Високоміцне кріплення: різновиди, конструкційні особливості, сфера використання, переваги

Багато типів конструкцій і устаткування в процесі експлуатації зазнають серйозних навантаженнь. Якщо з'єднання елементів або деталей недостатньо міцне, під впливом навантажень поступово починається процес руйнування. Щоб продовжити експлуатаційний термін високонавантажених конструкцій, для з'єднання їх елементів використовують кріплення підвищеної міцності.

Завдяки високоміцному кріпленню можна отримати нарізні сполучення, міцність і довговічність яких не поступається заклепувальному або звареному. Тому такі металовироби затребувані в більшості промислових галузей, в першу чергу в машинобудуванні і верстатобудуванні. Не обійтися без високоміцного кріплення в будівництві, при проведенні монтажних робіт, зведенні мостів, а також при виробництві дорожньої техніки.

Високу міцність можуть мати болти, гвинти, гайки і шпильки. Для їх виготовлення використовуються стали з низьким вмістом вуглецю, а обов'язковим виробничим процесом є гарт. Зі статті ви дізнаєтесь про особливості різних видів високоміцного кріплення, а також переваги його використання.

Високоміцним кріпленням прийнято називати металеві кріпильні вироби, які мають певні характеристики. Показник тимчасового опору (межа міцності на розтяг) у таких металовиробів повинен дорівнювати або перевищувати 800 ПМа. Відповідно, до даної категорії можна віднести болти, шпильки і гвинти з класом міцності від 8.8 і гайки з класом міцності 8 і вище. Такий стандарт прийнятий в більшості європейських країн. Але в Росії, згідно з ГОСТ, до високоміцних прийнято відносити болти починаючи з класу міцності 6.8.

Клас міцності кріпильних виробів залежить від механічних властивостей сталі, з якої вони виготовлені, а також від технології виробництва. У кріплення з вуглецевої і нержавіючої сталі позначення класів міцності різні.

Позначення класу міцності має бути присутнім в маркуванні кожного високоміцного виробу. Маркування наносять на верхню частину головки болтів і гвинтів. У гайок вона розташовується по борту.

Клас міцності болтів і гвинтів з вуглецевої сталі позначається двома цифрами, між якими стоїть крапка. У цьому позначенні зашифрована інформація про важливі фізичні характеристики виробів – межі міцності на розтягнення і плинності. Використовуючи нескладні формули, можна розрахувати ці показники.

Розрахунок межі міцності дозволить дізнатися, яке максимальне навантаження зможе витримати кріпильний виріб у процесі експлуатації. Для прикладу ми візьмемо болт класу 12.9. Перша цифра позначення – це сота частина межі міцності. Відповідно:

12 х 100 = 1200 МПа.

Розрахувавши межу міцності металовиробу, можна легко обчислити і його межу плинності. Для цього ми використовуємо другу цифру класу міцності, яка позначає десяту частину співвідношення меж міцності і плинності. Тобто, для болта класу 12.9 межа плинності дорівнює 90% межи міцності, тобто:

1200 х 0,9 = 1080 МПа.

Перевищення межі текучості, тобто, максимального рівня напруги, неминуче призводить до деформації кріпильного виробу. Тому перед покупкою високоміцного кріплення обов'язково проводиться розрахунок навантажень, які будуть впливати на нього в період експлуатації. Розрахункові межі плинності і міцності збільшують, створюючи дво-, а то і триразовий резерв.

Розшифрувати клас міцності гайок ще простіше. Він позначається всього однією цифрою. Це число – сота частина межі міцності болта, з яким гайку можна використовувати для створення нарізного сполучення. Відповідно, для болта 12.9, межа міцності якого 1200 МПа, підійде гайка класу міцності 12.9.

У кріплення з нержавіючої сталі також є класи міцності. Маркування металовиробів містить найменування марки сталі – А2 і А4, а також цифри – 50, 70 або 80. Число означає десяту частину мінімального переділу міцності. Стандартною межею вважається значення 70 і саме воно приймається в розрахунок, якщо в маркуванні не зазначено інша цифра.

