Bezpośrednie wkręcanie w materiały o bardzo wysokiej wytrzymałości
EJOTW wymagających aplikacjach przemysłowych istotną rolę odgrywają niezawodne technologie łączenia elementów. Coraz częściej standardem staje się bezpośrednie mocowanie, które eliminuje dodatkowe operacje obróbcze, takie jak wiercenie czy nacinanie gwintów. Ta metoda znacząco obniża koszty produkcji i upraszcza procesy montażowe.
Wśród dostępnych na rynku rozwiązań znajdziemy różne typy wkrętów samogwintujących, które są dostosowane do specyficznych materiałów. Do stali stosowane są np. wkręty o spiralnej formie gwintu, natomiast do metali lekkich opracowano specjalne konstrukcje zoptymalizowane do ich właściwości. Do perforowanych blach o grubości poniżej 1,5 mm dostępne są dedykowane rozwiązania, które zapewniają niezawodne mocowanie. Z kolei do łączenia blach wysokowytrzymałych – nawet bez otworu pilotażowego – stosuje się wkręty przepływowe, szczególnie przydatne w konstrukcji karoserii samochodowych.
Bezpośrednie wkręcanie, w którym wkręt lub śruba same tworzą gwint w materiale, jest ekonomiczną i niezawodną alternatywą, szczególnie w przypadku połączeń o wysokim obciążeniu. Zakres zastosowania jest ograniczony jedynie przez maksymalną wytrzymałość końcówki wykorzystywanego narzędzia wkręcającego, która nie może ulegać plastycznemu odkształceniu podczas formowania gwintu.
Twarda i wytrzymała końcówka wkrętu
Żeby zwiększyć twardość i wytrzymałość końcówki wkręcającej w przypadku niskowęglowych stali stopowych – powszechnie stosowanych jako materiał, z którego wykonuje się wkręty i śruby – łączy się różne mechanizmy utwardzania.
Po pierwsze, maksymalna twardość jest uzależniona od zawartości węgla w materiale, która powinna być możliwie wysoka. Taki stan można uzyskać na krawędziach gwintu poprzez tzw. nawęglanie, w którym węgiel dyfunduje do powierzchni metalu podczas obróbki cieplnej.
Po drugie, materiał w czubku śruby i wkrętu można utwardzić w procesie hartowania indukcyjnego. Jeśli następnie zrezygnuje się z odpuszczania, nawet w przypadku procesów galwanicznych, uzyskana twardość końcówki będzie wpływać korzystnie na proces wkręcania.
Z odpuszczania można jednak zrezygnować tylko wtedy, gdy struktura materiału w obszarze główki i nośnej części śruby jest całkowicie niewrażliwa na kruchość wodorową. Końcówka śruby jest obciążana tylko krótkotrwale podczas wkręcania, więc opóźnione pękanie spowodowane kruchością wodorową jest wykluczone – o ile czubek śruby nie będzie później poddany obciążeniom mechanicznych albo te obciążenia będą tylko nieznaczne.
Istnieje struktura materiału o wysokiej wytrzymałości, która jest bardzo odporna na wpływ wodoru. To struktura bainityczna, którą można uzyskać poprzez najpierw poddanie śruby podczas obróbki cieplnej działaniu atmosfery wzbogaconej w węgiel, a następnie – schłodzenie w kąpieli solnej. Przy tym parametry tego procesu dobiera się w taki sposób, żeby wytrzymałość śruby w obszarze główki i części nośnej wynosiła ok. 1000 MPa.
Przykłady rozwiązań na rynku
Dobrym przykładem kompleksowego podejścia do technologii bezpośredniego mocowania jest oferta firmy Ejot. W jej portfolio znajdziemy wkręty Spiralform do stali, ALtracs Xt do metali lekkich i SHEETtracs do perforowanych blach o grubości poniżej 1,5 mm. Z kolei dla blach wysokowytrzymałych bez otworu pilotażowego firma oferuje rozwiązanie FDS. Innowacyjna koncepcja MAXXtip® jest odpowiedzią na wyzwania związane z mocowaniem w materiałach ultra-wysokowytrzymałych, a technologia SpringHead zapewnia lepsze utrzymanie siły docisku przy obciążeniach dynamicznych i termicznych.
