Особенности монтажа крепежных соединений из нержавеющей стали

Вопреки названию, ржавеет даже нержавейка. Более правильный термин — «коррозионностойкая сталь», и он куда лучше отражает способность этих сплавов противостоять разрушительному воздействию агрессивных сред, будь то жидкость или газ. Но даже их сопротивление имеет собственный конечный ресурс, пускай и в несколько раз больший, чем у обычных сталей.

Крепежные элементы из таких материалов можно встретить в конструкции специальных промышленных машин, чьи узлы находятся под постоянной угрозой окисления. Использование простых метизов приведет к их ускоренному разрушению, поскольку именно они станут концентраторами развития коррозии, даже если все остальные части сборки будут максимально защищены.

Крепеж из нержавеющей стали — это нестандартная продукция особого назначения. Их сложнее найти в открытой продаже, многие метизные заводы занимаются их выпуском лишь по спецзаказу. Технология их производства сложнее, а нюансов применения — чуть больше. Но в ряде случаев такие компоненты попросту незаменимы.

Что нужно знать о крепеже из нержавейки

Нержавеющей называют сталь с увеличенным содержанием определенных легирующих компонентов. В первую очередь это хром, чья доля должна быть строго больше 10%, и никель. Некоторую альтернативу второму элементу составляет марганец, который представляет собой более «дешевую» версию никеля в нержавейке. Суммарную коррозионную стойкость закрепляет присутствие в химсоставе еще и меди.

Отдельную категорию коррозионностойких сплавов составляют жаропрочные марки. Они способны сохранять свою прочность под длительным воздействием нагрева свыше +550°С.

Предел прочности обычных сталей в таких условиях снижается до 42-48% от исходных значений (присущих при температуре +20°С), а у жаропрочной нержавейки этот показатель достигает 58-67%.

Подобные свойства материал приобретает вместе с легированием титаном и молибденом, но основу всё-таки составляет хром.

Крепеж из нержавеющей стали востребован в узлах промышленных машин и механизмов, работающих в контакте со средами разной агрессивности. Определенные марки способны противостоять не только общей коррозии, но также межкристаллитной, питтинговой и щелевой. Первые признаки разрушения проявляют себя лишь при сотнях часов работы в концентрированных кислотах.

Нержавеющие высоколегированные сплавы также успешно выдерживают прямой нагрев и экстремальное охлаждение. Они подходят для эксплуатации в диапазоне температур от −200 до +800°С. На хромоникелевой нержавейке лишь при превышении порога в +700°С появляются первые цвета побежалости (темно-синий и фиолетовый оттенки), тогда как на поверхности обычной стали в этот момент уже обгорает окалина.

Какие метизы из нержавейки изготавливают:

• болты;
• винты;
• шпильки;
• гайки;
• штифты;
• гужоны;
• шайбы (плоские, косые, пружинные);
• шплинты.

При сборке строительных металлических конструкций нержавеющий крепеж не применяют. Это зафиксировано в соответствующих инструкциях и связано с тем, что такие стали несколько уступают закаленным среднеуглеродистым в набранной фактической прочности и соответственно — в несущей способности. Поэтому болты из коррозионностойких сплавов на металлоконструкциях можно встретить разве что при креплении технологических емкостей и резервуаров, а также элементов трубопровода.

Механические свойства крепежа из нержавейки регламентированы международным стандартом — ГОСТ ISO 3506-1-2014. Этот документ ограничивает область своего действия метизами с метрической резьбой, диаметром не более М39.

Маркировка класса прочности на таких изделиях существенно отличается от продукции общего назначения. Если ГОСТ 1759.4 для болтов устанавливает обозначения по типу «5.6» или «12.8», то метизы из нержавейки уже будут обозначены либо прямой ссылкой на тип стали («А1», «С3» или «F1») или же двузначным числом (к примеру, «22» или «26»).

При проектном расчете и подборе нержавеющего крепежа руководствуются несколько иными зависимостями, чем при общем расчете. Так допустимые предельные нагрузки для болтов из углеродистых сталей рассчитывают как 65-75% от предела прочности материала. В отношении продукции из высоколегированных сплавов уже будет 0,35-0,55%, это значит, что для восприятия одних и тех же эксплуатационных нагрузок при изготовлении метизов из нержавейки диаметр резьбы придется увеличить.

Контроль метрического крепежа из высоколегированных сталей подразумевает:

• испытания предела прочности на разрыв с замером относительного удлинения после разрушения образца (с учетом, где именно это произошло — на гладкой или резьбовой части);
• определение твердости поверхностей;
• определение разрушающего крутящего момента (предельного момента затяжки);
• испытания на разрыв на косой шайбе;
• испытания скорости распространения межкристаллитной коррозии.

