Vít thép carbon: Cấp, tính chất, lớp phủ & hướng dẫn lựa chọn

một là gì Vít thép cacbon ?

A vít thép carbon là một dây buộc có ren được sản xuất từ hợp kim sắt-cacbon trong đó cacbon là nguyên tố hợp kim chính, thường có nồng độ từ 0,05% đến 1,70% trọng lượng. Hàm lượng carbon, cùng với lượng mangan, silicon, lưu huỳnh và phốt pho, quyết định độ cứng, độ bền kéo, độ dẻo và khả năng gia công của thép - và nói rộng ra là hiệu suất cơ học của vít thành phẩm.

Thép carbon là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất vít trên toàn cầu, chiếm phần lớn sản lượng dây buộc công nghiệp tính theo số lượng. Sự thống trị của nó bắt nguồn từ sự kết hợp của tỷ lệ sức mạnh trên chi phí cao , khả năng định dạng tuyệt vời trong quá trình cán nguội và cán ren, cũng như khả năng được xử lý nhiệt trên một loạt các mục tiêu về đặc tính cơ học. Từ vít máy bước mịn được sử dụng trong các bộ phận điện tử cho đến bu lông lục giác kết cấu lớn được sử dụng trong xây dựng, vít thép carbon hầu như phục vụ mọi ngành công nghiệp yêu cầu buộc chặt bằng ren.

Hạn chế chính của thép cacbon so với thép không gỉ là tính dễ bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt hoặc có tính ăn mòn hóa học. Vấn đề này được giải quyết thông qua một loạt các biện pháp xử lý bề mặt — mạ kẽm, mạ kẽm nhúng nóng, phủ phốt phát và các biện pháp khác — giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng một cách đáng kể mà không làm thay đổi các tính chất cơ học cơ bản của dây buộc.

Các loại thép carbon được sử dụng trong sản xuất trục vít

Không phải tất cả thép carbon đều tương đương. Loại thép được chọn để sản xuất vít sẽ trực tiếp chi phối cấp độ bền có thể đạt được, phản ứng xử lý nhiệt và đặc tính tạo hình nguội. Các nhà sản xuất vít chủ yếu làm việc với các loại vật liệu sau:

Thép cacbon thấp (Thép nhẹ) - 0,05%–0,30% C

Các loại carbon thấp như SAE 1008, 1010 và 1018 là vật liệu tiêu chuẩn cho vít đa năng, vít gỗ, vít tự khai thác và vít vách thạch cao. Hàm lượng carbon thấp làm cho chúng có độ dẻo cao và dễ làm lạnh đầu — một quy trình sản xuất tốc độ cao trong đó thanh dây được tạo thành phôi vít mà không cần cắt — mang lại hiệu quả sản xuất tuyệt vời và chi phí trên mỗi đơn vị thấp. Tuy nhiên, thép cacbon thấp không thể được tăng cường đáng kể bằng cách xử lý nhiệt, vì vậy những ốc vít này thường được giới hạn ở loại tài sản 4.8 hoặc thấp hơn theo phân loại ISO 898-1.

Thép cacbon trung bình - 0,30%–0,60% C

Các lớp như SAE 1035, 1038 và 1045 cung cấp tiềm năng sức mạnh cao hơn đáng kể và đáp ứng tốt với xử lý nhiệt tôi luyện. Đây là những nguyên liệu chính để thuộc tính loại 8.8, 9.8 và 10.9 vít hệ mét - xương sống của các cụm kết cấu và cơ khí trong các ứng dụng ô tô, máy móc và xây dựng. Sau khi xử lý nhiệt, vít thép carbon trung bình đạt được độ bền kéo 800–1040 MPa, với phạm vi độ cứng được kiểm soát (thường là 22–39 HRC cho loại 8,8 và 10,9 tương ứng) giúp cân bằng độ bền với khả năng chống giòn hydro trong quá trình mạ điện tiếp theo.

Thép hợp kim cacbon trung bình — có bổ sung Cr, Mn hoặc B

Dành cho các lớp sức mạnh cao nhất - lớp tài sản 12.9 và các ứng dụng chuyên dụng có độ bền kéo cao - các nhà sản xuất sử dụng các loại thép hợp kim như SAE 4135, 4140 (crom-molypden) hoặc các loại được tăng cường boron như 10B38 . Việc bổ sung boron nhỏ từ 0,0005%–0,003% cải thiện đáng kể độ cứng, cho phép làm cứng xuyên suốt các đường kính trục vít lớn hơn trong quá trình tôi. Vít loại 12.9 được sản xuất từ các vật liệu này đạt độ bền kéo bằng tối thiểu 1220 MPa , khiến chúng trở thành sự lựa chọn cho các bộ phận động cơ hiệu suất cao, kẹp dụng cụ và các mối nối kết cấu quan trọng mà tính toàn vẹn của mối nối là không thể thay đổi được.

