Основным материалом для производства крепежных деталей является сталь, обладающая необходимым комплексом свойств - достаточной прочностью, пластичностью, сопротивлением усталости, износо - и коррозионной стойкостью. Традиционно используют конструкционные углеродистые стали с содержанием углерода не выше 0,5%. В ряде случаев при холодной высадке с небольшим коэффициентом деформации и использованием промежуточного отжига применяют углеродистые стали с содержанием углерода до 1,1%.

  При необходимости изготовления крепежных деталей повышенной и высокой прочности используют конструкционные легированные, в том числе низколегированные (0,2% С и 2-3% легирующих элементов) стали. В зависимости от условий эксплуатации могут быть использованы также высоколегированные стали и сплавы на основе железа или никеля - коррозионно-стойкие, жаропрочные, теплоустойчивые. В качестве исходного металла также находят применение цветные металлы, такие как медь, титан, алюминий и др. и сплавы на их основе.

  Углеродистые и низколегированные стали для холодной высадки изготавливаются мартеновским или конвертерным способами, среднелегированные - мартеновским или электроплавкой, а высоколегированные только в электропечах. Как правило, для холодной высадки используют кипящие или спокойные низкоуглеродистые стали; однако в ряде случаев выплавляют и полуспокойные стали с содержанием углерода до 0,24% и кремния до 0,1%. Стали с большим содержанием углерода и легирующими элементами выплавляются только спокойными. Спокойные стали, раскисленные алюминием, характеризуются повышенной пластичностью, что является важным фактором при изготовлении крепежных изделий методом холодной деформации.

В таблице №1 представлена классификация металлов и сплавов по штампуемости при холодной объемной деформации .

  Сведения по маркам и химическому составу сталей, применяемых для изготовления высокопрочных болтов, приведены в таблице №2, составленной на основании анализа стандартов и литературных источников.

  Необходимая пластичность болтов в России обеспечивается нормированием минимально допустимого относительного сужения (35%) и ударной вязкости (4-5 кгм/см2), а также ограничением максимально допустимой твердости по Бринеллю, замеряемой на поверхности болта. За рубежом наряду с временным сопротивлением болтов разрыву, как правило, нормируется предел текучести и относительное удлинение.

  Поиски путей увеличения прочности и стойкости крепежных изделий широко проводятся как в нашей стране, так и за рубежом.

  Промышленное использование борсодержащих сталей типа 20Г2Р,30Г1Р, 38ХГНМ, 12ГФРи 40ХН2МА, при изготовлении ответственных крепежных деталей для автомобилей приводит к значительному увеличению прочности и стойкости, последних. Особенностью этих сталей является сочетание высокой технологической пластичности и прокаливаемости. По сравнению с традиционными хромистыми сталями (35Х, 38ХА, 40Х) борсодержащие стали обладают меньшим сопротивлением деформированию при холодной штамповке, что обеспечивает хорошую штампуемость и повышение стойкости холодновысадочного инструмента.

  Сталь 20Г2Р характеризуется хорошей прокаливаемостью при охлаждении в воде и масле, а крепежные изделия из нее после термической обработки обладают прочностными свойствами на уровне крепежа из хромистых сталей при более высоких показателях пластичности и особенно, вязкости. Испытания крепежных изделий из стали 20Г2Р, изготовленных на многопозиционных холодноштамповочных автоматах с последующей термической обработкой, показали, что по механическим свойствам они соответствуют классам прочности 10.9 (болты) и 10 (гайки) по ГОСТ 1759.4-87. В условиях эксплуатации случаи разрушения крепежных изделий из этой стали не выявлены.

  Низколегированная сталь для высокопрочных болтов, содержащая 0,28-0,33% С; 0,6-0,9% Mn; 0,5-0,8% Cr; 0,04-0,09% Аl; 0,0005-0,0003% В; до 0,1% Si; до 0,035% S, разработана в Японии. После закалки при 880 С и отпуска при 450 С механические свойства болтов из этой стали следующие: временное сопротивление разрыву >1060 Н/мм2, условный предел текучести >920 Н/мм2, относительное удлинение >12% и относительное сужение >35%.

