Из какого металла делают шпильки

Обновлено: 07.01.2025

Шпилька - это вид крепежа, не имеющего головки, проще говоря это металлический цилиндрический стержень с частично (по обоим его концам) или полностью (по всей длине) нанесённой резьбой. Такой вид крепежа предназначен для соединения различных деталей, частей конструкций с заранее подготовленными гладкими и резьбовыми отверстиями: это могут быть узлы машинных механизмов, закрепление перекрытий, каркасов, подвешивание коробов и т.д. Полнорезьбовая ось очень широко применяется именно в строительстве, такой вид соединения позволяет не просто надёжно зафиксировать конструкции, но и сделать рассоединение максимально проблематичным. Стандартно такое изделие выпускается длиной 1м и 2м. Целостность конструкции продлевает срок безопасной эксплуатации.

Стандартные диаметры стержня шпильки начинаются от 2мм и заканчивается 48мм, шаговые расстояния от мелких до крупных.

Такой крепёж применим в различных сферах, способен надёжно фиксировать самые различные детали, но он просто незаменим при высоких степенях нагрузки. В то время как сами работы по монтажу не требуют особых навыков и физических затрат, шпильки достаточно быстро и несложно устанавливаются.

Длина и толщина шпильки для каждого объекта рассчитывается в зависимости от нагрузки, которая впоследствии будет оказана на неё. Нужно учитывать также агрессивность окружающей среды и при её высокой степени нужно применять только шпильки с защитным слоем. От коррозии на шпильку как и на другие виды метизов посредством электролиза наносится защита, самым применяемым гальваническим покрытием является цинк.

В случаях, когда необходимо скрепить и надёжно зафиксировать детали, между которыми есть расстояние, шпилька помещается в подготовленные отверстия, а на её концы навинчиваются гайки соответствующей резьбы. Более того, резьба на концах шпильки может быть и разносторонней, и отличаться по шаговому размеру, и по диаметру. Шпилька может быть изготовлена по совершенно индивидуальным эскизам. Для реверсивных механизмом очень актуальны подобные нюансы.

Монтаж трубопроводов можно отнести к работам с очень высокой степенью ответственности, требующей повышенной концентрации внимания и точности. Стыки отрезков труб в трубопроводах по сути самые уязвимые, слабые места всей конструкции. Необходимы фланцевые соединения. А погрешности в них гарантированно выведут весь трубопровод из строя. Надёжные шпильки для фланцевых соединений в этом случае выполняют очень важную роль.

Для шпилек с ввинчивающимся концом используются лёгкие сплавы, для шпилек с полной резьбой - нержавеющая сталь, углеродистая сталь, латунь, других металлы допустимых стандартов.

Фундаментные шпильки – незаменимый крепёж при проведении строительных работ по отливке фундаментов зданий.

Шпильки ГОСТ 9066-75 для фланцевых соединений с температурой среды от 0 °С до 650 °С, диаметр от 6 до 48 мм. Цена на такую шпильку зависит от стали, размеров и типа самой шпильки (4 формы) – соотношение гладкой части и резьбовой, наличие продольного отверстия и хвостовика.

Шпильки ГОСТ 22040-76 (класс точности В) и ГОСТ 22041-76 (класс точности А). Шпильки с ввинчиваемым концом длиной 2,5d, диаметром резьбы от 6 до 48 мм, ввинчиваемые в резьбовые отверстия в деталях из легких сплавов.

Шпильки ГОСТ 22032-76 (класса точности В) и ГОСТ 22033-76 (класс точности А) с ввинчиваемым концом длиной 1d, диаметром резьбы от 6 до 48 мм, класса точности B и А, часто используются там, где требуется скрепление деталей на расстоянии. Шпилька пропускается через отверстие в корпусе детали и на ее концах можно закреплять другие детали с помощью гайки.

Шпильки ГОСТ 22043-76 Настоящий стандарт распространяется на шпильки с двумя одинаковыми по длине резьбовыми концами с диаметром резьбы от 2 до 48 мм.

Шпильки фундаментные ГОСТ 24379.1-80 является основной деталью при изготовлении фундаментных болтов. Возможно изготовлении из стали 09Г2С. Изготовим фундаментные шпильки в соответствии с ГОСТ 24379.1-80 любых размеров.

Шпилька с полной резьбой DIN975 производится из углеродистой стали, нержавеющей стали А2 и А4, латуни и др. Шпилька резьбовая производится с разными видами гальванических покрытий наиболее распространенное из которых - оцинковка.

Классификация резьбовых шпилек

Резьбовая шпилька широко используется для крепления различных металлоконструкций, гарантирует высокую надежность и прочность соединения.

Шпильки выпускаются в соответствии с ГОСТ 22042, ГОСТ 22032, DIN 972, DIN 976 и другим стандартам, регламентирующим конструкционные параметры, геометрические размеры и материал изготовления.