Xử lý bề mặt và chống ăn mòn

Thép carbon trần bị ăn mòn nhanh chóng khi tiếp xúc với độ ẩm và oxy. Trong hầu hết các ứng dụng, xử lý bề mặt được áp dụng sau khi sản xuất để cung cấp mức độ bảo vệ chống ăn mòn xác định - việc lựa chọn xử lý phụ thuộc vào môi trường tiếp xúc, tuổi thọ cần thiết, liệu vít sẽ được sơn hay xử lý thêm và bất kỳ yêu cầu quy định nào (chẳng hạn như tuân thủ RoHS cho các ứng dụng điện tử).

mạ điện kẽm

Cách xử lý phổ biến nhất đối với vít thép carbon trong các ứng dụng trong nhà và ngoài trời nhẹ. Một lớp kẽm mỏng 5–12 µm được lắng đọng bằng phương pháp điện phân, mang lại khả năng chống ăn mòn hy sinh - kẽm oxy hóa tốt hơn để bảo vệ nền thép. Vít mạ kẽm tiêu chuẩn thường đạt được 72–200 giờ về khả năng chống phun muối theo tiêu chuẩn ASTM B117. Quá trình thụ động cromat màu vàng được áp dụng trên lớp kẽm kéo dài thời gian này lên 200 giờ và mang lại lớp hoàn thiện màu vàng quen thuộc thường thấy trên nhiều ốc vít phần cứng. Đối với vít cấp độ bền cao 10.9 và 12.9, bắt buộc phải nung giảm độ giòn bằng hydro sau mạ (thường ở 190°C trong 4 giờ) để ngăn ngừa gãy xương chậm.

Mạ kẽm nhúng nóng

Vít được ngâm trong kẽm nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 450°C, tạo thành lớp hợp kim kẽm-sắt liên kết luyện kim với nhau. 45–85 µm . Lớp phủ dày hơn nhiều này mang lại khả năng chống ăn mòn cao hơn đáng kể - thường là 500–1.000 giờ phun muối — và là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho các ốc vít kết cấu ngoài trời, thiết bị nông nghiệp và các ứng dụng cơ sở hạ tầng như cột điện và lan can đường cao tốc. Quy trình này không phù hợp với loại vít có đặc tính cường độ cao 10.9 và 12.9 do nguy cơ hấp thụ hydro và khả năng biến dạng của các sợi chịu nén chặt.

Lớp phủ phốt phát (Đen hoặc Xám)

Phương pháp xử lý kẽm hoặc mangan photphat tạo ra một lớp chuyển đổi tinh thể trên bề mặt thép mang lại khả năng chống ăn mòn độc lập ở mức tối thiểu nhưng vẫn giữ dầu và bám dính sơn tuyệt vời. Vít được bôi dầu và phốt phát được sử dụng rộng rãi trong các cụm máy móc và cụm ô tô, nơi dây buộc sẽ được lắp đặt trong môi trường bôi trơn hoặc sau đó được sơn. Mangan photphat cũng được chỉ định cho đặc tính chống nôn trên các vít có nắp đầu có ổ cắm có độ bền cao, giảm nguy cơ kẹt ren trong quá trình siết chặt được kiểm soát bằng mô-men xoắn.

Lớp phủ Geomet / Dacromet và kẽm

Lớp phủ vảy kẽm vô cơ được áp dụng bằng quy trình nhúng-spin hoặc phun ngày càng được chỉ định cho các ốc vít kết cấu có độ bền cao, nơi nguy cơ giòn hydro của mạ điện là không thể chấp nhận được. Những lớp phủ này đạt được 720–1.000 giờ có khả năng chống phun muối ở độ dày lớp phủ 8–12 µm, về bản chất không chứa hydro và cung cấp hệ số ma sát ổn định quan trọng cho việc kiểm soát lực căng mô-men xoắn trong các kết nối bu lông kết cấu. Chúng là lớp phủ chủ đạo trên các ốc vít loại 10.9 trong ngành công nghiệp ô tô và năng lượng gió ở Châu Âu.

