Особенности стали для производства гаек

О чем речь? Подходящая сталь для гаек должна обладать отличными физическими и механическими свойствами, благодаря которым метиз можно использовать в самых сложных условиях.

Какая? Сталь, используемая для производства гаек, подходит для разных категорий и марок. Применение конкретного вида регламентируется ГОСТами, а также сферой деятельности, для которой производится крепеж.

Использование стали для производства гаек

Крепежные изделия – это детали для неподвижного соединения частей машин и конструкций, выполненные в первую очередь из стали, например, гайки, болты, шайбы, винты, шурупы, глухари, шпильки, штифты, шплинты и заклепки.

Фото: nomadsoul1 / Freepik

Существует общепринятая классификация крепежей:

1. Общепромышленный: применяется почти во всех отраслях, ему не присущи особые характеристики.
2. Крепеж специального назначения: он, наоборот, узкоспециализированный. Например, автомобильный или железнодорожный.

Гайка представляет собой деталь винтовой передачи или резьбового соединения с отверстием, оснащенным резьбой. Ее накручивают на крайнюю часть шпильки, болта или резьбовой участок вала, оси для фиксации от осевого смещения закрепленных на них частей – шкивов, подшипников качения и т. д.

В основе выбора крепежных элементов, в том числе гаек, болтов и прочих, лежит прочность резьбового соединения. Такие изделия — шпильки, болты, шайбы и гайки – изготавливают из разных видов стали и сплавов особых классов прочности. Чаще всего для производства выбирают углеродистые – легированные и нет.

Высокая твердость сплава достигается путем добавления углерода. Маркировка стали обязательна. В отличие от нелегированных, легированные содержат элементы, вводимые в сплав намеренно с целью достижения определенных механических и физических свойств. Большинство марок стали с основными характеристиками перечислены в ГОСТ 1759.4-87. Кроме того, есть много аналогов в международных национальных стандартах:

• AISI (США);
• BS (Великобритания);
• GB (Китай);
• DIN (Германия);
• EN (Европа);

Читайте также

«Виды резьбовых соединений: какие и где используются»

Подробнее

• JIS (Япония);
• INI (Италия).

В условиях жестких требований к характеристикам соединений по прочности, устойчивости к коррозии и воздействию температур, в изготовлении крепежных изделий выбирают жаро- и высокопрочные металлы.

Категории стали для гаек

Категории стали для болтов и гаек, иных крепежных изделий указаны в ГОСТ 20700-75. Согласно документу, они должны выбираться в зависимости от расчетной температуры металла и разделяются по качеству на:

• Категорию I – углеродистые стали с техническими требованиями к изделиям общего назначения класса точности В с номинальным диаметром резьбы до 48 мм и расчетной температурой металла изделия до 200 °С.
• Категорию II – углеродистые стали, применяемые для болтов, шпилек, пробок, хомутов и гаек класса точности А с номинальным диаметром резьбы до 48 мм и шайб всех размеров с расчетной температурой металла изделия до 300 °С. Углеродистые стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-94, поставляемые с контролем ударной вязкости после механического старения, для изделий класса точности А с предельными параметрами (по ГОСТ 20700-75).

Фото: kos-51 / Freepik

• Категорию III – качественные углеродистые стали в улучшенном состоянии, применяемые для болтов, шпилек, пробок, хомутов и гаек всех размеров с расчетной температурой металла изделия до 400 °С в случаях, если температура отпуска выше данной не менее чем на 100 °С. Допускается применение сталей III категории до расчетной температуры металла 425 °С при наличии данных по длительной прочности при соответствующей расчетной температуре.
• Категорию IV – теплоустойчивые, жаропрочные легированные стали в термически обработанном состоянии, применяемые для крепежных изделий всех размеров с расчетной температурой металла изделия не более температуры среды (по ГОСТ 20700-75) в случаях, если температура отпуска выше данной не менее чем на 100 °С, а последняя ступень старения для сплавов выше этой температуры не менее чем на 50 °С.

Условия должны отвечать всем принятым в данной отрасли нормам и правилам устройства и безопасной эксплуатации («Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды», «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и водогрейных котлов»).