Особенности конструкции резьбовых шпилек

Шпилька — стальной резьбовой пруток без оголовка на конце. Это позволяет стягивать различные детали между собой, накручивая гайки с обоих концов, вкручивать шпильки в резьбовые отверстия. Резьба может быть нанесена как на все тело изделия, так и на ее часть. Существует несколько типов конструкций резьбовых шпилек, различающихся по диаметру и исполнению.

Для каждого вида шпилек имеется три класса точности. Диаметр изделий может составлять от 6 до 48 мм. Длина регламентируется ГОСТ или требованиями заказчика.

Материалы изготовления резьбовых шпилек

В зависимости от условий эксплуатации и типа изделий шпильки могут изготавливаться из углеродистой, легированной и нержавеющей стали. Шпильки с ввинчиваемым концом и метизы, предназначенные для стяжки изделий с гладкими отверстиями, производятся из 20Х13, 14Х17Н2, 30ХМА и т. п.

Шпильки, применяемые с деталями из стали или титанового сплава, изготавливаются из 09Г2С. При работе с фланцевыми соединениями стоит выбирать шпильки из стали 35, 40Х или 09Г2С. Подробнее материалы изложены в соответствующих ГОСТ на изготовление шпилек разных конструкций.

Виды шпилек резьбовых

Резьбовые шпильки могут иметь разную конструкцию. Но в большинстве типов применяется два стандарта:

Диаметр гладкой части равен диаметру резьбовой.
Диаметр гладкой части меньше резьбовой.

Шпильки для деталей с гладкими отверстиями

Этот тип изделий регламентируется ГОСТ 22042. Размер шпильки зависит от ее диаметра — параметры занесены в соответствующую таблицу. В ее верхней строке указывается диаметр резьбы. Если он занесен в скобки, то это — нежелательный размер, но не запрещенный.

Диаметр изделий составляет от 6 до 48 мм, шаг резьбы — крупный или мелкий, длина — до 500 мм. Шпильки этой конструкции изготавливаются из углеродистой, легированной стали или бронзы. Применяются в строительстве, для бытовых нужд.

Шпильки с ввинчиваемым концом

Шпильки с ввинчиваемым концом изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 22032, ГОСТ 22038, ГОСТ 22034. Они могут иметь резьбу как по всей части, так и на отдельном конце прутка, отличаться по длине и диаметру.

По ГОСТ 22038 выпускаются шпильки для деталей из легких сплавов, по ГОСТ 22034 — метизы, предназначенные для ввинчивания в бронзовые и стальные изделия. Наиболее распространенный стандарт — ГОСТ 22032, в котором указываются параметры стальных шпилек, вкручиваемых в металлические, латунные и титановые заготовки.

Эти изделия могут иметь крупный и мелкий шаг резьбы с разных сторон, диаметр от 3 до 48 мм.

Фланцевые шпильки

Фланцевые шпильки — специальный тип метизов, предназначенный для соединения трубопроводов (газовых, турбинных, паровых), работающих при температуре до 650 °С. Их параметры занесены в ГОСТ 9066. Выделяют пять типов изделий:

С равным диаметром резьбы и гладкой части.
Диаметр резьбовой части больше гладкой.
С наличием четырехгранного выступа и осевого отверстия.
С осевым отверстием по длине и выступом цилиндрической формы.
С отверстием по всей длине, диаметром резьбы больше, чем на гладкой части.

Приварные шпильки

Приварные шпильки предназначены для приварки к стальным изделиям. Они выпускаются по ГОСТ Р 55738 в трех исполнениях: для газовой сварки, дуговой сварки и контактной сварки.

Закладные шпильки (фундаментные болты)

Закладные шпильки применяются для монтажа изделий к бетонным и монолитным основаниям. Они отличаются изогнутой формой и фиксируются в монолит на этапе его создания. Параметры изделий указываются в ГОСТ 24379.

Резьбовые шпильки (DIN 975)

Резьбовые шпильки, указанные в стандарте DIN 975, отличаются наличием резьбы по всей длине изделия. Их применяют для потолочных креплений вентиляции, воздуховодов и т. п. В качестве материала выступает углеродистая, нержавеющая сталь. Шпильки выпускаются длиной в 1 или 2 м, диаметр — М4-М36.

Применения резьбовых шпилек

Шпильки резьбовые используются в различных областях производства, строительства.

Ремонтно-строительные работы.
Монтаж оборудования, станков, крупногабаритных механизмов.
Создание металлоконструкций.
Монтаж систем вентиляции, воздуховодов и т. п.
Сборка каркасов, различных строений и стендов.

Их применяют в машиностроении, для фиксации крупногабаритного оборудования и станков. В машиностроении и строительстве наиболее часто используют шпильки с ввинчиваемым концом, благодаря их конструктивным особенностям — один конец ввинчивается, а второй — затягивается гайкой.

Шпильки применяют для фиксации трубопроводных систем, вентиляции, отопления и т. п. Они используются для стягивания фланцевых соединений трубопроводов, расположенных на улице. Специальные шпильки предназначены для магистральных систем, работающих при высокой температуре до 650 °С.

На шпильки часто устанавливаются билборды. Для этого применяют закладные изделия, которые монтируют в бетон. К ним крепят станицу щита.

