Материалы, применяемые при производстве крепежа

Выполнение работ, связанных со строительством и ремонтом, в обязательном порядке предполагает использование крепежных элементов. Ими скрепляют как небольшие компоненты конструкций, так и крупногабаритные блоки. При этом, для реализации надежного соединения необходимо принимать во внимание, в первую очередь, материал, из которого произведены соединительные детали. Именно характеристики примененного сырья определяют прочность вновь возведенного/отремонтированного объекта. Но сделать корректный выбор крепежа по этому признаку совсем непросто. Причина кроется в широком разнообразии используемых в металлургической отрасли материалов. Рассмотрим особенности наиболее востребованных их видов.

Сталь углеродистая

Для стержневых крепежных элементов – болтов с головками различной конфигурации, шпилек с полной резьбой либо с гладкой срединной частью, а также винтов – применяются 11 классов прочности. Чтобы конечная продукция соответствовала их требованиям, заводы-производители по нормам ГОСТа 898-1-2011 используют сталь углеродистую, состав которой и виды обработки представлены в таблице.

Класс прочности	Ограничения , накладываемые на химический состав (результаты анализа проведенной плавки ,%)^<а>					Сталь и термообработка	Т-ра процесса отпуска, °С, не меньше
	В^<б>	S	Р	С
	@	@	@	@	@@
12.9^<е><з><и>	0,003	0,025	0,025	0,5	0,28	Сталь углеродистая закаленная, прошедшая процедуру отпуска. Может содержать добавки элементов Мо, Сr, Мn	380
12.9^<е><з><и>					0,3	Сталь легированная закаленная, прошедшая процедуру отпуска^<е>	425
10.9^<е>				0,55	0,2	Сталь легированная закаленная, прошедшая процедуру отпуска^<е>	425
					0,25	Сталь углеродистая закаленная, прошедшая процедуру отпуска
					0,2^<е>	Сталь углеродистая закаленная, прошедшая процедуру отпуска. Может содержать добавки элементов Сr, Мn
9.8^<е>					0,2	Сталь легированная закаленная, прошедшая процедуру отпуска^<ж>	425
					0,25	Сталь углеродистая закаленная, прошедшая процедуру отпуска
				0,4	0,15^<^д^>	Сталь углеродистая закаленная, прошедшая процедуру отпуска. Может содержать добавки элементов Сr, Мn
8.8^<е>				0,55	0,2	Сталь легированная закаленная, прошедшая процедуру отпуска^<ж>	425
					0,25	Сталь углеродистая закаленная, прошедшая процедуру отпуска
				0,4	0,15^<^д^>	Сталь углеродистая закаленная, прошедшая процедуру отпуска. Может содержать добавки элементов Сr, Мn
6.8^<г>	*	0,06	0,05	0,55	0,15	Сталь углеродистая либо сталь углеродистая с некоторыми добавками	________
5.8^<г>					------
5.6^<в>					0,13
4.8^<г>					-------
4.6^<в><г>

В таблице приняты такие обозначения:

<а> – при возникновении разногласий допускается проведение анализа готовой продукции;
<б> – содержание элемента В может составлять 0,005% при выполнении условия, что контроль его неэффективной части осуществляется внесением добавок титана (Ті) и/или алюминия (Аl);
<в> – для крепежа с прочностными характеристиками, соответствующими нормам классов 5.6 и 4.6, произведенного технологией объемной холодной штамповки, для обеспечения пластичности требуемого уровня может выполняться операция термообработки исходного сырья – проволоки;
<г> – допускается применение автоматной стали, содержащей элементы Рb, Р и S не больше 0,35; 0,11;0,34 процентов соответственно;
<д> – в стали углеродистой с содержанием элемента С меньше 0,25% и имеющей добавки элемента В, элемента Мn должно содержаться не меньше: 0,7% – для изделий с прочностными характеристиками классов 10.9 и 9.8; 0,6% – для класса 8.8;
<е> – материал должен обладать степенью прокаливаемости, достаточной для формирования непосредственно после процедуры закалки с последующим отпуском структуры сердцевины резьбовых фрагментов крепежных деталей, состоящей из мартенсита примерно на 90%;
<ж> – в состав такой стали должен входить хотя бы один из ниже представленных легирующих элементов и с указанным минимальным содержанием: V – 0,1%; Мо – 0,2%; Nі – 0,3%; Сr – 0,3%;
<з> – на поверхности крепежных деталей с прочностью, соответствующей условиям класса 12.9 не должен находиться белый слой, обогащенный элементом Р, наличие которого можно обнаружить металлографическим методом. Для его выявления нужно применять подходящий испытательный способ;
<и> – ограничения при установке и эксплуатации изделия с прочностью класса 12.9. Подлежат учету возможности производителя, условия использования и методы закручивания. Изделия как с покрытием, так и без него, могут привести в негодность воздействия негативных факторов окружающей среды.

