Guida alla selezione dei materiali di fissaggio: il materiale determina le prestazioni, il trattamento termico determina la resistenza e il trattamento superficiale determina la durata!

Una sola frase che cattura l’essenza del settore degli elementi di fissaggio:

Scegli il materiale sbagliato e anche il dispositivo di fissaggio più resistente si romperà;

Scegli il trattamento termico sbagliato e anche il dispositivo di fissaggio con la valutazione più alta sarà semplicemente una falsa affermazione;

Scegli il trattamento superficiale sbagliato e anche la vite migliore si arrugginirà e diventerà inutilizzabile.

I. Confronto fondamentale dei quattro materiali principali del settore

1. Acciaio al carbonio

Vantaggi: costo più basso, gamma più ampia di punti di forza, volume di produzione più elevato, fornitura più stabile

Svantaggi: naturalmente incline alla ruggine; scarsa resistenza alla corrosione

Principali applicazioni: Edilizia, automotive, macchinari, elettrodomestici, industria in genere

2. Acciaio inossidabile

Vantaggi: naturalmente resistente alla ruggine, non richiede galvanica, igienico ed esteticamente gradevole, durata eccezionalmente lunga

Svantaggi: costo elevato, resistenza massima moderata, incline a grippaggi e inceppamenti

Applicazioni principali: attrezzature alimentari, mediche, chimiche, per esterni e marine

3. Acciaio legato

Vantaggi: resistenza ultraelevata, resistenza alla fatica, resistenza agli urti, resistenza alle alte temperature

Svantaggi: Richiede trattamento termico, scarsa resistenza alla ruggine, elevati costi di lavorazione

Applicazioni principali: energia eolica, ponti, miniere, autocarri pesanti, macchine edili, apparecchiature ad alta tensione

4. Leghe di titanio

Vantaggi: ultraleggero, ultraresistente, resistente alla corrosione, non magnetico e altamente biocompatibile

Svantaggi: costoso, estremamente difficile da lavorare

Applicazioni primarie: applicazioni aerospaziali, di difesa, mediche, da corsa e di nuova energia leggera di fascia alta

Quando si selezionano i materiali per gli elementi di fissaggio, l’opzione più costosa non è mai la scelta migliore; vengono invece considerati quattro criteri fondamentali: ambiente operativo, requisiti di carico, requisiti di durata utile e budget di costo.

II. Elementi di fissaggio in acciaio al carbonio

L’acciaio al carbonio è di gran lunga il materiale dominante nel settore degli elementi di fissaggio. Rappresenta circa il 70% degli elementi di fissaggio industriali globali ed è il materiale di base più utilizzato e versatile nella produzione industriale e nei progetti infrastrutturali.

Vantaggi

• Il costo complessivo più basso tra i quattro materiali principali, offrendo il miglior rapporto qualità-prezzo
• Eccellente duttilità, facile da forgiare a freddo e bassa difficoltà di produzione
• Copre l'intera gamma di livelli di resistenza, adatto per applicazioni che vanno dall'uso generale di consumo agli scenari industriali di media e alta resistenza
• Catena di fornitura globale matura, ampio inventario e tempi di consegna stabili

Svantaggi

Resistenza alla corrosione intrinsecamente scarsa; sensibile all'acqua, all'umidità e alla nebbia salina. Se utilizzato senza protezione arrugginisce molto facilmente e deve essere trattato con un rivestimento antiruggine superficiale.

Tre processi di trattamento termico principale per l'acciaio al carbonio

1. Tempra e rinvenimento (Q&T)

Il processo principale per tutti i bulloni in acciaio al carbonio ad alta resistenza di grado 8.8.

Funzione: bilancia la resistenza alla trazione e la tenacità, migliora la resistenza alla fatica ed elimina il rischio di frattura.

2. Carburazione

Specificamente utilizzato per viti autofilettanti e viti con punta forante

Effetto: elevata durezza superficiale ed elevata tenacità del nucleo; lo strato superficiale può penetrare nelle piastre di acciaio, mentre l'interno è resistente alla frattura fragile.

3. Ricottura sferoidizzante

Un processo di pretrattamento essenziale prima della produzione dello stampaggio a freddo

Funzione: ammorbidisce l'acciaio, riduce la durezza, previene le fessurazioni durante la formatura e garantisce la resa produttiva.

