Стали и прочность крепежа.

Машиностроительный крепеж может иметь разное предназначение и выполнять разные задачи – от формирования целостности конструкции, до восприятия основной несущей силовой нагрузки на конструкцию. Чем больше нагрузка на крепеж, тем большей прочностью он должен обладать.

В зависимости от назначения и области применения крепеж изготавливают разных классов прочности, в соответствии с разными марками сталей. Нет никакой потребности использовать высокопрочные болты для крепления конструкций несущих маленькие нагрузки, скажем, крепление забора, маленькие навесы, крепления электро двигателя к станине на стиральной машине, и наоборот – совершенно недопустимо использовать болты обычного, низкого, класса прочности в ответственных конструкциях башенных или козловых кранов – здесь применяются исключительно высокопрочные болты.

Для разных видов крепежа (болти, винты, гайки, шпильки) используются разные стали, разные классы прочности и разная их маркировка.

Рассмотрим по порядку.

Болты, винты и шпильки

Болты, винты и шпильки производятся из разных углеродистых сталей – разных сталей соответствуют разные классы прочности. Хотя иногда можно из одной и той же стали изготовить болты разных классов прочности, используя при этом разные способы обработки заготовки или дополнительную термическую обработку – закалку.

Например, из Стали 35 можно изготовить болты нескольких прочностных классов: класса прочности 5.6 – если изготовить болты методом точения на токарном и фрезерном станке: классов 6.6 и 6.8 – получатся при изготовлении болтов методом объемной штамповки на высадочном прессе; и класса 8.8 – если полученные перечисленными способами болти подвергнуть термической обработке – закалке.

Класс прочности болтов, винтов и шпилек из углеродистых сталей обозначают двумя цифрами через точку. Утвержденный прозрачный ряд для болтов, винтов и шпилек из углеродистых сталей содержит 11 классов прочности:

3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9

Первая цифра маркировки класса прочности болта обозначает 0,01 часть номинального временного сопротивления – это предел прочности на растяжение – измеряется в МПа (мегапаскалях) или Н/мм2 (ньютонах на квадратный миллиметр). Также первая цифра маркировки класса прочности обозначает 0,1 часть номинального временного сопротивления, если Вы измеряете предел прочности на растяжение в кгс/мм2 (килограммах-силах на квадратный миллиметр).

Пример: Болт класса прочности 5.8: Определяем предел прочности на растяжение

5/0,01=500 МПа (или 500 Н/мм2; или ≈50 кгс/мм2)

Вторая цифра обозначает 0,1 часть отношения предела текучести (напряжения, при котором уже начинается пластическая деформация) к номинальному временному сопротивлению (пределы прочности на растяжение) – таким образом для шпильки класса прочности 10.9 второе число означает, что у шпильки, относящейся к этому класса, минимальный предел текучести равен 90% от значения предела прочности на растяжение, то есть будет равен: (10/0,01)×(9×0,1)=1000×0,9=900 МПа (или Н/мм2; или ≈90 кгс/мм2)

Пример: Болт класса прочности 5.8: Определяем предел текучести

500х0,8=400 МПа (или 400 Н/мм2; или ≈40 кгс/мм2)

Значение предела текучести – это максимально допустимая рабочая нагрузка болта, винта или шпильки, при превышении которой происходит невосстановительная деформация. При расчетах нагрузки на болты, винты или шпильки используют 1/2 или 1/3 от предела текучести, то есть с двукратным или трехкратным запасом прочности соответственно.

Классы прочности и марки сталей для болтов, винтов и шпилек.

В таблице представлены наиболее распространенные в метизном производстве и рекомендованные марки сталей, но в различных особых случаях также применяются и другие стали, когда их применение обусловлено дополнительными требованиями к креплению.

Значки обозначены в таблице:

* применительно к номинальным диаметрам до 16 мм.

** по отношению к номинальным диаметрам больше, чем 16 мм.

Есть особые стандарты на высокопрочные болты узкоотраслевого внедрения, имеющие свою градацию прочности. Например, применяемые в мостостроении стандарты на высокопрочные болты с увеличенным размером “под ключ” – так называемые “мостовые болты”: ГОСТ 22353-77 и российский стандарт ГОСТ Р 52644-2006.

Прочность болтов согласно этим стандартам обозначается значением временного сопротивления на разрыв (пределы прочности) в кгс/см2: т.е. 110, 95, 75 и т.д.

Такие болты могут производиться в двух исполнениях:

Выполнение В – для климатических областей с максимально низкой температурой до -400С – буква В не сказывается в маркировке

Выполнение ХЛ – для климатических областей с максимально низкой температурой от –400С до –650С – сказывается в маркировке на головке болта после класса прочности.

