Класс прочности болтов – насколько хорошо метизы противостоят разрушению?

1 Какими бывают болты, и как их различать?

Под интересующими нас изделиями понимают стержни разной длины с головкой и винтовой канавкой. Такой крепеж используется для соединения по разъемному принципу элементов конструкций, машин, агрегатов. Болт всегда применяется в паре с гайкой. Последняя также выпускается строго по Гос. стандартам.

Разновидности болтов

Болты классифицируются:

• По виду головки – клеммные, полукруглые, стыковые, потайные, закладные, фасонные, многогранные. Самыми популярными считаются изделия с шестигранной головкой. Они надежно соединяют детали конструкций, которые функционируют под действием разнообразных нагрузок, начиная от ударных и заканчивая статическими.
• По параметрам под ключ – уменьшенные, нормальные. Для большинства соединений используются изделия со стандартными размерами. Уменьшенные метизы рекомендованы для ненагруженных конструкций.
• По длине резьбы и стержня.
• По точности производства – точные по размерам, с отклонениями от правильной конфигурации, со сколами или срезами, другими наружными дефектами. Особенности болтов с неправильной формой и внешними изъянами описаны в уже упомянутом ГОСТ 1759–70.

Также описываемые крепежные элементы принято подразделять на разные категории, учитывая сферу их использования. Существуют мебельные, лемешные, машиностроительные и дорожные болты. Из самих названий понятно, где они применяются.

Изготавливаются крепежные детали из легированных и углеродистых; тепло-, жаро-, коррозионностойких сталей; цветных сплавов. Наибольшее распространение получили изделия первой группы. Крепеж из углеродистых, легированных сталей (кипящих и спокойных) имеет доступную стоимость и высокие механические характеристики. Болты из других материалов используются для соединения агрегатов, конструкций, работающих в специфических средах (воздействие влаги, высокие температуры).  

2 Класс прочности крепежа из легированных и углеродистых сталей

Прочностные показатели болтов самой распространенной группы подробно изложены в ГОСТ 1759.4. В соответствии с этим документом классы прочности легированного и углеродистого крепежа бывают такими:

• 3.6 – изделия из нелегированных сплавов, изготавливаемые по простой технологии без отпуска металла.
• 4.6 – из стали с углеродом не выше 0,55 %;
• 5.6 – изготавливаются без отпуска, в них углерода не меньше 0,15 %;
• 5.8 – аналогичны болтам 5.6, но углерода в сталях для их изготовления бывает менее 0,15 %;
• 6.6, 6.8 – крепеж из углеродистых сплавов без добавок;
• 8.8 – используется закаленная сталь с присадками марганца, бора, хрома, металл обязательно отпускается при температуре 425° после закалки;
• 9.8 – аналог предыдущих метизов с более высоким показателем прочности;
• 10.9 – болты с добавками, увеличивающими механические свойства (хром, марганец), из сплавов, прошедших закалку и отпуск (340–425°);
• 12.9 – изделия из легированных сталей с минимальным содержанием серы, фосфора (до 0,035 %).

Метизы указанных категорий отличаются друг от друга механическими свойствами. Под классом прочности крепежа понимают целый комплекс характеристик. Он включает в себя величины ударной вязкости, напряжения от нагрузки, предела текучести, сопротивления, твердости, относительного удлинения. Об этом подробнее в следующем разделе.

Крепежные болты

Чаще всего для изготовления болтов используют такие марки стали: Ст.35 (крепеж прочностью 6.6, 5.6, 8.8, 9.8), Ст.10 (4.6, 5.8), Ст.20, Ст.5. Из легированных сплавов 40Х, 35Х, 40ХНМА, 20Г2Р, 35ХГСА, 38ХА производят изделия прочностью 8.8 и более.