У високоміцних болтів показник опору підвищений і не може бути менше 800 МПа. Тому для виробництва металовиробів використовуються якісні вуглецеві і леговані стали, а готові вироби обов'язково гартуються. При виробництві високоміцних болтів використовують технології холодної та гарячої висадки. Для накатки різьби потрібні спеціальні верстати-автомати. Підвищити міцність виробів дозволяє термообробка в електричних печах. Крім того, ця процедура захищає болти від старіння.

 Незважаючи на підвищену міцність, болти потребують захисту від корозії, якщо експлуатуються в умовах високої вологості. Найчастіше на поверхню металовиробів наноситися цинкове покриття. Оцинкування кріплення проводиться кількома методами:

• гальванічний – електрохімічне осадження цинку в розчині електроліту;
• гарячий – кріплення занурюється у ванну з розплавленим цинком;
• дифузний – обробка металевих виробів в порошку або в парах цинку при високій температурі;
• газодинамічний – цинк наноситься на поверхню виробів надзвуковим потоком.

До високоміцних відносяться болти з класом міцності 8.8, 10.9, 12.9. Кріплення виготовляється відповідно до державних і міжнародних стандартів:

• ГОСТ Р 52644-2006;
• ГОСТ 7805-70;
• ГОСТ 7798-70;
• ГОСТ 10602-94;
• ГОСТ 22353-77;
• ГОСТ 7808;
• ГОСТ 7796;
• ГОСТ 7795;
• DIN 931;
• DIN 933;
• DIN 960;
• DIN 961;
• DIN 603;
• DIN 608;
• DIN 609;
• DIN 610;
• DIN 15237.
• DIN 6914;
• DIN 6921.

У нормативах містяться вимоги до якості болтів, їх фізичних характеристик і розмірів, а також до матеріалів для виготовлення.

Як вже було сказано, клас міцності болтів залежить від марки сталі, з якої вони виготовлені. Для виробництва високоміцних металевих виробів використовують такі марки:

Ст 35, 20Г2Р, 40Х – клас 8.8;

20Г2Р, 40Х, 30Х3МФ – класи 10.9, 12.9.

Найпопулярніший матеріал для виробництва високоміцних болтів – легована конструкційна сталь марки 40Х. Вона відрізняється не тільки підвищеною міцністю, але і твердістю (до 217 МПа). Сплав малосприйнятливий до впливу руйнуючих факторів навколишнього середовища, має стійкість до низьких температур і їх різких перепадів. У складі стали міститься близько 0,4% вуглецю і менше 1,5% хрому.

У порівнянні з цвяхами стандартних класів міцності, високоміцні болти здатні витримувати подвоєні, а то і потрійні навантаження. Кріпильні вироби доцільно використовувати в конструкціях, які потребують періодичного розбирання.

Гайка високоміцна – металовиріб з різьбою в центрі, який використовується тільки в парі з іншими кріпильними виробами, наприклад, болтами. Для виробництва кріплення використовують два методи – нарізку і штампування. Друга технологія простіше в реалізації, тому штамповані гайки обходяться дешевше.

Методом штампування гайки виробляються з сталевої заготовки, яка протягом 30 годин нагрівається в печі. Розм'якшена заготовка поміщається в сірчану кислоту, після чого промивається водою і покривається фосфатом. Це дозволяє захистити матеріал від корозії. З сталевого бруска нарізають дрібні заготовки і розігрівають їх до 1200 градусів. За допомогою гідравлічного молота штампуються шестикутники, після чого в них штампом пробивається отвір. У сформованому отворі за допомогою спеціального верстата нарізається різьба. Потім гайки на одну годину поміщають в піч і витримують при температурі 870 градусів, щоб вироби придбали необхідну міцність. Для гарту металовироби швидко охолоджують і занурюють в масло на п'ять хвилин. Щоб усунути крихкість, але зберегти при цьому міцність, кріпильні вироби ще раз нагрівають протягом години.

