Высокопрочные болты

Высокопрочные болты

Для уменьшения габаритов резьбовых соединений могут использоваться высокопрочные болты с σв = 1200 ... 2100 МПа, изготовленные из легированной стали и прошедшие специальную термообработку. Термообработка проводится под тщательным контролем. После этого поверхности болтов подвергают кадмированию и полированию для уменьшения влияния на прочность болта поверхностных дефектов и понижения водородной хрупкости болта.

Изготовленные из конструкционной стали болты делят на:

• Высокопрочные (σв= 1100 ... 1600 МПа)
• Сверхвысокопрочные (σв = 1800 ... 2100 МПа)

Высокопрочные болты (σв= 1100 ... 1600 МПа)

Болты высокопрочные предназначены для эксплуатации при больших осевых нагрузках. Они устанавливаются в отверстия соединяемых конструктивных частей с зазором и затягиваются до напряжения затяжки σ0 = (0,7 ... 0,8) σт.

Болты имеющие σв = 1100 ... 1400 МПа рассчитаны на работу при повышенной температуре (до +400 °С ) и при значительных переменных нагрузках.

Высокопрочные стальные болты  с σв = 1400 ... 1600 МПа весьма широко применяют в соединениях, требующих создания больших затягивающих усилий. Их часто используют вместо заклепок.

Табл. 5.4

Высокопрочные механические стали. Механические свойства.

Болты сверхвысокопрочные (σв = 1800 ... 2100 МПа)

Болты  сверхвысокопрочные с σв = 1800 ... 2100 МПа используют в основном при работе на срез. Для болтов данного класса допустимы  кратковременные  скручивающие напряжения  (при затяжке соединения) не выше 400 МПа, а кратковременные напряжения растяжения не более 1000 МПа.

При сборке соединения сверхпрочные и высокопрочные болты нужно обязательно  устанавливать без перекосов под головкой болта или гайкой. Это связано с высокой чувствительностью болтов из высокопрочных конструкционных сортов стали к концентрациям напряжения в различных точках. Поэтому при проектировании конструкции болтов все переходы при изменении сечения выполняются с максимальными радиусами закругления. Это особенно важно в месте перехода гладкой части стержня болта в головку.

При изготовлении высокопрочных болтов выполняют проточки сразу за участком болта с резьбой. У сверхвысокопрочных болтов также делаются проточки возле головки. Данные проточки предназначены для снятия концентраций  напряжения в болтах. Резьбу в болтах также нужно нарезать с минимально гарантированным радиусом впадины.

При изготовлении болтов также используются коррозийно-стойкие высокопрочные стали марок 1Х15Н4АМЗ-Ш и 07Х16Н6, имеющие после воздушной закалки при температурах растворения карбидов  (1000-1050 С ) аустенитную структуру. Упрочнение структуры болта происходит в процессе обработки холодом, в ходе которого примерно 80 процентов аустенита заменяется мартенситом.

Болты из стали  1Х15Н4АМЗ-Ш и 07Х16Н6, очень прочны и устойчивы к коррозии. По таким параметрам, как пластичность и ударная вязкость они значительно превосходят болты из конструкционной стали. Особенно стоит отметить сталь 07Х16Н6, сохраняющие свою пластичность  (δ > 20 %)  и ударную вязкость (σн = 80 ... 100 Дж/см2)  при отрицательных температурах до -196 °С, в то время высокопрочная конструкционная сталь, используемая для изготовления болтов имеет ударную вязкость не выше 15 ... 20 Дж/см2. Высокая пластичность и ударная вязкость  марок 1Х15Н4АМЗ-Ш и 07Х16Н6 позволяют их применять болты из нее в соединениях, подверженных повышенным динамическим нагрузкам. Болты из стали 1Х15Н4АМЗ-Ш и 07Х16Н6  используются также в конструкциях, которые нагружены в плоскости стыка, в соединениях, где болты подвержены нагрузкам на срез. Сопротивление срезу у них не меньше  tв = 1000  и 875 МПа  соответственно. Отметим, что у болтов из высокопрочной конструкционной стали 30ХГСНА сопротивление срезу равно 960 Мпа