Сталь нержавеющая

Стали нержавеющие являются наиболее качественным материалом для производства метизов.

По составу и физико-химическим свойствам эти металлы подразделяются на несколько групп. Кратко рассмотрим их.

Стали нержавеющие аустенитные

Антикоррозионные свойства аустенитных сталей продуцируют входящие в их состав элементы Сr (15%-20%) и Nі (5%-15%). Металл такого типа хорошо сваривается, отлично переносит горячую обработку и, кроме того может подвергаться обработке давлением, пребывая в холодном состоянии. Аустенитная сталь, в свою очередь, бывает нескольких разновидностей.

А1 – из-за наличия примесей серы эта сталь в небольшой степени подвержена воздействию процесса коррозии. Но данный минус в некоторых случаях нивелируется повышенной твердостью и хорошей износостойкостью. Отечественной металлургией выпускается под маркой 12X18H10E.
А2 – сталь, получившая наибольшее распространение. Ей присущи такие свойства, как нетоксичность, а также немагнитность. Применяется для производства крепежа, используемого в химической отрасли и пищевой промышленности. Ближайшие отечественные аналоги – нержавеющие стали 03X18H11, 08X18H10 и 12X18H10.
А3 – состав этого сплава схож с предыдущим вариантом. Но в него добавляются такие легирующие элементы, как тантал (Та), ниобий (Nb) и титан (Ті). Благодаря этому сталь А3 обретает пружинные свойства и повышается ее устойчивость к воздействию коррозии при работе в условиях высоких температур. Ближайший отечественный аналог – нержавейка марки 08X18H10T.
А4 – используется для производства крепежа, предполагаемое место работы которого – это хлор- и кислотосодержащая среда. По уровню востребованности в сфере изготовления метизов она находится на втором месте вслед за сталью А2.
А5 – обладает хорошей устойчивостью к воздействию повышенных температур. Придают данному сплаву это свойство те же легирующие элементы, что и в стали А3 (Ті, Nb и Та), но с несколько иным процентным содержанием. Нержавейка А5 способна работать в кислотной среде. Ближайший отечественный аналог – 08X17H13M2T.

Стали нержавеющие мартенситные

Такой металл более твердый по сравнению с аустенитными сталями. Кроме того, он может обладать магнитными свойствами. Упрочнение мартенситных сталей осуществляется закалкой, после которой следует технологический процесс отпуска. Изготовленные из этого материала крепежные элементы нашли широкое применение в машино- и приборостроительных отраслях. Наиболее популярны следующие марки мартенситной нержавейки: X9M, 15X11MФ, 10X9MФБ, 18X11MHФБ и некоторые другие.

Стали нержавеющие ферритные

Эти стали характеризуются низким содержанием элемента С. Поэтому по сравнению предыдущим вариантом металла они значительно мягче. Отечественной металлургией выпускаются следующие марки ферритных сталей:

12X17 – применяется для изготовления деталей, скрепляющих элементы емкостей, в которых будет проводиться обработка продуктов питания;
12X13 – из этой стали производятся детали для емкостей, предназначенных для жидких продуктов, содержащих алкоголь;
08X13 – сталь идет на изготовление столовых приборов.

Алюминий

Крепежные детали, выполненные из алюминия, нашли широкое применение во многих сферах промышленного производства. Данное явление обусловлено наличием у этого металла и его сплавов особых свойств. Перечислим основные из них.

Высокий уровень сопротивляемости атмосферной коррозии. Контакт алюминия с кислородом сопровождается, практически, мгновенным формированием на его поверхности оксидной пленки, выполняющей защитную функцию.

У алюминия самое большое значение соотношения «Прочность/Вес» в сравнении со всеми иными металлами, используемыми для производства крепежных деталей.
У всех соединительных элементов из алюминия отсутствует такое качество, как магнитность. Зачастую это бывает очень важным.
Хоть алюминий является металлом, от ударов или при его обработке абразивным кругом искры не появляются.

Востребованные сплавы

Сводом Правил СП 128.13330, принятым в 2012 году, предписано применение для изготовления крепежа следующих алюминиевых сплавов:

АМг5п. Это – деформируемый магнийсодержащий сплав;
В65 –дуралюмин. В сплав также входят медь (Сu) и магний (Мg). Применяется для изготовления, помимо болтов, еще и заклепочной проволоки;
Д18. Характеристика «Сопротивление срезу» у него хуже, чем у предыдущего сплава. Но этот минус нивелируется более высоким уровнем технологической пластичности;
АД33. Используется для производства крепежа со средними прочностными характеристиками и с повышенной коррозионной устойчивостью. Интервал рабочих температур (-70°С) ≤ Т≤ (+50°С);
АВ. Сплав магний/кремнийсодержащий. По своим характеристикам схож с Д18. Роль упрочняющей фазы играет соединение Мg₂Sі.