Як матеріал для виробництва високоміцних гайок використовується переважно сталь марки 40Х або 40Х «селект». Їх клас міцності не може бути нижче 8. На готовий виріб може наноситися цинкове покриття, що захищає від корозії.

Високоміцні гайки випускаються відповідно до такими стандартів:

• ГОСТ Р 52645-2006;
• ГОСТ Р 52628-2006;
• ГОСТ 22354-77;
• ГОСТ 5915-70;
• ГОСТ 9064-75;
• ГОСТ 5918-73;
• ГОСТ 5919-73;
• ГОСТ 1759.5-87;
• ГОСТ 15523-70;
• ГОСТ 8918-69;
• ГОСТ 5927-70;
• DIN 934;
• DIN 935;
• DIN 937;
• DIN 985;
• DIN 986;
• DIN 6923;
• DIN 980;
• DIN 985;
• DIN 6915;
• DIN 6330;
• DIN 6331;
• DIN 6923;
• DIN 74361;
• ISO 4032.

До високоміцних відносяться гайки з класами міцності 8, 10 і 12. Виробники повинні маркувати кріпильні вироби, вказуючи в маркуванні таку інформацію:

• параметри;
• розмір під ключ;
• клас міцності;
• ідентифікацію виробника.

Маркування може розташовуватися на верхній або нижній частині металовиробу, бути опуклою або втиснутою.

Підбираючи гайки до болтів, потрібно орієнтуватися на клас міцності металовиробів. Як ми згадували вище, клас міцності гайки вказує на значення межі міцності болта, з яким вона може використовуватися для створення з'єднання. Наприклад, гайка з класом 8 підійде для болтів класу міцності 8.8.

Високоміцні гвинти – кріпильні вироби, що використовуються для створення розбірного з'єднання деталей високонавантажених конструкцій. Одна з цих деталей може мати внутрішню різьбу. Металовиріб виконаний у вигляді стрижня з різьбленням, на одному кінці якого знаходиться елемент для передачі крутного моменту. Залежно від конструкції кріплення це може бути головка або шліци різної форми. Гвинти використовуються не тільки для створення нарізного сполучення, а й можуть служити осями для обертових деталей.

За призначенням високоміцні гвинти прийнято ділити на дві групи:

• кріпильні;
• установчі.

За допомогою кріпильних гвинтів створюються різьбові з'єднання. Це найпоширеніший тип даної категорії металовиробів. Елементом для передачі крутного моменту у них служить головка, яка може мати шестигранну, круглу або квадратну голівку. Гвинти закручуються за допомогою викруток або спеціальних шестигранних ключів, тому в голівці обов'язково є шліц. Види шліців, які використовуються в гвинтах, перераховані в таблиці.

Основний критерій класифікації кріпильних гвинтів – форма головки. Вона може бути:

• опукла;
• кругла;
• плоска;
• потайна;
• напівпотайна;
• грибовидна.

За допомогою настановних гвинтів фіксують взаємне розташування деталей. Хорошу фіксацію забезпечують спеціальні поглиблення або виступи на кінцях металовиробів.

До категорії високоміцних відносяться гвинти класів міцності 8.8, 10.9, 12.9. Кріпильні вироби виготовляються відповідно до таких стандартів:

• DIN 7991;
• DIN 912;
• DIN 914;
• ISO 7380;
• ISO 7380 TORX;
• ISO 7379;
• ISO 14579.

Гвинти високої міцності здатні витримувати підвищені навантаження, не деформуючись і не ламаючись. Для виробництва металовиробів використовують стали марок 40Х, Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, Ст.40ХНМА.