Маркировка прочности болтов, винтов, шпилек.
Маркировка болтов и винтов под шестигранный ключ.

Система маркировки метрической крепи разработана инженерами ISO (International Standard Organization – Международная Организация Стандартов). Советские, российские и украинские стандарты опираются именно на эту систему.

Маркировке подлежат болты и винты с диаметром резьбы более 6 мм. Болты и винты диаметром менее 6 мм маркировать необязательно – производитель может наносить маркировку по собственной инициативе.

Необходимо отметить, что среди винтов маркируются только винты, имеющие шлицы под шестигранный ключ, с разной формой головки: с цилиндрической, с полукруглой и с потайной головкой. Винты со всеми типами головки, имеющие крестовой или прямой шлиц, не маркируются обозначением класса крепости.

Необходимо также отметить, что не маркируются болты и винты изготовлены методом резки, точения (т.е. не штамповкой) – в этом случае маркировка класса прочности возможна по дополнительному требованию Заказчика.

Знаки маркировки наносят на торцевой или боковой поверхности головки болта или винта. Если знаки наносятся на боковую поверхность головки, они должны быть углубленными. Допускается маркировка выпуклыми знаками, при этом увеличение высоты головки болта или винта не должно превышать:

0,1 мм – для изделий с диаметром резьбы до 8 мм;
0,2 мм – для изделий с диаметром резьбы от 8 мм до 12 мм;
0,3 мм – для изделий с диаметром резьбы свыше 12 мм

Болты и винты с шестигранной и звездообразной головкой (в том числе изделия с фланцем) маркируют товарным знаком изготовителя и обозначением класса прочности. Данная маркировка наносится на верхней части головки выпуклыми или углубленными знаками; может также наноситься на боковой части головки углубленными знаками. Для болтов и винтов с фланцем, если в процессе производства невозможно нанести маркировку на верхней части головки, маркировку наносят на фланце.

Символы маркировки классов крепости болтов и винтов под шестигранный ключ, приведены в следующей таблице:

Если данные символы невозможно нанести из-за форм головки или ее малых размеров, применяются символы маркировки по системе циферблата. Эти символы приведены в следующей таблице:

Маркировка шпилек.

Шпильки маркируют цифрами класса прочности только с диаметром резьбы свыше 12 мм. Так как маленькие диаметры шипов трудно маркировать с помощью цифровых клейм, то допускается маркировать такие шпильки, с диаметрами резьбы М8, М9, М10, М11, используя альтернативные знаки, приведенные на рисунке. Знаки наносят на торце гаечного конца шпильки.

Шпильки маркируют клеймением с углубленными знаками и нанесением обозначения класса прочности c товарным знаком производителя на без резьбовом участке шпильки. Маркировке подлежат шпильки классов прочности 5.6, 8.8 и выше.

Стандартом DIN 976-1:2002 предусмотрено нанесение цветной маркировки на один из концов резьбовых шпилек в зависимости от их класса прочности. Стандартом установлены следующие цветовые обозначения:

Гайки.

Класс прочности гаек из углеродистых сталей нормальной высоты (Н≈0,8 d), гаек высоких (Н≈1,2 d) и особенно высоких (Н≈1,5 d) обозначается одним числом. Утвержденный прозрачный ряд содержит семь классов прочности:

4; 5; 6; 8; 9; 10; 12

Это число обозначает 1/100 часть предела крепости болта с которым в паре должна компоноваться гайка в резьбовом соединении. Такое сочетание болта и гайки называется рекомендуемым и позволяет равномерно распределить нагрузку в резьбовом соединении.

Например, гайка класса прочности 8 должна компоноваться с болтом, у которого предел прочности не меньше, чем:

8 х 100 = 800 МПа (или 800 Н/мм2; или ≈80 кгс/мм2)

Следовательно, можно использовать болты классов крепости 8.8; 9.8; 10.9; 12.9 – оптимальной будет пара с болтом класса прочности 8.8.

Классы прочности и марки сталей для гаек нормальной высоты, гаек высоких и гаек особенно высоких.

Правило подбора гаек к болтам заключается в сохранении целостности резьбы гайки, навинченной на болт, при приложении пробной испытательной нагрузки, при испытаниях гайку не должно “сорвать” от испытательной нагрузки для выбранного болта.

При подборе классов прочности болтов и гаек, сопрягаемых в резьбовом соединении, можно пользоваться следующей таблицей согласно ГОСТ 1759.4-87:

Как правило, гайки высших прочностных классов могут заменить гайки низших классов прочности. Такая замена рекомендуется для соединений “болт + гайка”, напряжение в которых будет выше предела текучести или напряжения от пробной нагрузки болта.

