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 ГОСТ стандарта - https://www.super-krepeg.ru/vidy-krepezha/krepezh-po-gost/ 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.