3 Механические свойства элементов и расшифровка их маркировки

Временное сопротивление – это отношение нагрузки, которую может выдержать болт без разрушения, к его поперечному первоначальному сечению. Данная величина варьируется в пределах 30–160 кгс/кв. мм (минимальное значение) и 49–208 (теоретически возможный максимум). Под ударной вязкостью подразумевают определенный цикл воздействия на образец болта в форме призмы (его делают с вырезкой на одной стороне), после которого метиз разрушается. Иногда испытания останавливают в случаях, когда крепежный элемент начинает деформироваться. Величина вязкости равняется 3–6 кгс*м/кв. см. Обратите внимание! Для некоторых классов прочности (3.6, 5.8, 6.8) показатель ударной вязкости в ГОСТ не регламентируется.

Маркировка болтов

Минимальная нагрузка, которая вызывает деформацию метизов без ощутимого повышения растягивающего напряжения, называется пределом текучести. Для болтов 3.6 он равняется 20 кгс/кв. мм, для изделий 12.9 – 108. Текучесть устанавливается на спец. образцах по стандартной методике (воздействие на изделие до момента его деформирования). Величина относительного удлинения определяется как отношение повышения длины болта после его разрушения к первоначальной протяженности изделия. Важный момент. Минимальное относительное удлинение отмечается у болтов прочностью 12.9 (8 %), максимальное – у метизов 3.6 (25 %). Твердость крепежных элементов по шкале HRB составляет 48–86 единиц, по Бринеллю – 90–330 НВ.

Теперь, зная все о механических характеристиках болтов, можно разбираться с принципом их маркировки. Здесь все достаточно просто. Обозначение класса прочности – это две цифры, разделенные точкой. Достаточно умножить на 10 первое число, чтобы получить значение временного минимального сопротивления болта. Аналогичным образом поступаем со второй цифрой. Умножаем ее на 10 и узнаем соотношение (в процентах) текучести изделия к его сопротивлению. Например, для метизов класса 8.8 это отношение будет равняться 80 % (8*10). Маркировку наносят на торце головки крепежа выпуклыми цифрами.

ГОСТ требует обозначать все болты сечением более 6 мм. Разрешается не ставить точку в маркировках болтов классов 12.9, 8.8 и 5.6. Метизы из цветных сплавов, нержавеющих сталей обозначаются иначе. На такие изделия наносят марку стали (например, А4, А2), ставят тире, добавляют двузначную цифру (50, 80, 70), которая указывает величину прочностного предела на разрыв. Если мы видим маркировку А4-50, значит перед нами болт из аустенитного сплава с прочностью 50 кгс/кв. мм.

4 Холодная штамповка – ключевая технология выпуска болтов

Класс прочности метизов напрямую зависит от технологии их производства. Сейчас для изготовления болтов используются методики горячей высадки и холодной штамповки. Они предполагают применение специального оборудования для непосредственно производства крепежа, накатки на нем резьбы, термической обработки готовой продукции, нанесения дополнительного защитного покрытия (если таковое предусмотрено).

Холодная штамповка болтов

Большая часть болтов разной прочности в настоящее время выпускается по технологии холодной штамповки. Такая методика имеет ряд достоинств:

• гарантированная точность размеров болтов;
• высокая производительность;
• большой ассортимент типоразмеров изделий;
• чистота поверхности метизов;
• малый расход легированной, углеродистой стали.

Заметим, что качество производимых холодной штамповкой болтов зависит от характеристик используемых металлических сплавов (то есть от исходного сырья). Необходимо применять сталь без внутренних и поверхностных изъянов, с равномерным хим. составом, повышенной пластичностью. Задача операции холодного штампования состоит в следующем – нужно получить болт с требуемыми размерами из металлической заготовки (обычно из проволоки), которую пропускают через специальную матрицу. Такой процесс проходит без нагрева исходного сырья.

При деформировании проволоки наблюдается наклеп металла, увеличение его твердости, пределов текучести и прочности. При этом относительное удлинение стали уменьшается, что повышает качество готовых крепежных изделий. Главный минус холодной штамповки болтов заключается в уменьшении величины пластичности стали. Это может стать причиной увеличения хрупкости метизов и, как следствие, их поломки (деформации, разрушения) в процессе использования. Избежать подобных проблем позволяет дополнительная термообработка болтов – закалка, отпуск.

