Какие существуют классы прочности нержавеющего крепежа?

Сборку сооружений и машин, работающих в условиях повышенной агрессивности окружающей среды, производят с помощью крепежных изделий, которые длительное время сохраняют прочность и стойкость к коррозионному разрушению. Оптимальным материалом для их изготовления являются нержавеющие стали.

Благодаря низкому содержанию углерода, высокой доле хрома (более 15 %) и никеля (свыше 8 %) такие сплавы превосходят аналоги из черных металлов по коррозионной стойкости и пластичности. Нержавеющие болты, шпильки, винты успешно работают во влажной и химически агрессивной среде. Они устойчивы к высоким (до +425 ⁰С) и низким (до -200 ⁰С) температурам, что необходимо при эксплуатации в различных условиях. Крепеж обладает внешней привлекательностью, широко используется при создании декоративных элементов.

В химическом составе нержавейки, кроме хрома и никеля, в небольших количествах присутствуют углерод, кремний, молибден, фосфор, сера, медь. В зависимости от этого формируется микроструктура и свойства различных марок.

Виды нержавеющих сплавов

Классификация коррозионностойкого материала, применяемого для производства резьбовых крепежных изделий, дана в стандарте ISO 3506-1. По кристаллической структуре сталь делится на три класса:

• Аустенитная — обозначается буквой «А». Подразделяется в зависимости от химического состава на пять марок — от А1 до А5. Микроструктура гранецентрированная кубическая. Формируется добавлением никеля в количестве не менее 5 %. Из-за такого кристаллического строения аустенитные стали не изменяют твердость при термообработке и не магнитятся. В различных марках содержание никеля составляет 5–15 %, хрома—15–20 %. Структура аустенитного сплава сохраняется при плавке из-за небольшого количества углерода (0,08–0,12 %). Хром повышает стойкость к коррозии, а никель придает материалу пластичность.
• Мартенситная — условное обозначение «С». Делится на три марки: С1, С2, С3. Имеет мартенситную микроструктуру, отсюда и название класса. В отличие от аустенитных сталей подвергается закалке и отпуску для изменения твердости и ударной вязкости. Содержание хрома в ней составляет 11,5–18 %, а никеля — не более 2,5 %.
• Ферритная — идентифицируется символом «F1». Микроструктура объемно-центрированная кубическая. Состоит из железа и хрома. Никель в составе сплава практически отсутствует, что придает ему магнитные свойства. Содержание хрома находится в пределах 15–18 %.

Для изготовления нержавеющих болтов, шпилек, винтов чаще всего берут аустенитные марки сталей А2 или А4, либо их аналоги AISI 304 (12Х18Н10) и AISI 316 (03Х17Н14М2).

Таблица 1: свойства нержавеющих сталей

Сплавы марки А2 самые распространенные. Другое их часто используемое название — пищевая нержавейка. Сталь А4 легируется молибденом в количестве 2–3 %, что повышает ее устойчивость к воздействию кислот, а также к точечной и щелевой коррозии. Поэтому эту разновидность называют кислотостойкой нержавейкой.

Как отличить нержавейку от другого металла

Существует несколько способов убедиться в том, что крепеж изготовлен из нержавеющей стали:

• С помощью химических реагентов. Самый простой: готовится 10%-й раствор азотной кислоты в дистиллированной воде. Если на тестируемой поверхности образуются пятна серого цвета, которые просто удалить, то это с большой вероятностью нержавейка. Воздействие азотной кислоты на другие металлы приводит к появлению коррозии.
• Визуально. Нержавеющая сталь отсвечивает синевато-желтым цветом в отличие от других металлов.
• Проверка по искре. Наблюдают за цветом искр при воздействии на тестируемый образец абразивным диском. Нержавейка дает искры с оранжевым оттенком, а не ярко-желтого цвета, присущие углеродистой стали.

Все перечисленные методы имеют право быть, но все они в той или иной степени подвержены субъективному анализу. Лучше всего посмотреть маркировку на метизе. Она наносится на головку болта, гладкую часть шпильки или ее торец, если полностью резьбовая. Маркировка обязательно включает марку стали (А2, А4 и т. п.) и класс прочности метиза.

Классы прочности нержавеющих крепежных изделий

За ответом обратимся к действующему стандарту. Согласно нормативному документу, класс прочности — это десятая часть предела прочности. На него опираются при расчете резьбового соединения из нержавейки. Предел прочности устанавливает величину напряжения в мегапаскалях, при которой стержень шпильки или болта может сломаться. Расчет ведется по расчетному сечению болта.