Как выбрать резьбовую шпильку?

Все шпильки рассчитаны на работу с конкретной нагрузкой. И их несущая способность напрямую зависит от их конструктива, материала, размера и т. п.

Несущая способность резьбовой шпильки, выдерживающей нагрузку в плоскости, зависит от глубины ее ввинчивания. На грузоподъемность также оказывает влияние шаг резьбы.

При перпендикулярно направленной нагрузке несущая способность шпилек определяется сопротивлением материала на изгиб и срез. На этот параметр влияет материал и диаметр прутка, при этом длина резьбовой части особого значения не имеет.

При подборе материала для шпильки следует учитывать параметры окружающей среды и воздействия на шпильку. Стоит помнить и о том, что контакт разнородных материалов приводит к возникновению электрохимической коррозии.

Резьбовая шпилька - в быту и промышленности

Наряду с болтами и винтами резьбовые шпильки — универсальный крепеж для разъемных соединений. Как правило, их используют при сборке массивных корпусных изделий машиностроения. Но область применения таких изделий распространяется также на строительные металлоконструкции, установку рекламных щитов, мебельное производство.

Уникальные рабочие свойства шпилек напрямую зависят от их геометрии, материалов и механических характеристик, а также методов установки и стопорения резьбы.

Существует ряд стандартных шпилек. Их выпускают согласно нормативной документации — ГОСТ, ОСТ, ТУ и DIN. Если существующих вариантов недостаточно, инженера проектируют изделия уникальной формы и свойств.

В общем случае шпилька имеет гладкую цилиндрическую форму сплошного профиля, с двумя резьбовыми концами. Такую конструкцию называют жесткой, и ее единственный недостаток — нельзя нарезать резьбу на проход, поскольку нет места для выхода инструмента. Поэтому резьбу выполняют со сбегом, но не более 2 шагов.

Облегченные шпильки имеют ступенчатый профиль, и гладкая часть на 20..40% меньше, чем наружный диаметр резьбы, либо же соответствует диаметру впадин. Такая конструкция обеспечивает равнопрочность изделия, позволяет несколько уменьшить суммарную массу крепежа и допускает нарезку резьбовых концов навылет — плашками, фрезами, гребенками. Чтобы исключить возникновение зоны опасных напряжений, способных разрушить металл, переход от резьбовой части к стержню выполняют с конусной галтелью.

По существующим нормативам шпильки изготавливают с обычной метрической резьбой. Если это необходимо, проектируют нестандартный крепеж с трапецеидальной, дюймовой и треугольной резьбой, а также асимметричным профилем.

На торцах деталей допускаются центровочные отверстия. В обязательном порядке снимают заходные фаски и притупляют острые кромки. Шпильки, которые разрабатывают по спецзаказу, могут иметь промежуточный упорный торец или поверхность под ключ (шестигранник, квадрат, лыски).

ГОСТы

Существует целый ряд стандартных метизов общего назначения. Это универсальный крепеж, с помощью которого можно решить практически любую задачу. Диапазон допустимых размеров — от М2 до М48 мм. Вне указанных пределов изделия выпускают согласно чертежа.

Чтобы заказать резьбовые шпильки по определенному стандарту, следует использовать условное обозначение. Обычно оно включает в себя размер, шаг и поле допуска резьбы, а также длину. Расширенный формат содержит в себе информацию по выбранному материалу, класс прочности и шифр защитного покрытия.

Шпильки для резьбовых отверстий различают по длине ввинчиваемого конца и классу точности.

Изделия класса А (высокой точности):

ГОСТ 22033-76 — с длиной, равной диаметру резьбы;
ГОСТ 22035-76 — с длиной, равной 1,25d;
ГОСТ 22037-76 — с длиной, равной 1,6d;
ГОСТ 22039-76 — с длиной, равной 2d;
ГОСТ 22041-76 — с длиной, равной 2,5d.

Изделия класса В (повышенной точности):

Шпильки класса точности С по ГОСТу не выпускают. Этот формат предназначен для нестандартных деталей, в условиях единичного производства, под какой-то конкретный неответственный заказ или пробный механизм.

Длину резьбового конца выбирают с учетом металла, в который нужно будет закручивать крепеж. Чем прочнее материал — тем меньшая высота соприкосновения витков нужна, чтобы обеспечить надежное соединение.

Оптимальная длина завёртывания:

для стали и высокопрочных чугунов — 1,25..1,5d;
для бронзы, латуни и серых чугунов — 1,5..2d;
для алюминиевых и магниевых сплавов — 2..2,5d.

Шпильки, предназначенные для установки в сквозные гладкие отверстия, выпускают по ГОСТ 22043-76 для класса точности А и ГОСТ 22042-76 для класса точности В.

По стандартам возможно изготовление резьбы с крупным и мелким шагом, причем величина шага для гаечного и ввинчиваемого конца может быть разной.

