Высокопрочный крепеж: разновидности, конструкционные особенности, сфера использования, преимущества

Многие типы конструкций и оборудования в процессе эксплуатации испытывают серьезные нагрузки. Если соединение элементов или деталей недостаточно прочное, под воздействием нагрузок постепенно начинается процесс разрушения. Чтобы продлить эксплуатационный срок высоконагруженных конструкций, для соединения их элементов используют крепеж повышенной прочности.

Благодаря высокопрочному крепежу можно получить резьбовые соединения, прочность и долговечность которых не уступает заклепочным или сварным. Поэтому такие метизы востребованы в большинстве промышленных отраслей, в первую очередь в машиностроении и станкостроении. Не обойтись без высокопрочного крепежа в строительстве, при проведении монтажных работ, возведении мостов, а также при производстве дорожной техники.

Высокие прочностные характеристики могут иметь болты, винты, гайки и шпильки. Для их изготовления используются стали с низким содержанием углерода, а обязательным производственным процессом является закалка. Из статьи вы узнаете об особенностях разных видов высокопрочного крепежа, а также преимуществах его использования.

Высокопрочным крепежом принято называть металлические крепежные изделия, имеющие определенные характеристики. Показатель временного сопротивления (предел прочности на растяжение) у таких метизов должен равняться или превышать 800 ПМа. Соответственно, к данной категории можно отнести болты, шпильки и винты с классом прочности от 8.8 и гайки с классом прочности 8 и выше. Такой стандарт принят в большинстве европейских стран. Но в России, согласно ГОСТ, к высокопрочным принято относить болты, начиная с класса прочности 6.8.

Класс прочности крепежных изделий зависит от механических свойств стали, из которой они изготовлены, а также от технологии производства. У крепежа из углеродистой и нержавеющей стали обозначения классов прочности разные.

Обозначение класса прочности должно присутствовать в маркировке каждого высокопрочного изделия. Маркировку наносят на верхнюю часть головки болтов и винтов. У гаек она может располагаться по борту.

Класс прочности болтов и винтов из углеродистой стали обозначается двумя цифрами, между которыми стоит точка. В этом обозначении зашифрована информация о важных физических характеристиках изделий – пределах прочности на растяжение и текучести. Используя несложные формулы, можно рассчитать эти показатели.

Расчет предела прочности позволит узнать, какую максимальную нагрузку сможет выдержать крепежное изделие в процессе эксплуатации. Для примера мы возьмем болт класса 12.9. Первая цифра обозначения – это сотая часть предела прочности. Соответственно:

12 х 100 = 1200 МПа.

Рассчитав предел прочности метиза, можно легко вычислить и его предел текучести. Для этого мы используем вторую цифру класса прочности, которая обозначает десятую часть соотношения пределов прочности и текучести. То есть, для болта класса 12.9 предел текучести равняется 90% предела прочности:

1200 х 0,9 = 1080 МПа.

Превышение предела текучести, то есть, максимального уровня напряжения, неизбежно приводит к деформации крепежного изделия. Поэтому перед покупкой высокопрочного крепежа обязательно проводится расчет нагрузок, которые будут воздействовать на него в период эксплуатации. Расчетные пределы текучести и прочности увеличивают, создавая двух-, а то и трехкратный резерв.

Расшифровать класс прочности гаек еще проще. Он обозначается всего одной цифрой. Это число – сотая часть предела прочности болта, с которым гайку можно использовать для создания резьбового соединения. Соответственно, для болта 12.9, предел прочности которого 1200 МПа, подойдет гайка класса прочности 12.9.

У крепежа из нержавеющей стали также есть классы прочности. Маркировка метизов содержит наименование марки стали – А2 и А4, а также цифры – 50, 70 или 80. Число означает десятую часть минимального передела прочности. Стандартным пределом считается значение 70 и именно оно принимается в расчет, если в маркировке не указана другая цифра.

У высокопрочных болтов показатель сопротивления повышенный и не может быть меньше 800 МПа. Поэтому для производства метизов используются качественные углеродистые и легированные стали, а готовые изделия обязательно закаливаются. При производстве высокопрочных болтов используют технологии холодной и горячей высадки. Для накатки резьбы нужны специальные станки-автоматы. Повысить прочность изделий позволяет термообработка в электрических печах. Кроме того, эта процедура защищает болты от старения.