[sgInset53]

Марки стали для гаек

Сталь 12 Х18 Н10Т

В нержавеющей стали12 Х18 Н10Т (ГОСТ 5632-72; DIN X12 CrNiTi 18-9; EN 1.4878) содержится до 19 % хрома, 11 % никеля и 0,8 % титана.

Наличие достаточных включений никеля позволяет получить хорошие аустенитные характеристики стали и сопротивление агрессивным химическим средам. Титан сводит к нулю риски межкристаллитной коррозии, увеличивает ударную вязкость и пластичность металла. Уникальное сочетание прочностных и нержавеющих свойств дает возможность изготавливать из сплава 12 Х18 Н10Т долговечные надежные крепежные изделия разнопланового применения. Отличный вариант стали для изготовления гаек.

Сталь 25Х1МФ

Жаропрочная релаксационностойкая сталь 25Х1МФ (ГОСТ 20072-74; DIN 24CrMoV55; AISI A193B14; GB 25CrMoVA) применяется в производстве крепежа, который работает при температуре от -40 до 500 °С и характеризуется:

• длительным сроком эксплуатации;
• отсутствием конструктивной хрупкости;
• самопроизвольным снижением механических напряжений;

Читайте также

«Что такое метизы и где их применяют»

Подробнее

• упругой кристаллической решеткой;
• превосходными закалочными свойствами.

Легирующие включения никеля, марганца и хрома в составе марки стали для болтов и гаек, иных крепежей 25Х1МФ позволяют придать металлу высокую механическую прочность и устойчивость к корродирующим разрушениям.

Сталь 08Х18Н10 (А2)

Сталь 08Х18Н10 – жаропрочная (ГОСТ 5632-72; DIN X5CrNi18-10; AISI 304; EN 1.4301), в ней содержится 9–11 % никеля, 17–19 % хрома. Этот вид стали для гаек удачно сочетает в себе:

• механическую прочность;
• устойчивость к нагрузкам;
• стойкость к коррозии;
• простоту обработки;

Фото: outkastdesign / Freepik

• немагнитность;
• экологичность.

Опытные пользователи знакомы с данным видом аустенитной стали под маркировкой А2. Эта марка известна тем, что способна сохранять прочностные свойства при температуре до 425 °С и обширно применяется для выпуска широкого перечня крепежных изделий.

Сталь 10Х17Н13М12 (А4)

В составе аустенитной легированной стали для гайки 10Х17Н13М12 (ГОСТ 5632-72; DIN X5 CrNiMo18-10; AISI 316; EN 1.4401) имеются значительные включения хрома и никеля. Благодаря этому удалось достичь высокой устойчивости металла к воздействию коррозийных разрушений. Добавление молибдена (до 3 %) придало стали стойкость к щелочам, кислотам и хлору. Нержавеющая хромоникелевая сталь 10Х17Н13М12 обычно обозначается как А4, ей свойственны высокие показатели прочности, долгий срок службы, легкость в обработке и возможность использования в диапазоне температур от -60 до 450 °С.

Сталь 40Х

Еще одна марка стали для гайки – конструкционная легированная сталь 40Х (ГОСТ 4543-71; DIN 41Cr4; ASI 5140) предполагает большие нагрузки, не поддается разрушению и дает возможность производить высокопрочные метизы.

Сталь 40Х отлично поддается термообработке, это повышает ее прочность и позволяет изготавливать крепежи для долговечных и ответственных соединений.

Классы прочности и марки стали для высоких гаек

Класс прочности для болт – шпилька – винт из углеродистых сталей принято обозначать двумя цифрами через точку. Принятый прочностной ряд для болт – шпилька – винт из углеродистых сталей включает 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

Начальная цифра маркировки класса прочности болта обозначает 0,01 часть номинального временного сопротивления — это предел прочности на растяжение — его измеряют в МПа (мегапаскалях) или Н/мм² (ньютонах на миллиметр квадратный). Также эта цифра маркировки класса прочности обозначает ≈0,1 часть номинального временного сопротивления, если измеряется предел прочности на растяжение в кгс/мм² (килограммах-силах на миллиметр квадратный).