Технические нормативы Евросоюза частично перекликаются с отечественными ГОСТами. Можно выделить некоторые аналогичные пары:

DIN 938 — ГОСТ 22033-76 (L = 1d);
DIN 939 — ГОСТ 22035-76 (L = 1,25d);
DIN 949-1 — ГОСТ 22039-76 (L = 2d);
DIN 949-2 — ГОСТ 22041-76 (L = 2,5d).

А также для особых условий:

DIN 2509 — двусторонний крепеж для фланцевых соединений. Имеется дополнительная выступающая ступень под ключ (снятые по цилиндру лыски).
DIN 976-1 и DIN 976-2 — шпильки с полнорезьбовой поверхностью, без деления на концы и гладкую промежуточную часть. Их можно использовать в том числе как ходовые, под элементарную передачу «винт-гайка».
DIN 940 — с длиной резьбовой части 2,5d и различным полем допуска для соединений с натягом и без него.
DIN 525 — длинные шпильки с одним нарезанным концом под приварку. В основном, такой крепеж используют для строительных целей, реже — как центрирующий элемент при сборке мебели.
DIN 835 — шпильки для вкручивания в детали из алюминиевых сплавов. Резьбовую часть выполняют с длиной около 2d.

При сборке трубопровода или запорно-регулирующей арматуры на фланцах ставят специальные метизы. ГОСТ 9066-75 устанавливает требования к изделиям, которые будут работать в диапазоне температур от 0 до +650˚С. Дополнительно можно упомянуть ОСТ 26-2040-96. Этот документ описывает крепеж для условий от −70 до +600˚С.

Шпильки, предназначенные для фланцевых соединений с линзовым уплотнением, выпускают по ГОСТ 10494-80 и используют в сфере химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Спектр рабочих температур для этих изделий — от −50 до +510˚С, при давлении внутри трубопровода до 100 МПа.

На резьбовые соединения для атомных энергетических установок распространяются условия ГОСТ Р 54786-2011. Особенность таких шпилек — повышенные требования по надежности. В среднем, уровень прочности для крепежа атомной энергетики в 1,7..2,0 раза выше, чем для изделий общего назначения.

Для сборки и монтажа трубопроводных систем используют U-образные шпильки с двумя или одним резьбовым концом. Иначе их называют «болт-скоба» или хомуты, и они представляют собой металлический гнутый стержень. Для таких изделий предусмотрены ГОСТ 24137-80, ГОСТ 24139-80 и DIN 3570.

Материалы

Главные ориентиры в подборе материалов для изготовления — величина нагрузки и условия эксплуатации.

Обычные резьбовые шпильки выпускают из марок сталей со сравнительно малым содержанием углерода: 10, 10кп, 20, 20кп. За счет низкой прочности они легко поддаются обработке и не вызывают дополнительных трудностей на резьбонакатных автоматах.

Некоторые источники рекомендуют неответственный крепеж нарезать из строительной стали Ст3. Но этот материал плохо держит профиль резьбы, и детали из него могут быть практически одноразовыми. В самом худшем случае резьбу сомнут еще при первом закручивании шпильки.

Для метизов повышенной прочности назначают среднеуглеродистые и легированные марки, которые хорошо реагируют на закалку: 35, 45, 40Г, 35Х, 38ХА, 45Г, 40Г2, 40Х, 40ХФА. Термическая обработка позволяет повысить временное сопротивление разрыву на 45..60%. Эксплуатация таких сталей возможна при температурах не выше 250˚С, с дальнейшим нагревом падение прочности становится критическим и приблизительно на 400˚С возможен повторный отпуск до состояния сырого металла.

Нагруженный фланцевый крепеж для сосудов и аппаратов, работающих под давлением, изготавливают из высоколегированных теплоустойчивых и жаропрочных сталей: 15Х11МФ, 20Х12ВНМФ, 18Х11МНФБ, 18Х12ВМБФР, 31Х19Н9МВБТ, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20Х1М1Ф1ТР.

Для шпилек, работающих в ответственных механизмах и тяжелых металлоконструкциях (например, в крановом хозяйстве), следует применять марки с содержанием хрома, никеля, молибдена и ванадия: 35ХМ, 30ХМА, 30Х3МФ, 30Х2НМФА, 20Х2НМТРБ, 40Х2Н2МА и 38ХН3МФА. Эти материалы можно подвергать закалке, азотированию и нитроцементации.

Если эксплуатация крепежа подразумевает нагрев свыше 350˚С и воздействие условно-агрессивных сред (вода, пар, кислоты, щелочи), то используют коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы. Сюда относят марки 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ, 12Х13, 20Х13, 08Х21Н6М2Т, 14Х17Н2, 10Х11Н23Т3МР, 13Х11Н2В2МФ, 07Х16Н6. Основными легирующими элементами выступают хром и никель. Именно они дают стали свойства сопротивляться коррозии и влиянию высоких температур. Молибден, ванадий и бор стабилизируют эти характеристики, повышают красностойкость и упругость материала. В исключительных случаях применяют хромоникелевые сплавы — ХН35ВТ, ХН77ТЮР, но их очень тяжело обрабатывать.

