягала термічному зміцненню в іншому технологічному процесі. Це виключає необхідність нагрівати болт під гартування, а також проводити цю технологічну операцію. Додатковий приріст міцності та пластичності болтів забезпечується проведенням фінішної технологічної операції - деформаційного старіння, яка аналогічна операції відпуску, що застосовується в прототипі. Поєднання операції деформаційного старіння та операцій нанесення захисних покриттів сприяє додатковому зниженню собівартості болта та економії енергоресурсів. Приклад В умовах металургійного виробництва виготовили катанку діаметром 12,0 мм із сталі марки 20, 20Г2 і 35, яка була піддана термічному зміцненню водою з температури кінця прокатки до температури 680...720 °С, змотці в моток та подальшому охолодженню у повітрі. В умовах метизного виробництва здійснили переробку катанки на болти розміром М10x70 мм. Перед волочінням катанку піддавали травленню та фосфатуванню. При волочінні катанки на стані АЗТМ 1/750 на заготовку розміром, необхідним для виробництва болтів М10, використовували трикратне волочіння на діаметр 9,5 мм (ступінь деформування 37 %). Виготовлення болтів М10x70 по ГОСТ 7798-70 проводили на холодновисадочному автоматі АВ 1921 при температурі навколишнього середовища. Після виготовлення болти підлягали деформаційному старінню в інтервалі температур 130...480 °С. Механічні властивості, виготовлених болтів наведені в таблиці. 7 65187 8 Таблиця Марка сталі та кількість легуючих елементів, режими старіння (відпуску), механічні властивості болтів М10x70 Марка стали 1*) 2*) 3 4 5 6 7 8 %, С %, Мn 40Х 20Г2Р 20 20Г2 20Г2 20Г2 20Г2 35 0,39 0,23 0,17 0,21 0,21 0,21 0,21 0,35 0,76 1,26 0,58 1,39 1,39 1,39 1,39 0,68 Температура Кількість настаріння (від- в, Н/мм грівів пуску), °С 3 430 1000 2 450 800 1 300 800 1 150 920 1 300 920 1 390 900 1 460 840 1 390 1060 5, % вх5, 9,0 12,0 12,5 12,5 13,0 14,0 16,0 10,5 9000 9600 10000 11500 11960 12600 13440 11130 Захисне покриття Клас міцності фосф. оксид. фосф. цинк цинк цинк 10.9 8.8 8.8 9.8 9.8 9.8 8.8 10.9 *) - Болти по прототипу термічно зміцнені (гартування + відпуск). Сталі 40Х та 20Г2Р додатково вміщують 0,9 % Сr та 0,004 % В відповідно. Отримані результати свідчать про те, що болт, який пропонується, виготовлений з низьковуглецевих сталей характеризується підвищеними споживчими властивостями (високий клас міцності, наявність захисного покриття) та надійністю (високий рівень пластичності, а також значення добутку межі міцності (МПа) і відносного подовження (%) більш ніж 10000), а також має низьку собівартість за рахунок застосування рядових марок сталі та скорочення витрат на термічну обробку (вилучені операції відпалу заготовки та нагріву болтів під гартування). На підставі вищевикладеного, можливо зробити висновок, що болт, який пропонується, із Комп’ютерна верстка В. Мацело низьковуглецевої сталі дієздатний та усуває недоліки, які мають місце в прототипі. Скорочення кількості коштовних енергоємних операцій на його виробництво (кількості нагрівів при проведенні термічних обробок) дозволяє значно зменшити енергоємність і організувати виробництво кріпильної продукції підвищеної міцності із звичайних низьковуглецевих сталей, що суттєво підвищує рентабельність і зменшує собівартість продукції. Болти з межею міцності більше 800 МПа класів міцності 8.8, 9.8 и 10.9 по ДСТУ ISO 898-1:2003 можуть знайти широке використання в машинобудуванні, автомобілебудуванні та інших галузях. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601