Аустенитные

Для аустенитных сталей установлено три класса прочности. Они обозначаются числами:

• 50 — пластичная сталь;
• 70 — сплав, полученный методом холодной прокатки;
• 80 — высокопрочная сталь, получена также холодным деформированием и легирована молибденом в количестве до 3 %.

В соответствии с требованиями стандарта на изделие наносится марка стали. Обязательно указывается класс прочности. Эти символы разделяются дефисом. Например, если на болте выдавлено А4-70, то это означает, что он изготовлен методом холодного деформирования из аустенитной стали, химический состав которой соответствует марке А4 и его предел на разрыв равен 700 МПа.

Таблица 2: характеристики крепежа из аустенитной нержавейки

Предел текучести аустенитных метизов не указывается в классе прочности. Это справочная величина в отличие от углеродистых сталей. Данное обстоятельство связано с тем, что нержавеющий металл более пластичен, деформируется плавно. Исключается хрупкое разрушение шпильки или винта при запредельных моментах затяжки или изгиба, как это может быть при углеродном варианте. При самом неблагоприятном исходе сорвет резьбу.

В связи с этим практический интерес представляет сравнение прочностных характеристик этих видов сталей.

Таблица 3

Анализ показывает, что при одинаковой прочности пределы текучести аустенитных металлов ниже. Это подтверждает сказанное выше и требует учета при замене углеродистых моделей метизов на аустенитные.

Мартенситные и ферритные

Стали мартенситного класса делятся на три марки: С1, С3 и С4. Каждой из них соответствует определенный класс прочности по аналогии с аустенитными сплавами:

• С1-50 и С4-50 — пластичные стали.
• С1-70, С1-110, С4-70, С3-80 — сплавы, прошедшие закалку и отпуск.

В группу ферритных моделей входят марки сплавов F1-45 (пластичная) и F1-60 (холоднодеформированная).

Таблица 4

Пример расчета рабочей нагрузки на нержавеющий болт

Какую пользу можно извлечь из информации о классе прочности? Предположим, у нас в руках болт М16. На его головке выдавлена маркировка А4-70. Рассчитаем предельную нагрузку, которую выдержит этот метиз из аустенитной стали.

Формула для вычислений имеет вид:

N_p0,2 = A_snom · R_p0,2, [Н];

где R_p0,2 = 450 МПа — для сплава А4-70 (табл.2);

A_snom = 157 мм² — площадь поперечного сечения стержня болта М16 (табл. 1 ISO 3506-1).

Подставив численные значения в формулу, получим: N_p0,2 =157 · 450 = 70650 [Н].

Для болта с мелким шагом резьбы М16х1,5 значение A_snom = 167 [мм²]. Соответственно предельная нагрузка, выдерживаемая метизом, немного увеличится и составит 75150 [Н].

Полученное значение нужно разделить на коэффициент запаса прочности, назначенного для крепежного узла при проектировании. Для общеупотребительного болта его берут в пределах 2–4.

Применение нержавеющего крепежа

Крепежные изделия из нержавейки демонстрируют превосходную стойкость к нагрузкам и агрессивным средам, обеспечивая значительное увеличение срока службы различных соединений. Их уникальные свойства обуславливают широкое применение в разных отраслях.

В машиностроении нержавеющий крепеж эффективно противостоит статическим, динамическим и циклическим нагрузкам, что важно для долговечности оборудования и механизмов.

Химическая промышленность широко использует эти изделия благодаря высокой коррозионной стойкости к различным кислотам и щелочам. Они применяются в оборудовании, контактирующем с агрессивными веществами.

Фармацевтическая отрасль высоко ценит гигиенические свойства и биосовместимость нержавеющей стали. Крепеж из этого материала устойчив к действию дезинфицирующих средств и экстремальным условиям.

Строительство использует нержавеющие метизы в сооружениях, эксплуатируемых в неблагоприятных климатических и химических условиях. Он обеспечивает надёжное соединение различных материалов.

Добывающая промышленность также широко использует нержавеющий крепеж в оборудовании, работающем в жестких условиях и подверженном значительным механическим и вибрационным нагрузкам. Его стойкость к коррозии в агрессивных средах является ключевым преимуществом.

Пищевая промышленность использует нержавеющий крепеж благодаря его стойкости к коррозии и оптимальному взаимодействию с продуктами и агрессивными средами, гарантируя гигиену и безопасность производственных процессов.