 Несмотря на повышенную прочность, болты нуждаются в защите от коррозии, если эксплуатируются в условиях высокой влажности. Чаще всего на поверхность метизов наноситься цинковое покрытие. Оцинкование крепежа проводится несколькими методами:

• гальванический – электрохимическое осаждение цинка в растворе цинкосодержащего электролита;
• горячий – крепеж погружается в ванну с расплавленным цинком;
• диффузионный – обработка метизов в порошке или в парах цинка при высокой температуре;
• газодинамический – цинк наносится на поверхность изделий сверхзвуковым потоком.

К высокопрочным относятся болты с классами прочности 8.8, 10.9, 12.9. Крепеж производится в соответствии с государственными и международными стандартами:

• 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.

В нормативах содержатся требования к качеству болтов, их физическим характеристикам и размерам, а также материалам для изготовления.

Как уже было сказано, класс прочности болтов зависит от марки стали, из которой они изготовлены. Для производства высокопрочных метизов используют такие марки:

• Ст 35, 20Г2Р, 40Х – класс 8.8;
• 20Г2Р, 40Х, 30Х3МФ – классы 10.9, 12.9.

Самый популярный материал для производства высокопрочных болтов – легированная конструкционная сталь марки 40Х. Она отличается не только повышенной прочностью, но и твердостью (до 217 МПа). Сплав маловосприимчив к воздействию разрушающих факторов окружающей среды, обладает устойчивостью к низким температурам и их резким перепадам. В составе стали содержится около 0,4% углерода и менее 1,5% хрома.

По сравнению с метизами стандартных классов прочности, высокопрочные болты способны выдерживать удвоенные, а то и утроенные нагрузки. Крепежные изделия целесообразно использовать в конструкциях, которые нуждаются в периодической разборке.

Гайка высокопрочная – метиз с резьбовым отверстием в центре, используемый только в паре с другими крепежными изделиями, например, болтами. Для производства крепежа используют два метода – нарезку и штамповку. Вторая технология проще в реализации, поэтому штампованные гайки обходятся дешевле.

Методом штамповки гайки производятся из стальной заготовки, которая в течение 30 часов нагревается в печи. Размягченная заготовка помещается в серную кислоту, после чего промывается водой и покрывается фосфатом. Это позволяет защитить материал от коррозии. Из стального бруска нарезают мелкие заготовки и разогревают их до 1200 градусов. При помощи гидравлического молота штампуются шестиугольники, после чего в них штампом пробивается отверстие. В сформированном отверстии при помощи специального станка нарезается резьба. Затем гайки на один час помещают в печь и выдерживают при температуре 870 градусов, чтобы изделия приобрели необходимую прочность. Для закалки метизы быстро охлаждают и погружают в масло на пять минут. Чтобы устранить хрупкость, но сохранить при этом прочность, крепежные изделия еще раз нагревают в течение часа.

В качестве материала для производства высокопрочных гаек используется преимущественно сталь марки 40Х или 40Х «селект». Их класс прочности не может быть ниже 8. На готовое изделие может наноситься цинковое покрытие, защищающее от коррозии.

Высокопрочные гайки выпускаются в соответствии с такими стандартами:

• 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.

К высокопрочным относятся гайки с классами прочности 8, 10 и 12. Производители должны маркировать крепежные изделия, указывая в маркировке такую информацию:

• параметры;
• размер под ключ;
• класс прочности;
• идентификацию производителя.

Маркировка может располагаться на верхней или нижней части метиза, быть выпуклой или вдавленной.

Подбирая гайки к болтам, нужно ориентироваться на класс прочности метизов. Как мы упоминали выше, класс прочности гайки указывает на значение предела прочности болта, с которым она может использоваться для создания соединения. Например, гайка с классом 8 подойдет для болтов класса прочности 8.8.

Высокопрочные винты – крепежные изделия, используемые для создания разборного соединения деталей высоконагруженных конструкций. Одна из этих деталей может иметь внутреннюю резьбу. Метиз выполнен в виде стержня с резьбой, на одном конце которого находится элемент для передачи крутящего момента. В зависимости от конструкции крепежа это может быть головка или шлицы различной формы. Винты используются не только для создания резьбового соединения, но и могут использоваться в качестве оси для вращающихся деталей.

По назначению высокопрочные винты принято делить на две группы:

• крепежные;
• установочные.