Читайте также

«Резьбовые шпильки: технологии изготовления, виды, параметры»

Подробнее

Класс прочности для гаек из углеродистых сталей:

• нормальной высоты (Н ≈ 0,8 d);
• высоких (Н ≈ 1,2 d);
• особо высоких (Н ≈ 1,5 d).

обозначают одним числом. В утвержденном прочностном ряду есть семь классов: 4; 5; 6; 8; 9; 10; 12. Это число обозначает 1/100 часть предела прочности болта, в паре с которым гайка компонуется в резьбовом соединении. Это сочетание гайки и болта называют рекомендуемым, благодаря ему нагрузка в резьбовом соединении распределена максимально равномерно.

Так, гайка класса прочности 8 должна соединяться с болтом, предел прочности которого не менее:

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

То есть применять можно болты классов прочности 8.8; 9.8; 10.9; 12.9. Наиболее подходящим будет сочетание с болтом класса прочности 8.8.

Класс прочности	Марка стали для болтов и гаек	Граница прочности, МПа	Твердость по Бринеллю, HB
4	Ст3кп, Ст3сп, Ст.5, Ст.5кп, Ст.20	510	112…288
5	Ст.10, Ст.10кп, Ст.20, Ст.20кп	520…630	124…288
6	Ст.10, Ст.10кп, Ст.20, Ст.20кп, Ст.35, ст.45, ст.40Х	600…720	138…288
8	Ст.35, Ст.45, Ст.20Г2Р, Ст.40Х	800…920	162…288
9	Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.45, Ст.40Х	1040…1060	180…288
10	Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.45, Ст.40Х, Ст.30ХГСА, Ст.40ХНМА	900…920	260…335
12	Ст.30ХГСА, Ст.40ХНМА	1150…1200	280…335

При подборе гаек к болтам важно придерживаться правила сохранения целостности резьбы гайки, которая навинчена на болт при приложении пробной испытательной нагрузки. Иначе говоря, в ходе испытаний гайку не должно сорвать от испытательной нагрузки с выбранным болтом.

Подбирая класс прочности гаек и болтов для сопряжения, рекомендуется руководствоваться следующей таблицей согласно ГОСТ 1759.4-87:

Класс прочности гайки	Сопрягаемые болты
	Класс прочности	Диаметр резьбы
4	3.6; 4.6; 4.8	до М16
5	3.6; 4.6; 4,8	свыше M16
	5.6; 5.8	до М48
6	4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.6; 6.8	до М48
8	8.8	до М48
9	8.8	от М16 до М48
	9.8	до M16
10	10.9	до М48
12	12.9	до М48

Классы прочности и марки стали для низких гаек

Ввиду того, что низкие шестигранные гайки используются, как правило, для препятствия отвинчиванию сопрягаемых крепежей нормальной или увеличенной высоты, и не несут силовой нагрузки – для их изготовления выбирают низкоуглеродистые стали.

Класс прочности низкой гайки обозначают числом из двух цифр: первая – 0 (обозначает, что гайка не предназначена для несения силовой нагрузки), вторая 4 или 5 (обозначает 1/100 часть нагрузки, при которой срывается резьба гайки).

Фото: youranedopekin / Freepik

В прочностной ряд для низких гаек входят два класса прочности: 04 и 05.

Кроме того, имеется группа особо низких гаек с высотой Н менее 0,5 d. В нее входят изделия для легких соединений, для которых не предусмотрено использование в условиях особой нагрузки.

Класс прочности для них не определяется – взамен может быть обозначена 1/10 часть от минимальной твердости по Виккерсу, HV.

Данная таблица содержит сведения о марках стали для низких гаек:

Класс прочности	Марка стали	Граница прочности, МПа	Твердость по Бринеллю, HB
04	Ст.3, Ст.3кп, Ст.5, Ст.5кп	380	162…288
05	Ст.10, Ст.10кп	500	260…335

Высокопрочные болты узкоотраслевого применения имеют свою градацию прочности. Совместно с ними используют соответствующие высокопрочные гайки. Так, к мостовым болтам по ГОСТ 22353-77 и ГОСТ Р 52644-2006 подбирают гайки увеличенного размера под ключ согласно стандартам ГОСТ 22354-77 и ГОСТ Р 52645-2006. Значение прочности гаек по этим стандартам соответствует значению сопрягаемого болта, а именно значению временного сопротивления на разрыв (границы прочности) в кгс/см²: 110, 95, 75 и т. д.

