Из чего изготавливаются соединительные гайки: обзор материалов и их свойств

Соединительные гайки – важный элемент крепежных систем. Он подвергается воздействию разных типов нагрузок, вибрации и агрессивных сред. По статистике, 68% случаев разрушения резьбовых соединений связаны с неправильным выбором материала крепежа. Современный рынок предлагает более 15 типов материалов. Они отличаются прочностью, характеристиками и спецификой применения. Поэтому перед тем, как купить крепеж для ответственных конструкций, нужно разобраться в особенностях разных материалов.

Промышленные предприятия и строительные организации, которые закупают крепеж оптом, экономят до 40% бюджета за счет точного подбора материалов под специфику проекта. Качественный крепеж служит в 3-5 раз дольше дешевых аналогов.

Углеродистая сталь: основа массового производства

Углеродистые стали содержат 0,1-1,0% углерода и являются самым распространенным материалом. До 72% всех соединительных гаек производятся из них.

Низкоуглеродистая сталь (Ст3, 10, 20):

• содержание углерода: 0,1-0,25%;
• предел прочности: 380-420 МПа;
• твердость: 110-130 HB;
• себестоимость производства – базовый уровень (100%).

Среднеуглеродистая сталь (35, 45):

• содержание углерода: 0,3-0,5%;
• предел прочности: 530-600 МПа;
• твердость: 140-170 HB;
• себестоимость – +15-20% к базовой.

Высокоуглеродистая сталь (65Г, 70):

• содержание углерода: 0,6-0,85%;
• предел прочности: 650-800 МПа;
• твердость после закалки: 200-250 HB;
• себестоимость: +30-35%.

Знание классификации и состава углеродистых сталей поможет купить крепеж, который соответствует требованиям.

Классы прочности соединительных гаек из углеродистой стали

Международный стандарт ISO 898-2 определяет классы прочности гаек от 4 до 12. Наиболее распространенные:

• Класс 5: минимальная прочность 500 МПа, используется для ненагруженных соединений;
• Класс 8: прочность 800 МПа. Такой крепеж используется в строительстве и машиностроении;
• Класс 10: прочность 1000 МПа. Такие гайки используются в высоконагруженных узлах;
• Класс 12: прочность 1200 МПа позволяет выдерживать экстремальные нагрузки.

Преимущества соединительных гаек из низкоуглеродистой стали:

• доступная цена (в 4-8 раз дешевле легированных аналогов);
• легко обрабатываются;
• возможна дополнительная термообработки для повышения прочности.

Но у крепежа из низкоуглеродистой стали есть и недостатки. К ним относится низкая коррозионная стойкость (нужно защитное покрытие), ограниченная рабочая температура (зачастую до +300°C).

Легированные стали: сочетание прочности и специальных свойств

Хромистая сталь 40Х содержит 0,8-1,1% хрома, у нее следующие характеристики:

• предел прочности: 900-1100 МПа;
• прокаливаемость: до 25 мм;
• диапазон рабочих температур от -40°C до +400°C.

Крепеж из этого материала используется в автомобильной промышленности и станкостроении.

30ХГСА (хромокремнемарганцевая) сталь содержит Cr, Mn, Si, у нее следующие характеристики:

• предел прочности: 1300-1500 МПа;
• ударная вязкость: 80-100 Дж/см²;
• твердость: 28-35 HRC.

Соединительные гайки из такой стали используются в авиации и высоконагруженных узлах.

Аустенитная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т или классическая нержавейка с титановой стабилизацией содержит 17-19% хрома и 9-11% никеля. Отличается высокой коррозионной стойкостью. Диапазон ее рабочих температур варьируется от -196°C до +600°C.

Крепеж из легированных сталей прочнее на 40-80% аналогов из углеродистых материалов. Он сохраняет свойства при низких температурах, выдерживает воздействие агрессивных сред. В нормальных условиях срок службы такого крепежа превышает 30 лет.

К недостаткам гаек из легированных сталей относят высокую стоимость, сложность механической обработки, требовательность к условиям термообработки. Но минусы окупаются прочностью, устойчивостью к воздействию агрессивных сред и длительном сроком службы.

Нержавеющие стали: коррозионная стойкость

Соединительные гайки изготавливаются из аустенитных сталей серии А2 и А4. А2 (304, 08Х18Н10) обладает следующими характеристиками:

• хром: 17-19%, никель: 8-10,5%;
• предел прочности: 500-700 МПа;
• высокая устойчивость к атмосферной коррозии;
• немагнитная.