  Другой способ получения высокопрочного крепежа, также разработанный в Японии, заключается в том, что сталь с содержанием  0,10-0,40% С; 0,05-1,5% Si; 0,70-2,5% Мn; 0,10-1,50% Cr; 0,05-0,50% Мо подвергают горячей прокатке и принудительному охлаждению до 500-700 С. После этого прокат со структурой переохлажденного аустенита охлаждают посредством обдува воздухом со скоростью более 70С/с, для получения мартенситной структуры. Из проката формируют бунт и, медленно охлаждая, осуществляют его самоотпуск. Дальнейшее охлаждение происходит в бунтах в процессе самоотпуска.

  Во Франции для крепежа используется сталь, содержащая 0,07-0,12% С; 0,3-0,7% Si; 1,5-2% Mn; 0,05-0,10% Nв; 0,0025-0,006% В; 0,04-0,08% Аl. После прокатки катанку из нее подвергают контролируемому охлаждению , холодному волочению и холодной штамповке, причем заготовки, поступающие на штамповку, имеют температуру 100-3000С. Штампованные изделия обладают мелкодисперсной бейнитной структурой и высокими прочностными свойствами (dв >1000 Н/мм2).

  В Германии разработан материал для изготовления высокопрочных болтов, содержащий 0,45% С; 0,7-1,0% Mn; 0,7-2,2% Cr; 0,3-0,6% Мо; 0,5-2,2% Ni;. Болты подвергают термической обработке, обеспечивающей получение мягкой сердцевины и упрочненного поверхностного слоя. При этом сердцевина имеет dв =1180-1300, а поверхностный слой - dв =1400-1650 Н/мм2 и dв = 1250 Н/мм2

  ЦНИИчерметом совместно с Центральным научно-исследовательским и проектным институтом строительных металлоконструкций разработана сложнолегированная сталь 20Х2НМТРБ для производства высокопрочных болтов с  временным сопротивление разрыву 1350-1550 Н/мм2. Последние предназначены для монтажа строительных конструкций, работающих в агрессивных средах и при низких температурах. Исследования показали, что по комплексу механических свойств эти болты превосходят лучшие зарубежные аналоги. Применение их при монтаже металлических конструкций приводит к снижению металлоемкости монтажа на 17% , а также повышает надежность работы соединений.

  Как в нашей стране, так и за рубежом проводятся широкие исследования и разработки, направленные на совершенствование способов термической обработки стали для высадки, являющейся одной из основных операций при производстве крепежа.

  Так Криворожский металлургический комбинат "Криворожсталь" производит мелкосортный прокат и катанку для холодной высадки в бунтах массой до 2т со смягчающей сфероидизирующей обработкой. Технология прокатки включает ускоренное охлаждение металла перед намоткой в бунт и сфероидизирующий отжиг в проходных роликовых печах с фазовой перекристаллизацией. Разработанные режимы термической обработки проката, обеспечивают получение однородной структуры по длине бунта. Так для стали 40Х температура окончания ускоренного охлаждения находится в пределах 700-750 С.

  В ГНЦ РФ ЦНИИчермет разработана сталь 06ХГР, которая при ускоренном охлаждении из двухфазной межкритической области температур 775±15 С приобретает структуру, аналогичную структуре композиционного материала, т.е. содержит до 20-25% твердой фазы - мартенсита в пластичной ферритной матрице. Сталь склонна к интенсивному упрочнению в процессе холодного пластического деформирования, что обеспечивает получение из нее крепежа класса прочности 8.8. Устранение сфероидизирующего отжига исходного металла и термической обработки готовых изделий приводит к снижению энергозатрат.

