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.

Для изготовления высокопрочного крепежа закладывают серьезные конструкционные стали — преимущественно легированные, с обязательной термической обработкой для снятия избыточных напряжений после штамповки и последующего упрочнения структуры.

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.

Применение

Активное развитие вопроса высокопрочного крепежа пришлось на середину XX века. Именно в этот период инженеры ФРГ, Великобритании и США стали массово использовать болтовые соединения взамен заклепочных при сборке металлоконструкций.

Переход на высокопрочные болты в промышленном и гражданском строительстве после 60х годов стал уже массовым. С помощью такого решения возводили мосты, защитные и опорные сооружения, укрепления горных разработок, высотные и заводские здания, в том числе — комплекс атомного центра в Огайо.

Стяжку на болтах применяют для изделий, испытывающих постоянные динамические и сдвиговые нагрузки. Из наиболее показательных частных случаев — железнодорожные мосты и тяжелое крановое оборудование.

В конструкцию опоры портального крана грузоподъемностью 30 тонн входит свыше 6 000 высокопрочных болтов.

Основные преимущества перед заклепками:

• выше нагрузочная способность — 22 закаленных болта М22 из легированной стали успешно заменили 32 заклепки диаметром 23 мм из стали Ст2;
• после затяжки отсутствуют щели между стыками стянутых поверхностей;
• суммарное снижение веса конструкции (вплоть до 25%);
• процесс сборки быстрее в 2..3 раза;
• нет необходимости в дополнительном оборудовании для нагрева соединений (при горячей клепке);
• для монтажа не нужны высококвалифицированные рабочие;
• переход на разъемные соединения упростил изготовление, сборку, обслуживание и ремонт конструкций в целом.

Существенным недостатком болтов оставались лишь жесткие требования к качеству продукции: в случае, если термическая обработка изделий была некачественной или нужный уровень прочности не был достигнут, при затяжке наблюдали мгновенный срез резьбы и возникновение трещин.

На надежность соединения болтами оказывают непосредственное влияние силы трения, возникающие в зоне соприкосновения головки болта или торца гайки с шайбой или поверхностью металлоконструкции. Чтобы искусственно повысить коэффициент трения контакта, строители-монтажники используют пескоструйную и огневую зачистку.

Следует отметить, что при правильном выборе величины затяжки болты демонстрируют увеличенную стойкость против вибрационных нагрузок по сравнению с классическими заклёпками — в 1,8..2 раза. В этом случае определяющую роль играют как раз таки силы трения.

Предварительное натяжение болтов может изменяться, если конструкция испытывает значительный перепад температур. Так для стальных узлов работа в диапазоне от −40 до +40°С может повлечь за собой уменьшение затяжки на 4%, а для алюминиевых — вплоть до 14%.

Кроме строительной сферы преимущества высокопрочного крепежа нашли применение при сборке тяжелонагруженного ответственного оборудования атомных электростанций. Там предпочтение отдают в большей мере шпилечным соединениям. Они лучше проявляют себя при работе на фланцах под влиянием повышенных температур.

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.

Для условий сборки тяжелых строительных конструкций допустимо применение увеличенного размера под ключ — в основном, чтобы за счет увеличения площади опорного торца оперировать силами трения при затяжке.

Материалы

Условно все стали, которые используют для получения резьбовых деталей повышенной прочности, можно разделить на несколько групп:

Отдельно назначают покрытие наружных поверхностей защитными слоями при помощи гальваники и термодиффузионных процессов. Сюда относят:

• цинкование;
• никелирование;
• кадмирование (особенно актуально для морских сооружений и судостроения).

Так высокопрочный крепеж, предназначенный для сборки алюминиевых конструкций, должен быть исключительно оцинкованным или кадмированным. В противном случае длительный силовой контакт между алюминием и сталью приведет к развитию электрохимической коррозии.

Программа испытаний

Вся специфика высокопрочного крепежа базируется на улучшенных механических свойствах, полученных за счет подбора материалов и термической обработки.

Чтобы проверить полученные характеристики болтов и шпилек, назначают программу обязательных испытаний:

1. Определение твердости. Выполняют методом Бринелля или Виккерса (второй становится решающим в спорных вопросах). Замеряют по гладкой части резьбового стержня, головке болта, на торцах.
2. Разрыв на косой шайбе и разрыв целых изделий. Разрушение металла должно произойти по стержню, без среза резьбы и отрыва около головки.
3. Растяжение образцов, выточенных из болта или шпильки.
4. Ударный изгиб выточенных образцов.
5. Определение коэффициента закручивания.

Для гаек после замера твердости по торцам назначают только испытания пробной нагрузкой, эквивалентные растяжению и разрыву болтов.

Коэффициент закручивания — это расчетная зависимость между крутящим моментом затяжки, нормальным усилием натяжения и диаметром крепежа. Для высокопрочного крепежа без покрытия диапазон допустимых значений составляет 0,14..0,20, с покрытием любого рода — 0,10..0,20.

В процессе проверки болт или шпильку жестко фиксируют, а крутящий момент прикладывают к гайке. Предварительно детали соединения тщательно очищают в растворе щелочей, промывают, просушивают и наносят специальную смазку. По результатам испытаний сверяют фактический коэффициент закручивания с допустимыми значениями. При затяжке и выкрутке не должно быть заедания резьбы, деформирования или среза витков.

Высокопрочные шпильки, предназначенные для оборудования сферы атомной энергетики, подвергают:

• ультразвуковой дефектоскопии;
• определению критической температуры хрупкости;
• магнитопорошковому контролю поверхностных и скрытых дефектов (трещин, пор, раковин и иных несплошностей).

В отдельных случаях назначают дополнительные операции:

• определение степени обезуглероживания/науглероживания поверхностного слоя;
• выполнение микрошлифов с последующим травлением для оценки микроструктуры металла на соответствие эталону. Структура мартенсит для закаленных болтов нежелательна ввиду излишней перенапряженности стали.

Всесторонняя проверка механических характеристик позволяет исключить риск попадания в работу изделий с недостаточным уровнем надежности.

Низкое качество изготовления болтов и шпилек проявляется уже на стадии монтажа: выдержать натяжение вплоть до 20 тонн сможет только высокопрочный крепеж.

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.

На производство назначают легированные среднеуглеродистые стали 30Х3МФ и 40Х «селект». Вторая марка отличается от обычной 40Х ужесточенным содержанием углерода и кремния. Микроструктура материала после термической обработки допускает лишь сочетание троостита и сорбита, мартенсит должен быть исключен.

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.

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.