L'acciaio al carbonio non ha una naturale capacità antiruggine; la sua durata dipende interamente dai trattamenti superficiali:

Elettrozincatura (zinco blu-bianco, zinco colorato, zinco nero), zincatura a caldo, annerimento, fosfatazione, Dacromet, rivestimento zinco-alluminio Geomet, zincatura meccanica e rivestimento in teflon.

III. Elementi di fissaggio in acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile non richiede galvanica per la protezione dalla ruggine ed è adatto a varie applicazioni umide, corrosive e sanitarie.

• Naturalmente resistente all'ossidazione, agli acidi, agli alcali e alla corrosione da nebbia salina
• Aspetto liscio e attraente; atossico e igienico, adatto per applicazioni alimentari e mediche
• Progettato per un uso a lungo termine in ambienti esterni, con una durata di servizio di gran lunga superiore a quella dell'acciaio al carbonio

Svantaggi

• I costi delle materie prime sono significativamente più alti di quelli dell’acciaio al carbonio e dell’acciaio legato
• Il trattamento termico convenzionale dell’acciaio inossidabile austenitico non può aumentarne la resistenza
• Incline al grippaggio della filettatura e al bloccaggio della saldatura a freddo, con conseguente alto tasso di errori di assemblaggio

Oltre il 90% dei prodotti in acciaio inossidabile nel settore degli elementi di fissaggio sono ancora realizzati principalmente in acciaio inossidabile austenitico 304 (A2) e 316 (A4); L'acciaio inossidabile 410 viene utilizzato solo per prodotti che richiedono una durezza speciale, come viti autofilettanti e autoperforanti, e non rappresenta le caratteristiche dei principali tipi di acciaio inossidabile.

Punti chiave sulla resistenza dell'acciaio inossidabile

La resistenza degli acciai inossidabili austenitici 304 e 316 non può essere migliorata mediante trattamento termico, ma la loro resistenza meccanica può essere migliorata mediante lavorazione a freddo (incrudimento). Gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile ad alta resistenza presenti sul mercato, come A2-70 e A4-80, raggiungono i gradi migliorati attraverso processi di incrudimento.

Cause di grippaggio nell'acciaio inossidabile + Soluzioni

Principali cause di grippaggio

L'acciaio inossidabile austenitico ha un'elevata duttilità. L'attrito generato durante il serraggio del filo produce temperature elevate, portando alla saldatura a freddo del metallo. Ciò fa sì che i fili si attacchino e si grippino, rendendo impossibile lo smontaggio.

Soluzioni pratiche

• Applicare un composto antigrippaggio o un lubrificante specifico per l'acciaio inossidabile prima del montaggio
• Ridurre la velocità di serraggio per evitare la generazione di calore dovuta all'attrito ad alta velocità
• Seleziona fili lavorati con precisione che sono stati sottoposti a lucidatura superficiale e trattamento di passivazione
• Controllare la coppia di assemblaggio per evitare una forza eccessiva durante il serraggio

Trattamenti superficiali dell'acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile non richiede zincatura per la prevenzione della ruggine. I processi principali includono: decapaggio acido, passivazione, lucidatura elettrolitica, lucidatura meccanica, lucidatura a specchio e sabbiatura

IV. Elementi di fissaggio in acciaio legato

Le viti ad altissima resistenza utilizzate nell'energia eolica, nei ponti, nei camion pesanti e nelle apparecchiature ad alta tensione utilizzano tutte l'acciaio legato come materiale di base.

Aggiungendo metalli rari come cromo, molibdeno, nichel e vanadio, l'acciaio legato supera le carenze dell'acciaio al carbonio in termini di robustezza, tenacità e resistenza alla fatica, rendendolo il materiale principale per applicazioni pesanti di fascia alta.

Gradi comuni di acciaio legato

SCM435 (equivalente a 35CrMo), 35CrMo, 42CrMo, 4140, 4340

Vantaggi

Attraverso un'adeguata progettazione della composizione chimica e un trattamento termico di precisione, l'acciaio legato può raggiungere più facilmente una resistenza ultraelevata, un'elevata tenacità ed un'eccellente resistenza alla fatica e alle alte temperature, superando di gran lunga i limiti prestazionali dell'acciaio al carbonio convenzionale. È adatto a condizioni estreme che comportano carichi pesanti, vibrazioni e alta pressione.