Рис. 5.4. Болт из высокопрочной стали

Рис. 5.5. Зависимость механических характеристик болтов (σв) и стандартных образцов из стали 07Х16Н6 (σв, σт) от температуры испытаний

Благодаря высокой ударной вязкости и повышенной пластичности, болты из стали  1Х15Н4АМЗ-Ш и 07Х16Н6 не боятся перекосов и возникающих концентраций напряжений. Поэтому при их конструировании нет надобности в разработки каких либо конструктивных мероприятий, направленных на снижение концентраций напряжения. Поэтому болты из стали  1Х15Н4АМЗ-Ш и 07Х16Н6 проще в изготовлении.

Достоинством болтов из стали 07Х16Н6 и 1Х15Н4АМЗ-Ш является и их способность сохранять высокую прочность при повышенных температурах до t = 500 °С (рис. 5.5) и значительное более высокое сопротивление усталости. По этим параметрам они значительно превосходят высокопрочные болты из других сортов коррозийно-стойкой конструкционной стали.

Технология изготовления болтов из сталей 07X16Н6 и 1Х15Н4АМЗ-Ш:

• Изготавливается заготовка с головкой
• Заготовка проходит полную термическую обработку
• Нарезается резьба
• Готовый болт отпускается при температуре t = 400 °С

Титановые и бериллиевые болты

Титановые и бериллиевые болты  нашли широкое применение в конструкциях, к которым предъявляются весьма жесткие требования по габаритам, прочности, массе.

Титановые болты

Сплавы из титана с плотностью около  4,5 г/см8 обладают отличными механическими характеристиками. В таблице приведены механические характеристики сплавов из титана, используемых для изготовления болтов.

Табл. 5.5

Характеристики (механические) титановых сплавов, которые используются для производства болтов

Сплавы ВТЗ—1, ВТ16, ВТ5, ВТ9 нашли применение для изготовления соединительных шпилек болтов взамен сталей 30ХГНА, 38ХА и 40ХН2МА, ЗОХГСА. Титановые болты обладают после термообработки свойствами, аналогичными свойствам конструктивных сталей.

Преимущества титановых болтов по сравнению со стальными:

• Имеют меньший вес.
• Выше прочность при работе на срез.
• Выше в 2 раза коэффициент упругого удлинения (благотворно сказывается на качестве затяжки).
• Малочувствительны  к перекосам при затяжке.
• Не склонны к замедленному хрупкому разрушению.
• Обладают высокой коррозийной устойчивостью и могут использоваться в большинстве агрессивных сред.
• Могут работать при высоких температурах до 550 °С. (Болты из сплава ВТ16 до 550 °С  и до до 700 °С кратковременно).

Недостатком титановых болтов является их чувствительность к остаточным напряжениям растяжения. Поэтому их нельзя использовать в соединениях, подверженных знакопеременным динамическим нагрузкам.

Бериллиевые болты

Бериллиевые болты изготавливаются из сплава бериллия с алюминием. Механические свойства бериллиевого сплава приведены в таблице

Табл. 5.6

Нагрузка разрушения, кН, для болтов, которые изготовлены из легированной стали и титановых сплавов

Преимущества бериллиевых болтов:

• В 2,2 раза легче титановых и в 4 раза легче стальных
• Выше в 1,5…2 раза удельная прочность по сравнению с болтами из стали и титана при статических нагрузках
• В 10 раз выше долговечность по сравнению с болтами из стали и титана при динамических знакопеременных нагрузках

Недостатки бериллиевых болтов:

• Бериллиевая пыль токсична
• Чувствительны к качеству поверхности и концентрациям напряжения (требуют тщательного проектирования и изготовления)
• Ниже прочность