Для специальных условий работы берут шпильки из цветных металлов и сплавов. Обычно это касается случаев, когда нет серьезных нагрузок, но необходима стойкость к окислению на воздухе и в воде, а также повышенная электропроводимость.

Сплавы на основе алюминия используют для электротехнических изделий и там, где необходимо радикально уменьшить общий вес конструкции. Это марки АМг5П, АМг5, Д1, Д1П, Д16, Д16П.

Некоторые устройства собирают с применением крепежа из промышленных медных сплавов. Это бронза марки БрАМц9-2, латуни Л63 и ЛС59-1. Шпильками на их основе стягивают концы гибкого медного шинопровода в силовом и распределительном оборудовании.

Защитные покрытия

Чтобы предотвратить развитие коррозии и придать изделиям «товарный» вид, на поверхность наносят специальные защитные покрытия. Обычно это слои на основе металлов или тонкие пленки, полученные химической реакцией.

Для шпилек применяют такие типы покрытий:

цинковое;
цинковое с последующим хроматированием;
кадмиевое;
кадмиевое с последующим хроматированием;
никелевое;
оловянное;
медное;
серебряное;
многослойное (медь-никель, медь-никель-хром);
окисное;
фосфатное.

Помимо главной защитной функции — защиты от окисления и коррозии — некоторые покрытия имеют собственные уникальные свойства:

Оловянное можно использовать в пищевой промышленности, при прямом контакте с продуктами питания.
Медный слой успешно предохраняет сталь от диффузионных процессов. С его помощью продлевают срок службы крепежа в машинах для различной химической переработки.
Кадмиевое покрытие более устойчиво при работе в кислотных и щелочных средах, чем остальные.

Толщина осажденного слоя обычно составляет от 9 до 20 мкм. Этого достаточно, чтобы исключить вероятность повреждения основного металла под оболочкой. Однако если шпилька регулярно подвергается сборке и разборке, покрытие может разрушаться за счет трения.

Прочность

Механические характеристики резьбовых шпилек приведены в ГОСТ 1759.4-87. Этот документ описывает общие случаи назначения материалов, диапазон свойств, программу испытаний готовой продукции.

Норматив делит метизы на 11 классов прочности. Условное обозначение включает два числа, разделенные точкой. Их маркируют на торце гаечного конца, в виде цифр или условного значка (для шпилек с диаметром резьбы менее 12 мм).

Все классы можно условно разделить на три уровня по области применения:

для неответственных конструкций — 3.6, 4.6, 4.8. Предел прочности соответствует сырой низкоуглеродистой стали. Такой крепеж можно ставить в мебель.
для изделий общего назначения и строительных конструкций — 5.6, 5.8, 6.6, 6.8. В производстве также используют низкоуглеродистые марки, возможно минимальное улучшение (закалка и высокий отпуск).
для машин и механизмов, а также нагруженных металлоконструкций и сборок — 8.8, 9.8, 10.9, 12.9. Такие шпильки изготавливают из среднеуглеродистых и легированных сталей, с последующей закалкой. Степень прочности метизов сопоставима с деталями механических передач.

При выборе класса прочности следует тщательно оценить условия работы и степень нагружения резьбовых соединений. Для некоторых изделий есть четкие указания, крепеж какого класса необходимо использовать.

Механические свойства шпилек проверяют по методике, которая включает:

Испытание на разрывной машине. Оценивают предел прочности на растяжение, предел текучести и относительное удлинение материала. Растяжению подвергают целые шпильки. На резьбовой конец устанавливают гайку. Ее перемещают на скорости не более 25 мм/мин, растягивая образец до разрушения.
Испытание пробной нагрузкой. По схеме операция аналогична предыдущей. Шпильку тянут за гайку. Захват резьбы составляет 6 шагов. Изделие держат под нагрузкой не менее 15 секунд, причем деформация образца не допускается. Крепеж должен выдержать испытание без удлинения или смятия витков.
Замеры поверхностной твердости и сердцевины (при разрезе образца). Если на шпильке есть защитное покрытие, его предварительно удаляют.

Указанный объем испытаний дает полную информацию о прочностных характеристиках партии готовых деталей и о том, как они поведут себя в работе.

Применение

В основном, шпильки выбирают там, где установка болтов неудобна по конструктивным соображением. Часто их используют для соединений, испытывающих значительные динамические нагрузки, поскольку в таких условиях шпилька значительно прочнее болта с тем же диаметром резьбы.

Шпильку же можно установить в корпус единократно, буквально — раз и навсегда, а сопрягаемые детали просто надевать поверх выступающего гаечного конца.

Наиболее характерный пример использования таких соединений — редуктора, гидромашины, клапана. Шпильки широко используют в двигателе- и автомобилестроении, при сборке авиационных моторов и газовых турбин в энергетическом секторе. Установка и затяжка таких соединений легко автоматизируется и может быть реализована на станках-автоматах, роторно-конвейерных линиях и при помощи роботов-манипуляторов.