Svantaggi

• Estremamente dipendente dai processi di trattamento termico, con conseguenti elevate barriere tecniche e costi di produzione
• Manca di resistenza alla ruggine intrinseca e deve essere abbinato a trattamenti anticorrosione specializzati

Trattamento termico tradizionale per l'acciaio legato

Utilizza quasi esclusivamente tempra e rinvenimento (tempra + rinvenimento ad alta temperatura)

I prodotti di fascia alta possono anche incorporare: tempra ad induzione, nitrurazione, cementazione e carbonitrurazione

In grado di produrre costantemente elementi di fissaggio ad altissima resistenza di grado 10.9, grado 12.9 e superiori

Trattamento superficiale dell'acciaio legato ed prevenzione delle insidie ​​dell'infragilimento da idrogeno

Rischio principale: frattura da infragilimento da idrogeno

Per gli elementi di fissaggio in acciaio al carbonio e legato ad alta resistenza di grado 10.9 e superiore, se i trattamenti di rimozione dell'idrogeno e deidrogenazione sono inadeguati durante i processi di elettrogalvanizzazione standard, possono verificarsi rischi di infragilimento da idrogeno, con conseguenti fratture ritardate durante l'uso, un grave rischio per la sicurezza nei settori dell'ingegneria, automobilistico ed eolico.

Attualmente, nei settori di fascia alta come quello automobilistico, eolico, ferroviario e dei ponti, la tradizionale elettrozincatura è stata completamente sostituita dai rivestimenti zinco-alluminio Dacromet e Geomet. Questo approccio elimina il rischio di infragilimento da idrogeno alla fonte, estendendo al tempo stesso la resistenza alla corrosione.

Processi tradizionali di trattamento delle superfici

Dacromet, rivestimenti in zinco-alluminio Geomet, fosfatazione, annerimento e zincatura di fascia alta senza idrogeno (doppia protezione contro la corrosione e l'infragilimento da idrogeno)

V. Elementi di fissaggio in lega di titanio

Le leghe di titanio rappresentano l'apice dei materiali leggeri e resistenti alla corrosione nel settore degli elementi di fissaggio, utilizzati principalmente in applicazioni di precisione di fascia alta e condizioni operative estreme.

Gradi rappresentativi: TA2, TC4 (Ti-6Al-4V)

Vantaggi

• Densità di circa 4,5 g/cm³, che corrisponde solo al 57% circa di quella dell'acciaio (circa 7,85 g/cm³), che si traduce in un design estremamente leggero
• Resistenza specifica estremamente elevata, paragonabile all'acciaio legato ad alta resistenza, riducendo significativamente il peso
• Eccezionale resistenza alla corrosione nella stragrande maggioranza degli ambienti industriali (la corrosione si verifica solo in ambienti speciali come acidi forti e acido fluoridrico)
• Non magnetici, resistenti al calore e altamente biocompatibili, che li rendono adatti per applicazioni mediche e aerospaziali

Unico inconveniente

Materie prime costose, lavorazioni difficili, cicli produttivi lunghi e costi complessivi estremamente elevati

Trattamento termico delle leghe di titanio

A differenza del processo di tempra e rinvenimento utilizzato per l’acciaio, l’approccio tradizionale prevede il trattamento di solubilizzazione seguito da un trattamento di invecchiamento per ottimizzare la stabilità del materiale e le proprietà meccaniche

Trattamento superficiale di fascia alta per leghe di titanio

Anodizzazione (finiture colorate personalizzabili), sabbiatura, passivazione, rivestimento PVD e rivestimento DLC resistente all'usura

VI. Dati chiave: Durata in nebbia salina dei trattamenti superficiali

La resistenza alla corrosione dei diversi trattamenti superficiali varia in modo significativo. Di seguito sono riportati i dati di riferimento dei test in nebbia salina neutra (soggetti allo spessore e alla formulazione del rivestimento; forniti solo a scopo di selezione del settore):