В ряде случаев все этапы, связанные с проверкой прочностных характеристик, проводят с предварительным нагревом или охлаждением — чтобы оценить, в том числе, термическую стойкость и снижение сопротивления металла при изменении температур.

Используемые марки нержавеющей стали

Общий спектр всех коррозионностойких сплавов делят на три большие категории по типу структуры:

• аустенитные — с повышенным содержанием легирующих компонентов и низкой долей углерода;
• мартенситные — хорошо воспринимающие закалку и демонстрирующие высокую прочность после нее;
• ферритные — успешно деформируемые в холодном состоянии, но обладающие самыми низкими показателями прочности.

По химическому составу нержавеющая сталь делится на марки:

• хромистые;
• хромоникелевые;
• хромомарганцевые;
• хромомарганцевоникелевые;
• хромоникельмолибденовые.

Основные данные по всем коррозионностойким высоколегированным сплавам промышленного применения опубликованы в ГОСТ 5632-2014. В документе также представлены рекомендации по области применения тех или иных марок.

Для производства болтов, винтов, резьбовых шпилек и гаек используют преимущественно такие стали, как:

• 06ХН28МДТ;
• 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т;
• 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т;
• 08Х21Н6М2Т;
• 12Х13;
• 20Х13;
• 14Х17Н2;
• 10Х11Н23Т3МР;
• 12Х11Н2В2МФ;
• 07Х16Н6.

Предел прочности указанных сплавов приходится на диапазон от 450 до 1100 МПа. Твердость изменяется от 147-209 НВ для наиболее мягких сталей и до 36-45 HRC для закаленной мартенситной нержавейки.

Показательной характеристикой будет степень относительного удлинения при разрыве (деформация перед разрушением). К примеру, для среднеуглеродистой конструкционной стали 45 этот параметр составит 14-15%. Для хромистой марки 12Х17 это уже 17-20%, а для хромоникелевой с добавлением титана 12Х18Н10Т — 35-40%.

При подборе определенной стали для изготовления целевой партии метизов ориентируются на собственные уникальные свойства материалов.

Так упомянутая выше 12Х18Н10Т в первую очередь отличается стойкостью в широком диапазоне температур, вплоть до −196°, из-за чего ее часто называют криогенной. Нержавейка 06ХН28МДТ способна противостоять действию серной кислоты, подогретой до +80°С, а 10Х11Н23Т3МР сохраняет приобретенную после закалки твердость даже при нагреве до +700°С.

В тексте ГОСТ ISO 3506-1-2014 не указывают конкретные марки, ограничиваясь условной кодировкой и расшифровкой химического состава. Это будут стали:

• аустенитные — A1, A2, A3, A4 и A5;
• мартенситные — C1, C3 и C4;
• ферритная — F1.

Во всех случаях содержание углерода в марке не выходит за рамки 0,08-0,25%, а ключевыми легирующими компонентами выступают хром (11,5-19%), никель (1-19%) и марганец (1-6,5%). Удельные доли молибдена и меди не превышают 4%.

Основные отличия крепежа из нержавейки от метизов с защитными покрытиями

Рынок метизов сегодня ориентирован на выпуск продукции, надежно защищенной от коррозии. Болты и винты в «чистом» виде используют при сборке промышленной техники, где доступ влаги минимален, тогда как строительный и мебельный крепеж выпускают почти исключительно со специальными покрытиями.

Для их осаждения используют специальную технологию на основе гальваники. Такой способ позволяет получать сплошные и непроницаемые поверхностные слои высокой химической чистоты, в том числе на изделиях сложной формы и на витках резьбы.

Чтобы предотвратить развитие коррозии, стальной крепеж подвергают:

• оцинкованию;
• никелированию;
• кадмированию;
• хромированию;
• меднению;
• оловянированию;
• нанесению многослойных функциональных покрытий (например, медь-олово-никель).

Осажденный на поверхности слой изолирует металл изделия от контакта с окружающей средой, чем и препятствует его окислению. Но в процессе эксплуатации покрытие постепенно «съедается» коррозией или истирается за счет фрикционного контакта. Особенно ярко это проявляется при частом закручивании и раскручивании крепежа. Как только из-под покрытия обнажается основа — она становится доступна для коррозии.

В свою очередь стойкость продукции, выполненной из нержавеющих сталей, остается постоянной на весь период эксплуатации. Износ никак не сказывается на способности сплава сопротивляться действию агрессивных сред. Лишь при повышенном нагреве и частой смене термических режимов возможно постепенное снижение предела прочности, достигнутого в результате закалки. Это проявляется вследствие повторного отпуска.