Для сосудов и аппаратов, работающих под давлением и в зоне повышенных температур, при сборке на фланцах предпочтение также отдают шпилькам. Это относится к теплообменникам, установкам перегонного и конденсационного типа в химической и пищевой промышленности, а также в сфере энергетики.

При общем нагреве аппарата и фланцев крепеж всегда остается чуть холоднее. В связи с этим возникают температурные деформации. Из-за того, что напряжения напрямую зависят от площади поперечного сечения детали, растягивающие нагрузки на болтах в 1,4 раза выше, чем на шпильках. Поэтому болтовые соединения рекомендуют использовать только до 250˚С, во всех остальных случаях ставят шпильки.

Их также широко используют при стыковке и монтаже металлоконструкций из швеллера, двутавровой балки, уголка и профильной трубы. Такой крепеж применяют и для монтажа навесных фасадных систем — в частности, при установке химического анкера.

В применении резьбовых шпилек есть своя специфика. Существует два возможных варианта соединения:

завертка в резьбовое отверстие в корпусе и прижим второй детали гайкой;
стержень размещают в сквозном гладком отверстии, обе детали стягивают гайками на концах. Такую схему называют «болт-шпилька».

Различают несколько способов установки шпилек в резьбовое отверстие корпуса:

До упора нарезного конца шпильки в торец. При этом возникают растягивающие напряжения на крепеже и сжимающие — в теле детали. Такую схему рекомендуют для алюминиевых и чугунных корпусных изделий, как сравнительно мягких и хрупких.
До упора носиком шпильки в дно глухого отверстия или резьбой — в нижние витки. Обратная картина предыдущего варианта. Теперь крепеж испытывает сжимающие напряжения, а корпус — растягивающие. Такое распределение больше подходит для стальной конструкции.
Торможение шпильки происходит за счет посадки с натягом. При этом следует контролировать высоту выступающей части.
Самостопорящееся резьбовое соединение. Шпильку конической формы устанавливают в цилиндрическое отверстие, и по ходу завинчивания она деформируется и «раскатывает» себя по стенкам.

Последние два способа — оптимальны по силовой схеме распределения сил: отсутствуют избыточные напряжения, достигается высокий уровень прочности сборки. Единственный недостаток — усложнение конструкции и невозможность использовать стандартные ГОСТовские шпильки.

Чтобы избежать самораскручивания под действием нагрузок, вибраций и смещений, резьбовые соединения дополнительно стопорят. Для шпилек актуальны несколько методов:

Разделение резьбового конца на два участка при помощи канавки. Со стороны торца выполняют отверстие. Первый участок теряет в жесткости и при затяжке несколько деформируется, осаживая тем самым второй. Этот вариант подходит для глубоких отверстий и большой высоты соприкосновения резьбы.
На торце шпильки сверлят отверстие, в которое устанавливают конический разжимной стержень. При затяжке он упирается в дно и искажает тело изделия, деформируя резьбу и уплотняя ее.
На дне отверстия ставят втулку из сравнительно упругого материала (цветмет или пластик). Закрутка шпильки заканчивается тем, что изделие нарезает резьбу по мягкой втулке и застревает в ней.
Соединение заливают клеем. Но это не подходит для изделий, предполагающих плановую разборку.

В остальных случаях стопорят гайку на наружном конце шпильки. Для этого используют схемы, учитывающие упругие силы и силы трения. Сюда относят установку пружинных шайб, дубль-гаек уменьшенной высоты и гаек с торцовыми зубчиками.

Все о резьбовых шпильках и их эксплуатации

На любых строительных объектах применяются десятки видов крепежа, в том числе резьбовые шпильки. Это высокопрочное соединение, позволяющее стянуть две детали, и не требующее наружной фиксации с одной из сторон. Существует несколько видов шпилек, отличающихся по конструкции, размеру и форме. Каждый элемент имеет строгую регламентацию по изготовлению, утвержденную Государственным стандартом. В этой статье мы рассмотрим основные виды крепежа, а также разберемся, какие шпильки следует использовать в той или иной ситуации.

Особенности конструкции и применения резьбовых шпилек

По сути, шпилька – это металлический пруток с резьбой по всей длине или его части. Конструкция позволяет скреплять модули, и не имеет оголовка на конце, то есть ее можно вкручивать в имеющуюся на детали резьбу, или пропускать сквозь конструкцию, производя стяжку, накручивая гайку с одной или двух сторон шпильки. Применяются крепежи во всех сферах строительства и машиностроения, чем и обусловлено широкое разнообразие такого, казалось бы, простого элемента.

Конструкция

Шпилька – это обобщенное название крепежа, имеющего характерные особенности, такие как отсутствие оголовка на конце, а также обязательное наличие резьбы. Сама резьбы при этом может быть нанесена как на всю поверхность модуля, так и на его отдельную часть. Кроме того, отличается размер конструкции и диаметр резьбы. Исходя из этого, несложно понять, что разнообразие шпилек очень большое, и не существует единого норматива, по которому необходимо изготавливать шпильки. Для каждой модели есть свой стандарт, строго прописывающий особенности конструкции.

