Бабушкин В.М., старший научный сотрудник ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова»
Гук В.О., технический директор ООО «Болт.ру»

Cтандартизация и производство резьбовых крепёжных изделий под горячее цинкование

Цинковые покрытия для резьбовых высокопрочных крепежных изделий.

Длительный, начиная с 50-х годов прошлого века, опыт применения высокопрочных болтов в строительстве показал их высокую эксплуатационную надежность, но ограниченную прогнозируемую долговечность, составляющую 40-50 лет.

Высокопрочные болты поставляются специализированными заводами, как правило, без покрытия, а в редких случаях с гальваническим цинковым или кадмиевым покрытием. Долговечность болтов, а следовательно и соединений м/к промышленных зданий и сооружений можно существенно повысить за счет нанесения на крепежные изделия металлизационного цинкового покрытия как традиционно известным гальваническим, так и горячим или термодиффузионным методами. Каждый из этих методов имеет свои присущие ему преимущества и недостатки. Так гальванический метод не рекомендуется применять для изделий с пределом прочности свыше 140 кгс/мм² во избежание возможного проникновения в микротрещины металла свободного атомарного водорода, способствующего замедленному хрупкому разрушению при высоких уровнях натяжения болтов. Термодиффузионный метод нанесения цинкового покрытия (ТДЦ) осуществляется нагревом изделий до температуры 430°–480°С с выдержкой 1–2 часа. При такой температуре изделия с прочностью свыше 140 кгс/мм² (например пружинные шайбы из стали 65Г или саморезы) могут ухудшить свои эксплуатационные свойства в результате снижения их твердости и прочности. При горячем методе возникает проблема удаления цинка из межвиткового пространства резьбы болтов и особенно гаек.

Высокопрочные болты для несущих м/к в основном применяются из стали 40Х классов прочности 8.8 и 10.9 с пределом прочности не более 1274 Н/мм² (130 кгс/мм²). Указанная прочность достигается закалкой и отпуском при температуре 430°–480°С, что хорошо корреспондируется с температурным режимом нанесения горячего или ТДЦ покрытия.

Для резьбовых соединений одним из важнейших показателей, определяющих их долговечность, является толщина покрытия, ограничиваемая численными значениями основных отклонений диаметров наружной и внутренней резьбы.

 

Расчет максимальной толщины защитного металлического покрытия болтов и гаек с крупным шагом резьбы и полями допусков 6g для болтов и 6Н для гаек.

В соответствии с ГОСТ 16093-2004 предельные отклонения резьбы не должны превышать указанных в нем отклонений как до нанесения, так и после нанесения покрытия. После нанесения покрытия предельные отклонения резьбы не должны выходить за пределы, определяемые номинальным профилем резьбы и соответствующие основным отклонениям h – для наружной резьбы и Н - для внутренней резьбы.

Максимальные толщины покрытий, обеспечивающие гарантированное свинчивание резьбы болтов и гаек и регламентированные величины основных отклонений полей допусков средних диаметров es для болтов и EI для гаек, приведены в таблице.

Максимальная толщина покрытия болтов М24 с основным отклонением резьбы d составит 28 мкм.

Максимальные толщины покрытия наружной резьбы t_н и внутренней резьбы t_в определены по формулам t_н ≤ es/2 • sin30° для наружной резьбы, t_в ≤ EI/2 • sin30° для внутренней резьбы.

Как видно из таблицы, для гаек, поставляемых по ГОСТ Р 52645-2006 с полем допуска резьбы 6Н основное отклонение среднего диаметра резьбы равно 0, поэтому наличие покрытия на резьбе гаек не допускается, либо требует его удаления механическим способом (метчиками или другими способами, исключающими изменение профиля резьбы). Для обеспечения возможности нанесения покрытия на резьбу гаек, необходимо увеличить поле допуска посредством установления основных отклонений G, F или Е.

Максимальная толщина покрытия резьбы болтов с полем допуска 6g, в соответствии с ГОСТ 16093-2004, определяется по формуле t_п = es/4 и составляет для болтов М24 t = 48/4 = 12 мкм. При большей толщине покрытия, или при установке совместно с гайками без покрытия, изготовленными с полем допуска 6Н, высока вероятность не свинчивания резьбы болтов и гаек. При нанесении покрытия на болты с полем допуска 6g и гаек 6Н, толщина покрытия для болтов и гаек М24 составит 6мкм.

Максимальная толщина покрытия болтов с полем допуска 6g и гаек 6Н может быть увеличена до 9 мкм за счет замещения цинком части поля допуска среднего диаметра наружной резьбы, но при этом вероятность не свинчивания резьбы болтов и гаек увеличится до 3,5%, то есть до 35 шт. из 1000 шт. изделий. Проведение дополнительной операции по комплектованию болтов и гаек позволит повысить вероятность свинчивания изделий до 98%, а после прогонки резьбы оставшихся гаек метчиками, до 100%.

Диаметр резьбы, мм	Шаг резьбы, мм	Основные отклонения средних диаметров резьбы по ГОСТ 16093-2004, мкм			Максимальная толщина покрытия t при сочетании основных отклонений и полей допусков резьбы болтов и гаек
		болты 6g	гайки		болты 6g гайки 6G	болты 6g гайки 6Н	болты 6f гайки 6F	болты 6e гайки 6E
			6Н	6G
		es	EI
12	1,75	34	0	34	8,5	4,3	12,0	17,8
16	2,00	38	0	38	9,5	4,8	13,0	17,8
20	2,50	42	0	42	10,5	5,3	14,5	20,0
22	2,50	42	0	42	10,5	5,3	14,5	20,0
24	3,00	48	0	48	12,0	6,0	15,8	21,3
27	3,00	48	0	48	12,0	6,0	15,8	21,3
30	3,50	53	0	53	13,3	6,7	-	22,5
36	4,00	60	0	60	15,0	7,5	-	23,8
42	4,50	63	0	63	15,8	7,9	-	25,0
48	5,00	71	0	71	17,0	8,5	-	26,5

 

Требования к крепежным изделиям с увеличенными полями допусков основных отклонений профиля резьбы.

При комплектовании болтов с полем допуска 6g гайками с полем допуска 6G толщина покрытия увеличится в два раза и составит 12 мкм. Для более значительных толщин покрытий необходимо применять резьбу с основными отклонениями f, е или d для болтов и G, F или Е для гаек.

Применение основных отклонений диаметров наружной и внутренней резьбы, отличных от 6g и 6H, потребует изменения существующих или разработки новых стандартов на высокопрочные болты и гайки с горячим цинковым покрытием, так как стандартами на болты и гайки основные отклонения e, f и d для наружной и G, E и F для внутренней резьбы не предусмотрены.

Нанесение покрытий большой толщины, за счет удаления верхних слоев профиля резьбы при дробеструйной обработке поверхностей, как это делается при термодиффузионном цинковании, или применения увеличенных полей допусков основных отклонений с замещением их слоями цинка, в силу его меньшей прочности может способствовать ослаблению резьбовой пары при натяжении высокопрочных болтов на расчетное усилие и возможному срезу резьбы, что потребует проведения экспериментальных исследований по установлению прочностных характеристик резьбовой пары «болт-гайка»

Контролировать состояние резьбы необходимо как до цинкования соответствующими калибрами, так и после нанесения покрытия проходными калибрами с основным отклонением h.

В случае, если изготовление и нанесение покрытий осуществляется различными предприятиями, то после нанесения покрытия необходимо проводить весь комплекс приемо-сдаточных испытаний, предусмотренных стандартами на болты и гайки с выдачей сертификата качества.