Vít thép cacbon và thép không gỉ: Khi nào nên chọn loại nào

Sự lựa chọn giữa ốc vít bằng thép carbon và thép không gỉ thường bị hiểu nhầm đơn giản là một câu hỏi ăn mòn, trong khi trên thực tế, nó liên quan đến sự đánh đổi rộng hơn về độ bền, chi phí, tính chất từ tính, khả năng chống mòn và môi trường ứng dụng.

Vít thép carbon là lựa chọn đúng đắn khi:

• Cần có độ bền kéo cao - thép không gỉ A2-70 đạt 700 MPa, trong khi thép carbon loại 10,9 đạt 1040 MPa và loại 12,9 đạt 1220 MPa. Đối với các mối nối kết cấu và chịu tải cao, thép cacbon thường là lựa chọn thực tế duy nhất.
• Chi phí là yếu tố chính - vít thép cacbon thường Rẻ hơn 30–70% hơn các loại không gỉ tương đương về số lượng, khiến chúng trở thành tiêu chuẩn cho sản xuất công nghiệp nói chung.
• Việc lắp ráp được thực hiện trong môi trường trong nhà được kiểm soát hoặc sẽ được sơn, nghĩa là vít bằng thép carbon mạ cung cấp khả năng bảo vệ đầy đủ với chi phí thấp hơn so với vít không gỉ.
• Cần có phản ứng từ tính - ví dụ: trong các thiết bị lắp ráp từ tính hoặc hệ thống cấp dây buộc tự động dựa vào định hướng từ tính.

Vít inox là lựa chọn đúng đắn khi:

• Dây buộc tiếp xúc với độ ẩm kéo dài, nước mặn hoặc hóa chất mạnh mà không có khả năng bảo trì lớp phủ - phần cứng hàng hải, thiết bị chế biến thực phẩm và các ứng dụng kiến trúc bên ngoài.
• Bề ngoài là rất quan trọng và lớp hoàn thiện màu bạc tự nhiên phải được duy trì mà không cần sơn lại định kỳ.
• Việc lắp ráp bao gồm các kim loại khác nhau, trong đó rủi ro ăn mòn điện phải được quản lý thông qua việc lựa chọn vật liệu thay vì lớp phủ.

Quy trình sản xuất: Vít thép carbon được sản xuất như thế nào

Hiểu quy trình sản xuất sẽ làm rõ lý do tại sao một số đặc điểm chất lượng nhất định lại quan trọng khi đánh giá vít thép cacbon với tư cách là người mua hoặc kỹ sư chỉ định.

Phương thức sản xuất chủ đạo là tiêu đề lạnh , còn được gọi là tạo hình nguội. Thanh dây được kéo theo đường kính chính xác, cắt theo chiều dài trống, sau đó được tạo hình dần dần bằng khuôn ở nhiệt độ phòng thành hình học đầu vít - mà không cần loại bỏ vật liệu. Gia công nguội làm cứng thép ở điểm nối từ đầu đến chân, cải thiện khả năng chống mỏi tại điểm tập trung ứng suất tới hạn này. Nó cũng điều chỉnh dòng hạt của thép với hình dạng bộ phận, vượt trội về mặt cơ học so với vít gia công trong đó dòng hạt bị gián đoạn do cắt.

Cán sợi đi theo tiêu đề lạnh lùng. Khuôn có biên dạng ren ngược ép dạng ren vào phôi bằng biến dạng dẻo thay vì cắt. Giống như đầu nguội, điều này tạo ra ứng suất dư nén ở chân ren - vùng ứng suất cao nhất của vít khi chịu tải kéo - giúp cải thiện đáng kể tuổi thọ mỏi so với ren cắt. Dữ liệu ngành luôn cho thấy rằng ốc vít ren cuộn đạt được Độ bền mỏi cao hơn 20–30% hơn các ốc vít cắt ren có kích thước tương đương ở cùng loại vật liệu.

Đối với loại tài sản 8.8 trở lên, làm nguội và xử lý nhiệt theo sau cuộn sợi. Vít được austenit hóa ở 820–880°C, được làm nguội trong dung dịch dầu hoặc polyme để đạt được sự biến đổi martensite hoàn toàn, sau đó được tôi luyện ở 425–500°C để giảm độ giòn và đạt được độ cứng mục tiêu và dải độ bền kéo theo quy định của ISO 898-1. Quá trình xử lý bề mặt cuối cùng — mạ, phủ hoặc thụ động — được áp dụng sau khi xử lý nhiệt và mọi hoạt động kiểm tra cần thiết.