Brak zagrożenia kruchością wodorową
Wykazano, że taka struktura, nawet bezpośrednio po procesach galwanicznych z zawartością wodoru (np. cynkowanie), w trakcie niszczącego, powolnego badania mechanicznego wykazuje ciągle plastyczne zachowanie pękania. Natomiast śruba po klasycznej obróbce cieplnej (klasa wytrzymałości: 10.9) w tych samych warunkach wykazuje kruchość wodorową.
EJOTWkręt, który w pierwszym kroku poddano procesowi bainityzacji nawęglającej, a w drugim kroku hartowaniu indukcyjnemu, może więc spełnić początkowe wymagania – dotyczące szczególnie twardej końcówki wkręcającej bez ryzyka kruchości wodorowej.
Bardzo dobrym przykładem jest wkręt samogwintujący do blach cienkich Ejot Sheettracs, wyprodukowany według tzw. koncepcji materiałowej Maxxtip. Może być on wkręcany w blachy o bardzo wysokiej wytrzymałości do ok. 1500 MPa. Należy jedynie pamiętać, żeby końcówka wkręcająca została zawsze całkowicie przewiercona.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Otwiera to szerokie spektrum zastosowań, które umożliwiają bezpieczne połączenia w elementach samochodowych istotnych przy zderzeniach, które później można w stosunkowo łatwy sposób zdemontować do recyklingu. Przykładami są zderzaki, wzmocnienia słupka B lub konstrukcje siedzeń, do których mają być przykręcone elementy dodatkowe.
Do wkręcania grubszych blach lub w otworach nieprzelotowych koncepcja ta może być zastosowana także do wkrętów o kształcie spiralnym. Taki rodzaj wkrętu wymaga wówczas odpowiedniej głębokości wkręcania, która wyklucza późniejsze silne obciążenie czubka wkręcającego.
Osiąga się to, obliczając długość wkrętu jako sumę grubości zaciskanych elementów, długości obszaru utwardzanego indukcyjnie i długości 1,5-krotności średnicy wkrętu. Umożliwia to bezpieczne stosowanie wspomnianej wyżej koncepcji połączeń śrubowych.
Taki wkręt można stosować także do samogwintującego wkręcania w odlewach stalowych. W tym przypadku nie trzeba już nawiercać gwintów w otworach odlewniczych, więc przy odpowiedniej geometrii można go wkręcać bezpośrednio w przygotowane otwory. Pozwala to zaoszczędzić zarówno narzędzia, jak i czas związany z wykonaniem poszczególnych etapów procesu.
Dzięki tej wyjątkowej kombinacji różnych procesów obróbki cieplnej powstaje nowy typ wkrętów, który oprócz obszaru główki i trzpienia całkowicie niewrażliwych na kruchość wodorową ma także szczególnie twardą i trwałą końcówkę wkręcającą. To znacząco powiększa zakres bezpośredniego zastosowania tych wkrętów – także do niezawodnego wkręcania stali o ultrawysokiej wytrzymałości i odlewów stalowych.
Koncepcja materiałowa Maxxtip umożliwia także pokrycie wkrętów o wysokiej wytrzymałości powłoką galwaniczną (np. powłoką cynkową lub powłoką stopową cynk-nikiel) – bez narażenia na ryzyko opóźnionej kruchości wodorowej w inaczej krytycznych zastosowaniach.
Artykuł opracowano na podstawie materiałów prasowych z targów EuroBlech i materiałów firmy EJOT.
Wspomniane rozwiązania i innowacje zostaną zaprezentowane także na regionalnych targach SchraubTec Katowice 2025 (organizowanych przez Vogel Communications Group), które odbędą się 16.09.2025.