Также следует учесть, что для нанесения гальванических покрытий на витки резьбы ее геометрические размеры незначительно занижают. Толщина цинкового или никелевого слоя составит всего пару-тройку сотых долей миллиметра, но даже этого будет достаточно, чтобы сделать затяжку более сложной, поскольку «лишний» металл на поверхности витков уменьшает зазор в резьбовом соединении. Поэтому метизы с защитным покрытием либо сложнее закручиваются в гнездо, либо изначально немного ослаблены по сечению металла. Как правило, второй упомянутый недостаток нивелируют заложенным запасом прочности.

Гальваническое осаждение покрытий — весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс, требующий тщательной подготовки и подбора оптимальных режимов.

Заготовки подвергают многоступенчатой очистке и сушке, а состав электролитов для гальванических ванн строго контролируют. При непрофессиональном подходе можно получить пористое покрытие, которое легко отслаивается с поверхности и не может выполнять свою функцию. Позволить себе содержание гальванического производства могут только крупные предприятия. На этом фоне единичный и мелкосерийный выпуск крепежа из нержавейки экономически обоснован, если стоит задача обеспечить коррозионную стойкость.

Назначение и области применения

Метизную продукцию из высоколегированных сталей используют:

• в химической отрасли — для узлов и трубопроводов, контактирующих с уксусной, лимонной, серной, азотной и фосфорной кислотами, растворами щелочей и солей различной концентрации;
• в пищепроме — для установок и машин, непосредственно контактирующих с продуктами питания и питьем, а также реагентами и сырьем для их изготовления, где необходимо обеспечить полную химическую инертность металла (в том числе стяжка фланцев на трубах из нержавеющей стали);
• в энергетике — для устройств и систем, работающих под нагревом свыше +500°С, в условиях повышенных силовых и вибрационных нагрузок, для сборки паровых, газовых и водяных турбин;
• в производстве космических аппаратов и криогенного оборудования — чтобы обеспечить стабильную работу в условиях экстремально низких температур и системного охрупчивания стали;
• в производстве печного оборудования и камер сгорания — там, где функциональные узлы постоянно сталкиваются с прямым нагревом, воздействием открытого пламени и окисляющим действием продуктов сгорания топлива (яркий пример — соединение дымоходов из нержавейки);
• при сборке котельного оборудования — чтобы обеспечить прочность стяжки узлов трубопроводов, испытывающих постоянные термические нагрузки;
• в нефтеперерабатывающей отрасли — для машин и сетей, контактирующих со слабоагрессивными средами и повышенными температурами (крекинг-процессы);
• в судостроении — там, где даже открытый «солёный» воздух способствует интенсивному развитию коррозии на металле;
• в производстве насосной техники и аппаратов мойки — поскольку эксплуатация подразумевает нахождение под водой или частый контакт с ней;
• для реализации декоративной функции — например, для монтажа элементов ограждений и полированных перил на крыльце, переходном мостике или лестнице, поручней в общественном транспорте.

В общем случае резьбовые соединения из нержавейки вы встретите там, где угроза коррозии несет куда большие риски, чем некоторое снижение прочностных характеристик. Со всем остальным справятся метизы из обычных сталей, вороненые или оцинкованные.

Моменты затяжки и нагрузка для крепежа из нержавеющей стали

Прочность болтов и винтов из нержавейки закономерно несколько ниже, если сравнивать их с продукцией из среднеуглеродистых и легированных сталей, особенно — после закалки (классы 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9 по ГОСТ 1759.4). Соответственно и момент предварительной затяжки закономерно снижается, чтобы крепеж не начинал свою работу в чрезмерно напряженном состоянии.

Отразим в таблице ниже зависимость между размером резьбы, а также начальной и рабочей нагрузками. Приведенные данные следует считать ориентировочными: они нуждаются в коррекции в соответствии с выбором конкретной марки нержавейки и назначением термообработки. Установленные значения полностью актуальны лишь для метизов класса А1 по ГОСТ ISO 3506-1-2014.

Размер резьбы на крепеже, мм	Максимальный момент затяжки, Нм	Рабочая нагрузка
		Н	кгс
М4	1,5	1068	109
М6	4,8	2404	245
М8	11,9	4273	436
М10	24	6676	681
М12	41	9614	980
М14	66	13086	1334
М16	102	17092	1743
М20	205	26706	2723
М24	338	38456	3921
М27	503	48671	4963
М36	929	86526	8823

Точный расчет допустимой рабочей нагрузки на растяжение болта можно выполнить по формуле:

Здесь d1 — диаметр витков резьбы по впадинам (выбираете по таблице, зная номинальный размер резьбы), [Gp] — допустимые напряжения, равные 50% от предела текучести (выбираете по таблицам классов прочности).