У серии А4 (316, 08Х17Н13М2), которая содержит 2-3% молибдена, предел прочности составляет 520-750 МПа. Она отличается высокой устойчивостью к хлоридам и морской воде. Крепеж из такой стали применяется в химической промышленности и в судостроении.

Для изготовления крепежа используются ферритные стали (А1) на основе хрома без никеля. У них такие характеристики:

• предел прочности: 450-600 МПа;
• магнитные;
• умеренная коррозионная стойкость.

Мартенситные или закаливаемые нержавеющие стали обладают следующими свойствами:

• твердость: до 55 HRC
• предел прочности: до 1900 МПа
• коррозионная стойкость ниже, чем у аустенитной стали.

Из мартенситной стали изготавливается режущий инструмент, крепеж, который подвергается высоким нагрузкам.

Сравнение коррозионной стойкости:

• А4 в морской воде: потеря массы 0,01-0,05 мм/год;
• А2 в промышленной атмосфере: 0,02-0,08 мм/год;
• Углеродистая сталь без покрытия: 0,5-2,0 мм/год.

Перед тем, как купить крепеж, необходимо определить требования к нему с учетом особенности эксплуатации конструкций, изделий, деталей.

Цветные металлы и сплавы

Латунь (CuZn37, CuZn39Pb3) сплав меди (содержание меди: 58-63%) с цинком также используется для изготовления соединительных гаек. У этого материала такие характеристики:

• предел прочности: 320-450 МПа;
• плотность: 8,4-8,7 г/см³;
• высокая коррозионная стойкость в пресной воде.

Латунь отличается эстетичным видом, обладает следующими преимуществами:

• хорошо обрабатывается;
• немагнитная;
• искробезопасная.

Но у латуни есть и недостатки. К ним относится склонность к растрескиванию под напряжением в аммиачной среде, низкая прочность по сравнению со сталью и высокая цена.

Бронза (БрАЖ9-4, БрОЦС5-5-5)

Это сплавы меди с оловом, алюминием или другими элементами, которые обладают следующими свойствами:

• предел прочности: 400-700 МПа;
• высокой износостойкостью;
• высокой коррозионной стойкостью в морской воде;
• диапазон рабочих температур варьируется от -250°C до +250°C.

Крепеж из бронзы используется в судостроении, химическом оборудовании, электротехнике.

Алюминиевые сплавы (Д16, В95)

Соединительные гайки изготавливаются из алюминиевых сплавов со следующими характеристиками:

• плотность: 2,7-2,85 г/см³ (в 3 раза легче стали);
• предел прочности после упрочнения: 450-650 МПа;
• температурное расширение в 2 раза выше стали;
• электропроводность – 60% от показателей меди.

Крепеж из алюминиевых сплавов используется в авиации, космической технике, транспорте (но достаточно редко).

Титановые сплавы (ВТ1-0, ВТ6)

Эти материалы обладают такими характеристиками:

• плотность: 4,5 г/см³;
• предел прочности: 800-1200 МПа;
• Удельная прочность максимальная среди конструкционных материалов;
• высокая коррозионная стойкость.

Крепеж из титановых сплавов востребован в медицине (из-за биосовместимости), авиации, химической промышленности.

Специальные материалы для экстремальных условий

Для производства соединительных гаек используются харопрочные никелевые сплавы, например, ХН77ТЮР (Инконель 718) с содержанием никеля 50-55%. Он выдерживает температуру до +700°C, предел прочности при 650°C составляет 700 МПа. Гайки из такого сплава используются для производства газотурбинных двигателей, в энергетике.

Крепеж для экстремальных условий эксплуатации изготавливается из сплава ХН80ТБЮ. Он выдерживает температуру до +850°C, сохраняет массу при окислении. Изделия из этого сплава применяются в производстве печного оборудования, теплообменников.

Криогенная сталь 08Х18Н10Т-ВД выдерживает температуру до -269°C (жидкий гелий). Ее ударная вязкость при -196°C не менее 120 Дж/см². Используется в криогенной технике, газовой промышленности.

Для ответственных конструкций рекомендуется использовать сертифицированный крепеж с подтвержденными механическими свойствами и прослеживаемостью производства. Затраты качественный крепеж окупается за счет снижения расходов на его обслуживание и замену, повышение надежности и безопасности конструкций.