В каких случаях стоит использовать высокопрочный крепеж?
В ряде случаев при сборке ответственных металлоконструкций и механизмов возникает необходимость обеспечить максимально надежное разъемное соединение деталей. Это могут быть условия воздействия повышенных силовых и вибрационных нагрузок, а также экстремальных температур.
Такие технические задачи решают за счет применения высокопрочного резьбового крепежа — болтов, шпилек и гаек, выполненных из специальных сталей с упрочняющей термической обработкой. За счет модернизированных свойств несущая способность таких метизов сопоставима с нагруженными зубчатыми передачами.
Что значит «высокопрочный»?
В технической литературе приведено четкое определение термина «высокопрочный» — это изделия с временным сопротивлением разрыву материала не менее 800 МПа. Такая планка соответствует уровню закаленных деталей из стали 45 — валам редукторов, шестерням, рычагам и упорам.
В общих случаях сборки машин и трубопроводов используют стандартный крепеж классов прочности 5.6 и 8.8. Предел прочности таких изделий составляет 500 и 800 МПа. Для нагруженных условий и работы в зоне повышенных температур применяют классы 10.8 и 12.8, которые дают 1000 и 1200 МПа соответственно. На эти величины указывает ГОСТ 1759.4-87, требования которого распространяются на болты, шпильки и винты. Всего в стандарте предусмотрено 11 классов прочности, от 3.6 до 12.8.Но, несмотря на то, что стандартные изделия по классам 10.8 и 12.8 условно соответствуют понятию «высокопрочный» (величина сопротивления разрыву выше 800 МПа), этот термин к ним почти не применяют. Их называют просто закаленными или упрочненными.
Официальную приставку «высокопрочный» получает крепеж, предназначенный для решения специальных задач и выпущенный по отдельным нормативам.
Виды высокопрочных крепежей
Болты
Наибольшая доля высокопрочного крепежа приходится на болтовые соединения промышленных и строительных металлоконструкций.
Такие изделия имеют классическую форму с шестигранной головкой под ключ. Возможны исполнения:
- с классическим радиусным переходом от стержня к головке;
- с занижением стержня на гладкой части и выполнением короткой шейки под головкой;
- с выполнением опорного буртика под головкой болта;
- с выполнением опорного буртика, по диаметру большего, чем головка болта.
Бурт-подголовник служит для увеличения площади контакта болта с плоскостью опоры. За счет этого обеспечивают равномерное распределение усилий при затяжке и стабилизируют соединение под влиянием вибраций.
Болты получают методом горячей штамповки (высадки) из круглого прутка, причем формирование головки происходит в несколько этапов. В процессе деформации структура металла несколько меняется, и в зоне перехода от стержня к головке могут скапливаться дефекты и избыточные напряжения. Чтобы снизить этот эффект, после штамповки заготовку подвергают нормализации с нагревом свыше 830°С.
После нарезки резьбы крепеж упрочняют закалкой, добиваясь повышения исходного временного сопротивления разрыву в 1,4..2,8 раза. Для наиболее чувствительных к термообработке марок этот параметр можно поднять свыше 1600 МПа, что сопоставимо с улучшенной рессорно-пружинной сталью. Поверхностная твердость, которую достигают при этом, лежит в пределах 363..480 HB.
Шпильки
Высокопрочные шпильки используют преимущественно для сборки фланцевых соединений в трубопроводах высокого давления, сосудах и аппаратах сферы атомной энергетики.
В отличие от болта, шпилька имеет условно одинаковое сечение по всей длине профиля. Это позволяет снизить негативные последствия тепловых деформаций и растягивающих нагрузок под воздействием температур свыше 300..350°С.
Конструкция шпилек допускает несколько вариантов:
- одноступенчатый профиль, в котором гладкая промежуточная часть совпадает с наружным диаметром резьбовых концов;
- одноступенчатый профиль, в котором гладкая промежуточная часть идет с занижением ниже уровня впадин резьбы;
- двухступенчатый профиль, в котором с торцевой части гаечного конца предусмотрена граненая ступень под ключ.
Шпильки изготавливают из различных категорий сталей с назначением соответствующей термообработки — закалки, нормализации, аустенизации, искусственного старения. В результате получают предел прочности 736..981 МПа и твердость 269..352 HB.
Такие изделия также производят методом горячей высадки с последующей нарезкой резьбовых концов. Шаг резьбы может быть различным для гаечного и ввертного конца. На фланцевых соединениях используют преимущественно сквозное крепление на шпильках — с установкой парных гаек с обоих концов.
Гайки
Гайки для высокопрочного крепежа должны соответствовать параметрам прочности несущего элемента — болта или шпильки.
Зачастую стандарты предусматривают, чтобы механические характеристики гаек были слегка занижены — не более, чем на 2..6% от временного сопротивления разрыву у резьбовых стержней. На практике этого достигают, используя для штамповки крепежа один и тот же материал и назначая идентичные режимы термической обработки.
Геометрия гаек для высокопрочных болтов и шпилек соответствует обычным шестигранным изделиям машиностроения.
На какие ГОСТы обращать внимание при заказе?
В общем случае, если ставят задачу заказать нестандартный крепеж с высокой нагрузочной способностью, в первую очередь обращаются к ГОСТ 22356-77, но сегодня он и все сопутствующие метизы отменены, а аналогичной замены не принято. Приходится пользоваться тем, что есть.