Особенности метизов из нержавейки

Приступая к объективной оценке крепежных изделий из нержавеющей стали, нужно в первую очередь держать в уме характерные физико-механические особенности такого рода сплавов.

За счет увеличенных долей хрома и никеля нержавейка обладает повышенной вязкостью. Ее тяжелей обрабатывать лезвийным и абразивным инструментом, если сравнивать с конструкционными сталями. Вязкость прямо влияет на изменение такого параметра, как относительное удлинение при разрыве.

Это значит, что если закаленные стали при достижении предельной нагрузки растяжением достаточно быстро «лопаются», то образцы из нержавейки «тянутся» на куда большую длину, прежде чем металл разрушится. Такая черта сказывается на работе болтов и шпилек, которые в основном работают с приложением осевой силы.

Чем крепеж из нержавейки отличается от стальных метизов в изготовлении:

• нужен более износостойкий режущий и формующий инструмент, поскольку простой будет быстро изнашиваться;
• нужны иные режимы резания и штамповки, с меньшей скоростью обработки;
• немагнитные свойства исключают возможность применения оборудования с закреплением на основе магнитных сил (к примеру, плоскошлифовальные станки с магнитным столом);
• нужны иные режимы термической обработки (более высокие температуры нагрева при закалке, масло вместо воды в качестве охлаждающей среды).

Но если технологические нюансы изготовления интересны сугубо заводу-производителю, то с эксплуатационными особенностями крепежа из нержавеющей стали может столкнуться любой.

Что нужно отметить:

1. Ключевая черта — повышенная коррозионная стойкость. Скрупулезно подойдя к выбору конкретной марки нержавейки, можно не просто исключить риск появления ржавчины на поверхности болтов при контакте с водой, но и снизить степень разрушения металла, работающего в куда более агрессивных средах. Например, в коксохимической и химической отраслях на некоторой технике попросту невозможно ставить обычные метизы — они рассыпаются от коррозии буквально за пару недель. Решить такую проблему может только применение нержавейки, причем с особым химическим составом и термообработкой.
2. Поскольку высоколегированная сталь не реагирует на контакт с влагой появлением ржавчины, то и степень «прикипания» и заклинивания резьбовых стержней внутри гнезд, куда попала вода или конденсат, будет существенно меньшей. Нержавеющие метизы всё равно покрывают смазкой перед монтажом, но даже спустя долгий срок эксплуатации они легко вынимаются из отверстия — ведь в зоне контакта витков образуется меньше продуктов коррозии. Если же детали узла, который стянут этим крепежом, и сами будут из нержавейки, то ржавчину вы не увидите вовсе.
3. Марки с высоким содержанием хрома и никеля обладают серьезным термическим порогом. Эффект изменения цвета поверхности на таких сплавах достижим лишь при пересечении отметки в +700°С. Это значит, что по состоянию крепежа можно в том числе сделать заключение об условиях работы всего узла в целом — ориентируясь по цвету и распределению пятен.
4. Комплектуя машины и механизмы метизами из нержавеющих сталей, рекомендуется весь набор крепежа брать из аналогичных материалов. Тем самым вы достигаете равных показателей прочности и долговечности сборки, ведь при воздействии агрессивной среды скорость выхода из строя шайбы из пружинной стали будет значительно больше, чем нержавеющего болта.

Финальная характеристика крепежа из коррозионностойких сплавов — это существенно более высокая стоимость. Она в первую очередь связана с тем, что цена на нержавейку приблизительно в 12-15 раз выше, чем на марки общего применения. Кроме того, как было сказано выше, сам процесс механической обработки подобных сплавов сопряжен с некоторыми сложностями, что закономерно сказывается на себестоимости продукции.

Заключение

Закономерно, что крепеж из нержавеющей стали менее восприимчив к коррозии, а значит — прослужит однозначно дольше обычного незакаленного болта. Почему же тогда метизные производства не переходят повально на использование таких сплавов вместо углеродистых?

Ответ кроется на поверхности: нержавеющий крепеж существенно дороже в изготовлении. Он также обладает меньшей прочностью при большей вязкости, что означает, что гнутых винтов и шпилек при неправильном подборе диаметров резьбы будет намного больше, пускай даже они и останутся чистыми и светлыми, безо всяких признаков ржавчины.

Около 80% выпускаемых метизов идут в строительную сферу и на сборку машин, для которых угроза коррозии не столь значима. Нержавеющий крепеж незаменим в случаях сборки механизмов, трубопроводов и аппаратов, находящихся в прямом и постоянном контакте с агрессивными средами, а также под действием экстремальных температур. Здесь термическое и коррозионное влияние внешних условий становится едва ли не более значимым, чем восприятие силовых нагрузок, а, следовательно, — единственным выходом становится применение сплавов, способных справиться с подобной задачей.