Високоміцна шпилька – металовиріб у вигляді металевого стержня, який може бути покритий різьбленням повністю або мати різні або рівні за довжиною різьбові частини і гладку ділянку в центрі. Різьбові з'єднання, створені за допомогою шпильок, легко розібрати в разі потреби.

До високоміцних відносяться шпильки, що мають клас міцності 8.8, 10.9, 12.9. Для виробництва металовиробів використовують конструкційні та леговані стали марок ст.35; ст.45; ст.35Х; ст.38ХА; ст.20Г2Р. Високоміцні вироби розраховані на високі навантаження, здатні витримати інтенсивний вплив на злам.

Шпильки високої міцності проводяться за такими стандартами:

• DIN 975;
• DIN 976;
• DIN 938;
• DIN 939;
• DIN 835;
• ГОСТ 22032-76;
• ГОСТ 22034-76;
• ГОСТ 22038-76.

Завдяки матеріалам високої якості і технології виробництва, яка передбачає обов'язкове загартування, металовироби здатні витримувати постійні високі навантаження, в тому числі і вібраційні.

Найвищий попит на високоміцні шпильки в будівництві. За допомогою кріпильних виробів з'єднують елементи металевих і дерев'яних конструкцій, з'єднують бруси, кріплять лаги. Монтаж повітроводів і трубопроводів також неможливий без використання шпильок високої міцності. Для створення з'єднань необхідні гайки і шайби відповідного діаметру.

Шайба – допоміжний кріпильний елемент, який дозволяє збільшувати опорну поверхню інших металовиробів, з якими використовується в парі. Завдяки шайб поверхню деталей, що з'єднуються не пошкоджується, а зусилля затяжки кріплення можна збільшити.

Шайби не класифікуються за класами міцності. До них пред'являються вимоги по твердості. Цей параметр іноді називають класом міцності, що є помилкою. Для вимірювання твердості металовиробів використовують три шкали: по Віккерсу, Роквеллу і Бринелю. Твердість – основна механічна властивість шайб.

Для створення різьбових з'єднань найчастіше використовують шайби, виготовлені за такими стандартами:

• ГОСТ-Р 52646-2006;
• ГОСТ 22355-77;
• ГОСТ 24379.1-80;
• DIN 6916;
• DIN 7349;
• ISO 7416;
• EN 14399-6.

Металовироби виробляються з конструкційних і легованих сталей, обов'язково піддаються загартуванню та відпуску.

Одне з найважливіших переваг високоміцного кріплення – оптимізація металоємності готової конструкції. При цьому міцність і стійкість її різьбових з'єднань підвищується. Металовироби високої міцності розраховані на підвищені навантаження, тому розрахунковий діаметр болта, гвинта або шпильки можна зменшити. Орієнтуватися при цьому потрібно на навантажувальну здатність кріпильного виробу.

Зменшення діаметра болтів, гвинтів або шпильок – можливість заощадити на їх придбанні. Наприклад, шестигранний болт М20 класу міцності 4,8 можна замінити болтом М12 з класом міцності 12.9, так як у цих металовиробів однакова руйнівне навантаження – 103 kH. Металовироби меншого діаметра коштують дешевше. Крім того, вони важать значно менше – 76,44 кг (1000 шт.) проти 240,7 кг для М20. Відповідно, металоємність і вага готової конструкції також зменшуються.

Кріпильні вироби високої міцності відрізняються тривалим терміном служби і стійкістю до вібрації. Металовироби можна використовувати в регіонах з екстремально холодним кліматом. При необхідності проведення ревізії з'єднання можна розібрати, а потім зібрати, використовуючи те саме кріплення.

Всі види високоміцного кріплення, описані в цій статті, представлені на сайті компанії «Крепсила». У нас ви можете купити болти, гвинти, шпильки і гайки підвищеної міцності, а також шайби для створення високоміцних з'єднань. Ціни на нашу продукцію нижчі за середньоринкові, а оптовикам пропонуються знижки. Гарантія на металовироби діє протягом трьох років.