Классы прочности и марки сталей для гаек низких

Ввиду того, что низкие шестигранные гайки предназначены, в основном, для препятствия отвинчиванию соединяемых шестигранных гаек нормальной или увеличенной высоты, и не несут силовой нагрузки – их изготовляют из низкоуглеродистых сталей. Прочность класса низкой гайки обозначается двузначным числом из двух цифр: первая – 0 (означает, что гайка не предназначена для несения силовой нагрузки), вторая 4 или 5 (обозначает 1/100 часть нагрузки, при которой срывается резьба гайки). Прозрачный ряд для низких гаек состоит из двух классов прочности: 04 и 05.

Также существует группа особенно низких гаек с высотой Н менее 0,5 d. В эту группу включены гайки для легких соединений, которые не подвергаются каким-либо существенным нагрузкам. Для таких гаек не определяется класс прочности – вместо этого может быть указана 1/10 часть от минимальной жесткости по Бринеллю, HV.

В следующей таблице приведены марки сталей, используемых при изготовлении низких гаек:

Совместно с высокопрочными болтами узкоотраслевого применения имеют свою градацию прочности, применяются соответствующие высокопрочные гайки. Например, с уже упомянутыми “мостовыми болтами” по ГОСТ 22353-77 и ГОСТ Р 52644-2006 применяются гайки с увеличенным размером “под ключ” по стандартам ГОСТ 22354-77 и ГОСТ Р 52645-2006.

Прочность гаек согласно этим стандартам обозначается таким же значением, как у сопрягаемого болта – значением временного сопротивления на разрыв (пределы прочности) в кгс/см2: 110, 95, 75 и т. д. Такие гайки, болты могут производиться в двух исполнениях:

Выполнение В – для климатических областей с максимально низкой температурой до -400С – буква В не сказывается в маркировке

Выполнение ХЛ – для климатических областей с максимально низкой температурой от –400С до –650С – сказывается в маркировке на головке болта после класса прочности.

В производстве высокопрочных гаек по данным стандартам используются также стали 30Х3МФ, 30Х2АФ и 30Х2НМФА

совместно с болтами из соответствующих сталей. Применение таких сталей позволяет добиться еще более высокой прочности гаек.

Маркировка шестигранных гаек.

Маркируют гайки с диаметром резьбы более 6 мм. Знаки маркировки наносят на одну из торцевых поверхностей. Гайки малейшего класса прочности 4 не маркируют.

В некоторых технически обоснованных случаях допускается наносить маркировку на боковых поверхностях (гранях) гайки. Знаки должны быть углублены.

Допускается маркировка гаек по системе циферблата. Такая система используется в основном на гайках малых размеров, когда для цифровых знаков просто нет места. При этом способе маркировки наносится:

углубленными знаками на торцевой поверхности – точка на 12 часов и риски по кругу боковой поверхности

выпуклыми или углубленными знаками на фасках – точка на 12 часов и риски по кругу наклонной поверхности фасок

Соответствие маркировки с классом прочности гайки приведено на схеме:

Точка на 12 часов может быть заменена товарным знаком производителя. В гайках класса прочности 12 точка обязательно должна быть заменена товарным знаком производителя, чтобы избежать визуального слияния с риской на 12 часов.

Прочность шайб.

В отличие от болтов и гаек, имеющих классы прочности обозначаются количественно цифрами, исходя из прочностных показателей на разрыв и пластичности, шайбы несут нагрузку на сжатие, кручение, срез и, в основном, призваны распределить нагрузку в болтовом соединении на большую величину. В таком случае для шайб определяющим параметром является поверхностная жесткость, и ко всем видам шайб предъявляются требования по жесткости. Если речь идет о классе прочности шайб, то подразумевается именно жесткость шайб.

По аналогии с болтами, винтами и гайками многие называют жесткость у шайб их классом прочности.

Класс прочности (твердость) шайб может измеряться и обозначаться в разных единицах – в зависимости от метода измерения жесткости: методы измерения бывают по Виккерсу, по Роквеллу и по Бринеллю. Размеры, наличие защитного покрытия и в обязательном порядке жесткость определяют сферу применения шайб в различных условиях работы.

Наиболее распространенный метод Виккерса – шайбы могут иметь твердость по Виккерсу от 100 до 400 единиц, и обозначаются HV100, HV200, HV300 и т. д. По Роквеллу обозначается твердость HRC, по Бринеллю НВ.

Например, с уже упомянутыми “мостовыми болтами” по ГОСТ 22353-77 и ГОСТ Р 52644-2006 (DIN 6914)  применяются гайки с увеличенным размером “под ключ” по стандартам ГОСТ 22354-77 и ГОСТ Р 52645-2006, (DIN 6915) должны быть обязательно промаркированы. Так же есть еще некоторые изделия шайб согласно DIN – должны иметь обязательную маркировку.