Латунь

Латунь является сплавом элементов медь (Сu) и цинк (Zn). Их процентное соотношение определяет свойства изготовленных из данного метала крепежных деталей. В число наиболее популярных входят следующие марки латуни:

Л96. Это металл, обрабатываемый давлением. Меди в сплаве содержится около 96%, оставшиеся примерно 4% приходятся на цинк. Особенностью латуни Л96 является совокупность следующих свойств: несклонность к коррозионному растрескиванию; повышенная теплопроводность; высокий уровень пластичности;
Л90. К сведению: латунь, содержание меди в которой находится в пределах 80%...90%, принято называть полутомпаком. А в сплаве Л90 на ее долю приходится 90% от общего объема). Поэтому латунь этой марки разные источники относят к категории как полутомпак, так и томпак. Отличается золотистым, радующим глаз, цветом;
Л85. Хорошо подвергается деформированию даже в холодном состоянии. Латуни Л85 не характерна склонность к коррозионному растрескиванию.
Л68. Пригодна для изготовления крепежных деталей глубокой вытяжкой, а также холодной штамповкой. Характеризуется устойчивостью к негативному воздействию процесса коррозии и хорошими механическими качествами.

В число популярных также входят следующие марки латуни: ЛMцA57-3-1, ЛMц58-2, ЛAЖ60-1-1 и другие.

Титан

Востребованность титана (Ті) в сфере метизов достаточно высока. Обусловливают данное явление следующие свойства этого металла:

небольшая удельная плотность (4505 кг/м³)– отсюда малый вес крепежа;
высокая прочность. Значение граничной нагрузки, работающей на растяжение, которую выдерживает титан, достигает отметки 450 МПа;
хорошая жаростойкость. Начинает плавиться этот металл при температуре Т=1680°С.

Для производства крепежных деталей используют сплавы на основе титана. Требования к их составу утверждены нормами ГОСТа 19807-91. Ниже представлены лишь наиболее популярные титановые сплавы.

BT22. Входит в группу высокопрочных сильнолегированных сплавов системы Ті-Аl-Мо-V-Fе-Сr. Устойчив к воздействию повышенных температур и высоких нагрузок.
BT16. Высокопрочный сплав системы Ті-Аl-Мо-V. Однако он хорошо поддается деформированию как горячем, так и в холодном состоянии. Изготавливаются из сплава BT16 резьбовые крепежные детали и заклепки, преимущественно, для сферы самолетостроения.
BT6. Тоже высокопрочный сплав, но несколько иной системы: ТІ–6Аl–4V. Совокупность хороших механических качеств позволяет использовать произведенные из него соединительные элементы не только в авиапроме, но для скрепления компонентов медицинского оборудования.
BT3-1. Жаропрочный сплав системы Ті - Аl - Сr - Мо - Fе - Sі. Как правило, подвергается процедуре изотермического отжига., благодаря чему металл становится максимально пластичным и более устойчивым к воздействию высоких температур.
BT1-0. Этот нелегированный сплав применяется для производства высокопрочного крепежа, одно из требований к которому – хорошая пластичность. Кроме того, изготовленные из него соединительные детали с успехом используются в криогенной технике.

Сплав меди

Высокая востребованность медного крепежа обусловлена многими факторами. Главные из них формулируются так:

повышенная устойчивость к воздействию агрессивной внешней среды и процесса коррозии;
хорошая механическая прочность;
отличная теплопроводность;
низкое омическое сопротивление.

Широко применяются медные крепежные детали в строительной сфере. Например, когда настилаются на крышу профлисты, изготовленные из данного металла, использовать для этого нужно такие же гвозди и самонарезающие винты. Если же требуется создать неразъемное соединение медных элементов конструкции, решить эту задачу можно, применяя, например, вытяжные заклепки, произведенные из идентичного сырья.

Различают медь двух видов. Она бывает бескислородной (принято обозначать так: M0). Второй вариант – медь раскиленная (обозначается M1) Отличаются они процентным содержанием кислорода:

в марках M0 – не более 0,001%;
в марках M1 – в пределах 0,01%.

Широкое распространение получили марки M3p, M2p и M1p. Им характерно содержание фосфора до 0,04% и кислорода примерно 0,01%.

splav medi.jpg

Заключение

Выбор вида крепежных деталей определяется поставленной задачей. При этом, материал их изготовления нужно учитывать в первую очередь. Только при корректном подборе будет обеспечена требуемая прочность всей вновь создаваемой конструкции. И экономия здесь не уместна: использование крепежа, неподходящего по эксплуатационным свойствам, может привести к необязательным значительным денежным расходам.