Подобные болты и гайки могут быть исполнены в двух вариациях:

1. У – актуально в климатических зонах с максимально низкой температурой до -400 °С. В маркировке буква «У» не обозначается.
2. ХЛ – применяют в условиях с максимально низкой температурой от -400 до -650 °С. Указывается в маркировке в области головки болта, следом за классом прочности.

Особенности стали для гаек в разных сферах эксплуатации

Крепеж из углеродистой стали

Применяется для производства крепежей, подразумевающих прочные и долговечные соединения.

Основным сырьем становятся легированные и низкоуглеродные стали. Когда углерода слишком много, металл теряет прочность, а это не отвечает целям ни одной из отраслей промышленности.

Нержавеющий крепеж из мартенситных, аустенитных, и коррозионностойких нержавеющих сталей

Он особенно актуален для создания сложных и прочных, устойчивых к вибрациям соединений и конструкций, эксплуатация которых происходит в агрессивных средах. Для него характерно высокое содержание легирующих соединений – никеля, титана, хрома, кобальта и ниобия.

Крепеж устойчив к коррозии и деформации вследствие температурных перепадов. Благодаря хрому сплав становится прочным и твердым, никель помогает выдержать коррозийное воздействие. За счет кобальта достигается хорошая жаропрочность и ударное сопротивление, а добавление ниобия способствует устойчивости к кислотам и коррозии.

• Для агрессивных сред (химические производства) — 12Х17, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 10Х17Н13М2Т.
• Для высокотемпературных условий — 2Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 08Х18Н10, 10Х11Н23Т3МР, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 18Х12ВМБФР.

Читайте также

«Типы фундаментных болтов и материалы изготовления»

Подробнее

• Для условий с пониженной температурой — 09Г2С, 20ХН3А, 12Х18Н10Т.
• Для высоких динамических и статистических нагрузок — 35Х, 40Х, 20ХН3А, 38ХС.
• Для фланцевых соединений — 30ХМА, 40Х, 40ХМФА, 25Х1МФ, 20Х1М1Ф1ТР, 20Х1М1Ф1БР, 45Х14Н14В2М.
• Для условий с повышенной влажностью (антикоррозийные свойства) — 20Х13, 14Х17Н2, 20Х17Н2, 08Х18Н10Т, 06ХН28МДТ, 10Х17Н13М2Т.

Желаемые свойства крепежа достигаются не только за счет выбора подходящей марки стали для гаек и болтов, но и благодаря нанесению соответствующего защитного покрытия на металлическую поверхность.

Часто задаваемые вопросы о стали для гаек

Как маркируют гайки из нержавеющей стали?

Крепежи из нее имеют особую отметку. Так, в А2-70: А-2 – это марка стали, а 70 означает предел прочности.

Фото: youranedopekin / Freepik

Для вычисления предела прочности нужно указанное значение умножить на 10: получим 700 МПа (что соответствует классу прочности крепежа из углеродистой стали 5.6).

В чем плюсы применения нержавеющей стали для гаек в агрессивных средах?

Для этих сплавов характерны высокие показатели коррозиеустойчивости. Это важная характеристика, когда речь идет об использовании крепежа вблизи источников влаги или химических реагентов. Такая сталь прослужит долго без потери механических свойств, а значит, крепежное соединение будет исправно длительный промежуток времени. Преимуществом для некоторых областей также станет эстетичный внешний вид нержавеющих гаек.

Почему при производстве гаек важен учет термообработки стали?

За счет термической обработки сплав приобретает улучшенные механические свойства – прочность, твердость и пластичность.

Грамотный подход к термообработке позволяет прийти к оптимальному балансу нужных для конкретных условий эксплуатации свойств изделия.

Сталь для изготовления гаек может быть разной, для каждой марки характерен особый набор уникальных параметров. Что выбрать – зависит от того, какие требуются показатели прочности, коррозиеустойчивости, в каких условиях планируется эксплуатировать изделие. Благодаря правильной термообработке сталь приобретает нужные механические характеристики и крепежные изделия служат долго.

Изображение в шапке статьи: mediasoulstudio / Freepik