Важно! Для каждого типа шпильки существует два ГОСТа, различающихся по классу точности исполнения. Класс А – это шпильки с высоким классом точности, а Б – это крепеж с допустимыми погрешностями.

Каждый тип конструкции мы подробно рассмотрим ниже, но с самого начала необходимо понимать, что несмотря на простоту изделия, это крепеж, берущий на себя высокую нагрузку, и изготовление шпилек на заказ подразумевает, что они будут строго соответствовать нормам, как по размеру, так и по используемым при производстве материалам.

Размеры

Размер шпилек подбирается в зависимости от технических требований возводимого объекта. Государственные стандарты устанавливают диаметральный диапазон крепежа в пределах от 6 до 48 миллиметров. При этом длина самой шпильки и ее резьбы не регламентируются, и они могут быть изготовлены согласно требованиям заказчика, то есть инженера, ответственного за строительный объект.

Применение

Сфера применения резьбовых шпилек обширна, и не ограничивается строительством. Например, этот крепеж также применяется в машиностроении и при установке крупногабаритных станков. Для крепления станка к поверхности, в постамент на этапе заливки устанавливают специальные фундаментные шпильки, имеющие некоторые особенности конструкции.

В машиностроении чаще применяются шпильки с ввинчиваемым наконечником. Они же, но, как правило, большего размера и диаметра применяются в строительстве. Особенность таких шпилек заключается в том, что один из наконечников, самостоятельно ввинчивается в основание, а прикрепляемый объект уже притягивается гайкой.

Также шпильки используют при монтаже трубопроводов и вентиляционных систем. Здесь используются фланцевые соединения. Их конструкция практически не отличается от шпилек с ввинчиваемым наконечником, за исключением одного нюанса, который мы подробно рассмотрим ниже.

Виды резьбовых шпилек

Так как резьбовая шпилька – это не единичное изделие, и в зависимости от поставленной задачи и типа различается много вариантов этого крепежа, единого ГОСТа не существует. Требования к разным элементам также отличаются, поэтому каждый тип шпильки необходимо рассмотреть более подробно, с учетом особенностей конструкции и прочих технических нюансов.

И перед тем, как перейти к подробному описанию, необходимо сделать уточнение, что в большинстве типов шпилек используется два стандарта:

С диаметром гладкой части равным диаметру резьбового соединения;
И диаметром гладкой части, меньшего размера по отношению к резьбовому соединению.

Использование типа конструкции обуславливается особенностью возводимого объекта или конкретными требованиями к метизу.

Шпильки для деталей с гладкими отверстиями

В ситуациях, когда необходимо соединить два модуля, не имеющих собственной резьбы, используются шпильки для деталей с гладкими отверстиями. Их конструкция и размер регламентируются ГОСТом 22042-76. Согласно этому документу, метиз изготавливается в диаметральном диапазоне от 2 до 48 миллиметров. При этом размер самой шпильки напрямую зависит от ее диаметра. Нормы производства указаны в таблице:

Рассмотрим для примера 100 миллиметровую шпильку. Ее размер указан в крайнем левом столбце.

Важно! В таблице, в верхней строке указаны диаметры резьбовой части. Если размер помещен в скобки, такое значение считается нежелательным в производстве, но не запрещено стандартом.

Видим, что максимальный диаметр метиза с такой длиной – 18 миллиметров, а минимальный три. При длине шпильки 100, и диаметре 18, то есть наиболее крупный размер, длина резьбового наконечника должна составлять 42 миллиметра. В сумме это дает 84, то есть гладкая часть метиза посередине остается всего 16 миллиметров.

Следует отметить, что шпильки таких размеров редко применяются в крупном строительстве, для таких объектов также имеется свой норматив:

В первой таблице есть ступенчатые колонки. Они означают, что при таком соотношении длины к диаметру, используется накатка резьбы по всей длине метиза. Также подобная накатка может производиться на любой шпильке по желанию заказчика. Стандарт это допускает.

По сути, главная и единственная особенность шпилек для соединения деталей с гладкими отверстиями заключается в том, что на концах метиза имеются одинаковые по длине резьбовые соединения. Если их размер отличается, это уже совершенно другой тип конструкции.

Шпильки с ввинчиваемым концом

Шпильки с ввинчиваемым концом представляют собой метиз, на концах которого имеется резьба, но в отличие от предыдущей модели, здесь она может отличаться как по длине, так и по диаметру, а также шагу. Эти шпильки применяются в условиях, когда у одной детали есть собственное резьбовое соединение, то есть их применение допустимо только в случаях, когда одна из деталей изготовлена из металла.

При этом, в зависимости от металла, применяются разные шпильки, и их конструкция строго регламентируется. Существует несколько стандартов (в скобках указан номер ГОСТа):

Каждый ГОСТ имеет собственную расчетную таблицу, показывающую максимально и минимально допустимый размер резьбовой части метиза при его диаметре и общей длине. Длина резьбовых наконечников отличается, но имеет прямую зависимость от ввинчиваемой части. Проще говоря, если диаметр ввинчиваемого наконечника составляет 20 миллиметров, то использование второго окончания диаметром, скажем, 3 миллиметра не допустимо. Подробнее о допусках и особенностях соотношения можно почитать в ГОСТах. Описывать все нюансы таких шпилек здесь не имеет смысла, так как каждый стандарт имеет свои нюансы и подробные расчеты.