  Фирмой "ARBEL Saarstahl" (АРБЭД Сааршаль"), Германия, разработан способ изготовления болтов из катанки, подвергнутой закалке и отпуску в бунтах. При этом способе бунты катанки в процессе термической обработки подвергают вибрации с амплитудой колебания отдельных витков 5-10 мм и средней частотой 25 Гц. В результате колебаний контакт между отдельными витками бунта временно нарушается, благодаря чему закалочная среда воздействует на все его витки. Таким образом обеспечивается получение однородности механических свойств катанки по длине бунта, повышается стабильность механических свойств (разброс временного сопротивления разрыву уменьшается со 100 до 50 Н/мм2).

  Применение термически упрочненного металла для изготовления крепежных изделий повышенной прочности, наряду с определенными преимуществами (устранение необходимости сфероидизирующего отжига и термической обработки готовых изделий, возможность использования более дешевых сталей), имеет и свои недостатки. Как правило, термически упрочненный металл обладает более высокими показателями сопротивления деформированию при холодной штамповке, что приводит к возрастанию усилий на штамповочный инструмент и снижению его стойкости. Другой недостаток заключается в том, что на существующем оборудовании проволочных прокатных станов можно получить в бунтах термически упрочненную катанку диаметром не более 12 мм, которая пригодна только для изготовления крепежа малых диаметров. Термически упрочненный прокат диаметром более 12 мм на существующем прокатном оборудовании можно изготовить только в виде прутков, применение которых при массовом производстве крепежных изделий неэффективно. В связи с этим необходимо создание специального оборудования для термического упрочнения бунтового проката больших диаметров.

  В Японии разработан ряд способов изготовления крепежа повышенной точности с использованием термомеханической обработки заготовки. Так, один из способов заключается в том, что прутки или катанку из углеродистой (с содержанием не более 0,6% С ) или низко легированной стали подвергают холодному волочению со степенью обжатия не менее 10%. Далее протянутый металл, нагретый со скоростью 50 0С/мин до 450 С, штампуют, формируя головку болта, после чего в горячем состоянии накатывают резьбу на его стержне и охлаждают на воздухе. Временное сопротивление разрыву болтов превышает 685 Н/мм2 .

  Запатентована технология изготовления высокопрочных болтов с высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению, заключающаяся в том, что круглую сталь с 0,15-0,4% С; 2% Мn; 8% Ni; 2% Cr; 1% Мо; 0,01% В, а также с добавками алюминия, ниобия, титана и ванадия нагревают со скоростью 100 С/мин до 450-650 С , выдерживают при этой температуре в течении 1мин, подвергают штамповке и охлаждают отштампованное изделие со скоростью, превышающей скорость охлаждения на воздухе. Получаемые при этом болты имеют dв >1000 Н/мм2 (при отношении б0,2 / dв > 0,92) и высокие показатели пластичности, вязкости и выносливости.

  Другой способ производства высокопрочных болтов заключается в том, что катанку или сортовой прокат из углеродистой стали нагревают в интервале 300-600 С и подвергают горячему волочению с обжатием не менее 15%. Протянутую заготовку сразу же охлаждают, а затем повторно нагревают до 400-600 С и штампуют из нее болты, которые тут же охлаждают со скоростью не ниже скорости охлаждения на воздухе.

  При хорошей термической обработке и подготовке поверхности металла, а также при отсутствии недопустимых поверхностных и внутренних дефектов холодной высадкой можно получать изделия даже при dв = 800-1080 Мпа.

    Таким образом, на основании вышеизложенного следует, что отечественные материалы для крепежных изделий по своим свойствам не уступают зарубежным аналогам. Разработка и внедрение в производство новых высококачественных технологий позволит получать высококачественный крепеж для всех отраслей промышленности. Поставленные задачи могут быть решены только при значительных инвестициях как в метизную, так и металлургическую отрасли.