Металлы и сплавы, из которых изготавливается крепёж. Общий обзор

Часто приходится слышать, как крепежные изделия называют «метизами» — сокращение от «металлических изделий». Это, конечно, выражение бытовое, но в нем есть большая доля истины. Подавляющее большинство изделий, входящих в ассортимент ЦКИ, или их элементы, изготовлены из металла.

Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, прочность, пластичность, плотность, непроницаемость, характерный блеск.

Эти свойства определяются их строением. Напомним, что атомы металла имеют высокоорганизованную кристаллическую структуру – т.н. «решетку», в узлах которой располагаются ядра атомов, а пространство между ними равномерно заполняет «электронный газ», т.е. свободные электроны.

На практике чистые металлы используются редко, и массовое их применение происходит в виде сплавов. В сплаве соединяются несколько элементов, в основном металлы. Хотя самый массовый сплав – сталь – это соединение металла железа с неметаллом углеродом. Компонент, который имеет самую высокую долю в сплаве, называется основным, а остальные – легирующими. Число сплавов очень велико. Мы же остановимся только на тех, которые применяются при изготовлении крепежных изделий из нашего ассортимента. Их список вполне обозрим.

• Cталь углеродистая конструкционная
• Сталь пружинная
• Чугун ковкий
• Сталь нержавеющая аустенитная
• Медь (чистая)
• Латунь
• Бронза
• Алюминиевые сплавы

Углеродистая конструкционная сталь – сплав железа и углерода в различных соотношениях – получается при совместной выплавке этих основных компонентов. В качестве обязательных сопутствующих элементов присутствуют Mn и Si. Они попадают в сталь при раскислении – удалении из стали лишнего кислорода. Mn и Si связывают его в оксиды. Процесс сопровождается газовыделением СО («кипением»). Так получают стали обыкновенного качества и качественные стали.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и условным номером марки. Чем выше номер, тем больше С и Mn содержится в стали.

Содержание углерода и марганца в сталях обыкновенного качества, %

Качественные углеродистые стали своему названию обязаны в первую очередь низким содержанием примесей. Их массовый процент должен быть не более:

• серы 0,04;

• фосфора 0,035.

Содержание углерода в этих сталях изменяется в широких пределах. По этому показателю их разделяют на несколько групп. Чем выше содержание углерода в стали, тем выше ее механические свойства. Они маркируются числами 08,10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
 

Механические свойства качественных углеродистых сталей

В отдельных случаях углеродистые стали легируются незначительным количеством хрома. Это обеспечивает повышенные механические свойства после соответствующей термической обработки. Весьма популярна в этом плане сталь марки 40Х.

Химический состав в % материала 40Х

Следует иметь в виду, что наряду с химическим составом важнейшую роль в формировании структуры, а следовательно, и в обеспечении заданных свойств сплава, играет термообработка. В углеродистых сталях применяется схема закалка + отпуск. Закалка – это термообработка, направленная на получение в сплаве максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до высокой заданной температуры, выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. Атомы, перестроившиеся в другую структуру при нагреве, при резком охлаждении не успевают вернуться на прежние места. В случае углеродистых сталей эта новая зафиксированная структура стали называется мартенсит. Следует понимать, что эта структура может возникнуть только при достаточно высоком содержании углерода в стали. В стали с низкой концентрацией углерода последнего может попросту не хватить для организации мартенситной структуры. Если же мартенсит образовался, то его состояние будет крайне неустойчивым, как у любой напряженной структуры. Поэтому, чтобы перевести металл в более устойчивое состояние, сохранив при этом необходимые уровни прочности и пластичности, применяют дополнительную термообработку, которую называют отпуск. Отпуск – термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки. При отпуске сталь нагревают до температур более низких, чем при закалке, что вызывает выделение т.н. вторичных фаз и как следствие снижение внутренних напряжений в стали.

Еще один вид термической обработки, а точнее – химико-термической обработки, встречающийся при производстве крепежных изделиях, это цементация. Так называется насыщение поверхности деталей углеродом с целью повышения ее твердости и износостойкости. Насыщение проводят либо из твердой, либо из газовой фазы, и оно длится до 10 часов при температуре 900-950⁰С. Для улучшения структуры затем производится двойная закалка на 800-900⁰С и последующий низкий отпуск при 160-180⁰С.

Цементацию применяют для деталей, в которых высокая твердость поверхности должна сочетаться с вязкой сердцевиной, хорошо выдерживающей ударную нагрузку. При этом содержание углерода не должно превышать 0,1-0,25%. В крепежных изделиях нашего ассортимента цементация широко применяется при производстве саморезов по металлу.

Сталь пружинная

Некоторые крепежные детали изготавливаются из специальной пружинной стали. Это различного рода шайбы, кольца, разрезные штифты и т.п.