При помощи крепежных винтов создаются резьбовые соединения. Это самый распространенный тип данной категории метизов. Элементом для передачи крутящего момента у них служит головка, которая может иметь шестигранную, круглую или квадратную головку. Винты закручиваются при помощи отверток или специальных шестигранных ключей, поэтому в головку обязательно имеется шлиц. Виды шлицев, которые используются в винтах, перечислены в таблице.

Основной критерий классификации крепежных винтов – форма головки. Она может быть:

• выпуклая;
• круглая;
• плоская;
• потайная;
• полупотайная;
• грибовидная.

При помощи установочных винтов фиксируют взаимное расположение деталей. Хорошую фиксацию обеспечивают специальные углубления или выступы на концах метизов.

К категории высокопрочных относятся винты классов прочности 8.8, 10.9, 12.9. Крепежные изделия производятся в соответствии с такими стандартами:

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

Винты высокой прочности способны выдерживать повышенные нагрузки, не деформируясь и не ломаясь. Для производства метизов используют стали марок 40Х, Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, Ст.40ХНМА.

Высокопрочная шпилька – метиз в виде металлического стержня, который может быть покрыт резьбой полностью либо иметь разные или равные по длине резьбовые части и гладкий участок в центре. Резьбовые соединения, созданные при помощи шпилек, легко разобрать в случае необходимости.

К высокопрочным относятся шпильки, имеющие класс прочности 8.8, 10.9, 12.9. Для производства метизов используют конструкционные и легированные стали марок ст.35; ст.45; ст.35Х; ст.38ХА; ст.20Г2Р. Высокопрочные изделия рассчитаны на высокие нагрузки, способны выдержать интенсивное воздействие на излом.

Шпильки высокой прочности производятся по следующим стандартам:

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

Благодаря материалам высокого качества и технологии производства, которая предусматривает обязательную закалку, метизы способны выдерживать постоянные высокие нагрузки, в том числе и вибрационные.

Самый высокий спрос на высокопрочные шпильки в строительстве. При помощи крепежных изделий соединяют элементы металлических и деревянных конструкций, соединяют брусья, крепят лаги. Монтаж воздуховодов и трубопроводов также невозможен без использования шпилек высокой прочности. Для создания соединений необходимы гайки и шайбы подходящего диаметра.

Шайба – вспомогательный крепежный элемент, который позволяет увеличивать опорную поверхность других метизов, с которыми используется в паре. Благодаря шайбам поверхность соединяемых деталей не повреждается, а усилие затяжки крепежа можно увеличить.

Шайбы не классифицируются по классам прочности. К ним предъявляются требования по твердости. Этот параметр иногда называют классом прочности, что является ошибкой. Для измерения твердости метизов используют три шкалы: по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Твердость – основное механическое свойство шайб.

Для создания резьбовых соединений чаще всего используют шайбы, изготовленные по таким стандартам:

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

Метизы производятся из конструкционных и легированных сталей, обязательно подвергаются закалке и отпуску.

Одно из важнейших преимуществ высокопрочного крепежа – оптимизация металлоемкости готовой конструкции. При этом прочность и стойкость ее резьбовых соединений повышается. Метизы высокой прочности рассчитаны на повышенные нагрузки, поэтому расчетный диаметр болта, винта или шпильки можно уменьшить. Ориентироваться при этом нужно на нагрузочную способность крепежного изделия.

Уменьшение диаметра болтов, винтов или шпилек – возможность сэкономить на их приобретении. Например, шестигранный болт М20 класса прочности 4,8 можно заменить болтом М12 с классом прочности 12.9, так как у этих метизов одинаковая разрушающая нагрузка – 103 kH. Метизы меньшего диаметра стоят дешевле. Кроме того, они весят значительно меньше – 76,44 кг (1000 шт.) против 240,7 кг для М20. Соответственно, металлоемкость и вес готовой конструкции также уменьшаются.

Крепежные изделия высокой прочности отличаются длительным сроком службы и устойчивостью к вибрации. Метизы можно использовать в регионах с экстремально холодным климатом. При необходимости проведения ревизии соединение можно разобрать, а затем собрать, используя тот же крепеж.

Все виды высокопрочного крепежа, описанные в этой статье, представлены на сайте компании «Крепсила». У нас вы можете купить болты, винты, шпильки и гайки повышенной прочности, а также шайбы для создания высокопрочных соединений. Цены на нашу продукцию ниже среднерыночных, а оптовикам предлагаются скидки. Гарантия на метизы действует в течение трех лет.