Указанный стандарт устанавливает требования к параметрам качества, механическим характеристикам и программе испытаний готовой продукции по стандартам:
- ГОСТ 22353-77 — высокопрочные болты класса точности «В»;
- ГОСТ 22354-77 — гайки к высокопрочным болтам;
- ГОСТ 22355-77 — шайбы.
Номенклатура выпуска определяет диапазон размеров от М16 до М48, с длиной резьбового стержня от 40 до 300 мм. Временное сопротивление разрыву приходится на пределы от 600 до 1700 МПа и зависит от габаритов и назначенного конструкционного материала.
Для изготовления болтов допустимы легированные марки сталей: 40Х, 30Х3МФ, 30Х2НМФА, 35Х2ФА. Комплекс основных легирующих элементов — хрома, никеля, молибдена, ванадия — призван усилить прочностные характеристики и стойкость против разупрочнения под воздействием температур.
Выпуск гаек возможен с применением марок 35, 35Х и 40. Гайки для железнодорожных мостов северных регионов выполняют исключительно из 40Х.
Подкладные шайбы делают из сталей Ст5, 35 и 40, с закалкой до уровня 35..45 HRC.
Для металлоконструкций и строительства
Общие технические требования для метизов, идущих на сборку различных металлоконструкций строительного и промышленного назначения, описаны ГОСТ Р 52643-2006. Они распространяются на:
- высокопрочные болты — ГОСТ Р 52644-2006 (тоже не действителен с 2018 года, но заменить пока нечем);
- гайки — ГОСТ Р 52645-2006;
- шайбы — ГОСТ Р 52646-2006.
Номенклатура ограничена резьбой от М16 до М48. На поверхность может быть нанесено гальваническое или термодиффузионное покрытие, с толщиной слоя от 25 до 50 мкм.
По указанному стандарту для производства болтов используют марки сталей 40Х, 30Х3МФ, 30ХН2МФА и 20Х2НМТРБ, для гаек — 35, 40, 35Х, 40Х. Допускается применять иные материалы, если в результате изделия успешно проходят весь комплекс испытаний, включая проверку на стойкость к замедленному хрупкому разрушению и образованию трещин.
Предусмотрено 5 классов прочности — от 6.8 до 12.9, с диапазоном временного сопротивления разрыву от 600 до 1519 МПа. Гайки подлежат испытанию напряжением от пробной нагрузки в диапазоне 785..1519 МПа.
Для мостостроения
Для возведения мостов используют специальный крепеж по ГОСТ Р 53664-2009. Под требования норматива попадают цилиндрические и конические высокопрочные болты, а также гайки и шайбы, идущие в комплекте к ним.
Конструкция изделий допускает варианты с шестигранной и полукруглой головкой, а также несколько исполнений с занижением гладкой части и опорным буртом.
Стандарт предусматривает выпуск болтов с размерами резьбы М22, М24 и М27 и номинальной длиной стержня от 60 до 150 мм. Точность исполнения резьбы соответствует полю допуска 6g, для оцинкованных изделий — 8g.
Конические высокопрочные болты имеют посадочную ступень с конусностью 1:50 и ограничены размерами М22 и М24. В обозначении метиза особенность конструкции отражают буквой «К» перед указанием резьбы. Для таких болтов подбирают колпачковые гайки.
Крепеж, идущий на строительство мостов, должен иметь предел прочности 1078..1275 МПа, с поверхностной твердостью 331..388 HB для болтов и 272..353 HB для гаек. Шайбы калят и отпускают до 35..45 HRC.
Отдельно следует упомянуть отраслевой стандарт ОСТ 35-02-72. Он нормирует выпуск стандартных высокопрочных болтов и гаек для железнодорожных, автодорожных и городских мостов. Согласно его требованиям, вся номенклатура продукции делится на два типа:
- для конструкций, возводимых и эксплуатируемых при температурах выше −40°С;
- для конструкций при температурах ниже −40°С.
Указанный ОСТ допускает изготовление болтов с резьбой от М18 до М27, с длиной от 35 до 300 мм. Основным конструкционным материалом закладывают сталь 40Х.
Для трубопровода и оборудования АЭС
Под специфические нужды атомной промышленности производят крепеж по ГОСТ Р 54786-2011. Такие болты, шпильки, гайки и шайбы идут на сборку оборудования первого и второго контуров — соединения реакторов, парогенераторов, теплообменников различного рода, запорно-регулирующей арматуры и насосных систем. С их помощью также стягивают фланцевые стыки трубопровода.
Высокопрочная шпилька В зависимости от условий работы на продукцию назначают 7 групп качества: 0, 0а, 1, 2, 2а, 3 и 3а. Группа качества определяет комплекс испытаний и объем контрольной выборки в партии. Так для группы 0 ультразвуковой дефектоскопии подлежат 100% изделий, а для группы 3а — всего 2% (но не менее 2 шт.). Замеры твердости обязательны для всех изделий.
В производстве крепежа для атомных станций используют как привычные и универсальные марки сталей, так и узкоспециализированные — 31Х19Н9МВБТ, 10Х11Н20Т3Р, 20Х1М1Ф1Б, хромоникелевые жаропрочные сплавы ХН35ВТ и ХН35ВТ-ВД. Для защиты от коррозии и придания особых поверхностных свойств назначают гальванические и термодиффузионные покрытия.
Соответственно выбранному материалу и термической обработке, различают 12 категорий прочности — от КП275 (КП28) до КП885 (КП90). В первом случае величина временного сопротивления разрыву на болтах составит 530 МПа. Для наивысшей категории этот параметр достигает уровня 981 МПа.