Изготовление болтов по технологии холодной штамповки осуществляется по одному принципу. Но сама операция может производиться с редуцированием, без такового, с выдавливанием. Схематически процесс изготовления крепежных изделий выглядит следующим образом:

1. Формирование из проволоки стержня болта.
2. Создание промежуточной формы головки, а затем и окончательной.
3. Нарезание резьбы.

Штамповка выполняется на 2–4 отдельных пресс-автоматах либо на одной автоматической линии, состоящей из разных по назначению агрегатов. Класс прочности готовых метизов не зависит от "навороченности" оборудования. И с одной линии, и с нескольких последовательных механизмов получают крепеж, отвечающий требованиям ГОСТ.

5 Высокопрочные метизы – по-настоящему стойкие к разрушению

Болты с временным сопротивлением более 80 кгс/мм² называют высокопрочными. К ним относят изделия классов 8.8–12.9. Такие болты нужны для соединений деталей мостовых конструкций, крепления элементов кранов, железнодорожных вагонов и техники, машин и агрегатов, используемых в сельском хозяйстве. К высокопрочным метизам причисляют самоконтрящиеся соединительные элементы. Изготавливаются болты повышенной прочности из нержавеющих сплавов, Ст.40 и Ст.35Х. Их в обязательном порядке подвергают закалке и отпуску. Без такой термической обработки добиться высоких прочностных показателей невозможно.

В ряде случаев исходную сталь дополнительно отжигают (сфероидизирующая методика). Это позволяет нивелировать их высокое сопротивление процессу холодного деформирования и упростить операцию штамповки.

Термообработка метизов – дорогая и трудоемкая процедура. При несоблюдении технологии ее выполнения болты могут искривляться, а их геометрические параметры искажаться. Особенно часто подобные проблемы отмечаются при штамповке длинного крепежа. ГОСТ разрешает корректировать размеры и форму искривленных болтов, используя операцию повторной накатки. Для снижения риска деформации болтов их термическая обработка чаще всего осуществляется в среде газов с защитными характеристиками. Это еще больше увеличивает расходы на изготовление крепежной продукции.

Высокопрочные метизы

Предприятия находят разные выходы из такой ситуации. Например, ограничивают длину и диаметр выпускаемых высокопрочных болтов, применяют современное оборудование для штамповки с повышенным коэффициентом эксплуатации. Свойства специальных метизов описываются в отдельных Гос. стандартах либо отраслевых нормативных документах. Например, существует ГОСТ Р 52644. Он оговаривает размеры и механические характеристики болтов высокой прочности с головкой под ключ, которые применяются исключительно в сфере мостостроения. В стандарте приведена прочность крепежных элементов М16–М48. По своей величине она равняется сопротивлению на разрыв. Маркировка таких болтов включает в себя не только класс прочности. В ней присутствует литера S (крепеж под ключ с увеличенным размером).

Специализированные болты, кроме всего прочего, различаются по виду исполнения. Они могут быть вариантов ХЛ и У. Первые высокопрочные метизы предназначены для работы при температурах ниже -40 °С. Маркируются болты литерами ХЛ и цифрами, указывающими на класс прочности. Крепежные элементы У используют при температурах до -40°. Литера в их маркировке необязательна. Болты У и ХЛ изготавливают из сталей 30Х2НМФА, 40Х Селект, 30Х2АФ, 30Х3МФ.  Классы прочности таких изделий приведены далее:

• 110 – болты с резьбой М16–М27 (их прочность соответствует показателю сопротивления на разрыв и равняется 110 Мпа);
• 95 – изделия М30;
• 75 – М36;
• 65 – М42;
• 60 – М48.

Твердость по Бринеллю указанных болтов высокой прочности составляет 363–388 единиц, а относительное удлинение – не менее 8 %.