Фланцевые шпильки

Фланцевые шпильки предназначены для соединения паровых, газовых и турбинных трубопроводов с эксплуатационными нормами от 0 до 650 градусов. Их размер и конструкция детально описаны в ГОСТ 9066-75, где различают пять типов метизов:

Шпилька с одинаковым диаметром резьбы и гладкой части. Подробно эти метизы мы рассматривали как соединения для деталей с гладкими отверстиями.
Шпилька, где диаметр резьбовых наконечников больше диаметра гладкой части.
Шпилька с четырехгранным выступом и осевым отверстием по всей длине.
Шпилька с отверстием по всей длине и цилиндрическим выступом.
Шпилька с осевым отверстием по длине метиза и диаметрам резьбы, большим диаметра гладкой части.

Каждый метиз имеет собственную таблицу допуска, которую можно изучить в тексте ГОСТа, так как приводить их здесь не имеет смысла.

Важно! Шпильки 4 и 5 типов предназначены для затягивания в разогретом виде. Метизы с 1 по 3 монтируются на холодную.

Ключевая особенность фланцевых шпилек заключается в их использовании на объектах с повышенным температурным режимом. Все перечисленные типы предназначены для соединения трубопроводов, нагревающихся до температуры до 650 градусов. При этом стандартизация самих шпилек не имеет отношения к фланцам. У них свои нормативы и требования. По сути, конструкция фланцевых моделей не отличается от обычных шпилек, но требования к их изготовлению более высокие.

Приварные шпильки

Сварка в газовой, защищенной среде или с использованием специального керамического кольца.
Дуговая сварка с размыканием цепи.
Сварка с плавлением наконечника, то есть контактная.

В первом варианте допускается использование шпилек с наружной и внутренней резьбой, без резьбы, а также шпилек-опор. Маркируются они двумя латинскими буквами, где вторая буква D. Дуговая сварка с размыканием цепи маркируется литерой S, и допускается использование шпилек с наружной и внутренней резьбой, а также без нее. Третий метод позволяет использовать метизы из второй категории, а маркируются шпильки латинской буквой Т. ГОСТ подробный и описывает все типы сварки при использовании различных шпилек, поэтому приводить его полностью мы не будем.

Закладная шпилька

Этот метиз используется для фиксации деталей к бетонным и монолитными основаниям. Резьбовая шпилька имеет изогнутую или прямую форму, и чаще всего устанавливается в монолит на этапе его изготовления. Неправильна форма конструкции позволяет более плотно зафиксировался в основании, и исключает вероятность схождения метиза с посадочного места.

Размер и форма фундаментных или закладных шпилек регламентируется стандартом под номером 24379.1-2012, где их именуют фундаментными болтами. Формы, размеры, а также типы таких конструкций мы рассматривать не будем, так как на нашем сайте есть отдельная статья, посвященная этой теме. Отметим лишь, что монтаж таких шпилек возможен как на этапе производства монолита, так и в готовый бетонный блок. К каждому типу крепежа стандарт предъявляет свои требования, подробно описанные в его тексте.

Анкерная шпилька

Анкер – самостоятельный метиз, позволяющий произвести крепеж к монолитному блоку после этапа его производства. Так как в бетоне невозможно нарезать резьбу, применяется анкер, где одной из главных деталей является шпилька. Здесь это центральный элемент, на который накручивается гайка. Шпилька располагается в кожухе, разжимаемом каплевидным окончанием шпильки.

По сути, анкерная шпилька – это элемент с полной резьбой по всей поверхности и крупным окончанием. Как отдельный элемент она не используется, но упоминать ее необходимо.

Материалы изготовления

Государственный стандарт регламентирует не только конструкцию и размер шпильки, но марку стали, из которой она изготавливается. В зависимости от типа метиза и его назначения, используемые стали отличаются, но в большинстве случаев применяются одни и те же марки. Например, для изготовления шпилек с ввинчиваемым концом или для деталей с гладкими отверстиями применяются марки:

Ст. 20Х13;
Ст. 14Х17Н2;
Ст. 12Х18Н10Т;
Ст. 30ХМА;
Ст. 25Х1МФ;
Ст. 20ХН3А и т.д.

Это касается метизов, используемых при вкручивании в легкие сплавы, а также в чугун и сплавы на основные бронзы. Шпильки для стальных деталей и титановых сплавов изготавливаются также из марки ст.09Г2С. В случае с фланцевыми шпильками необходимо уделить повышенное внимание качеству стали и использовать для изготовления: Ст. 35, Ст. 40Х, Ст. 09Г2С и т.д.

Повышение уровня прочности резьбовых шпилек

Понятие высокопрочная шпилька не описывается в государственном стандарте и является условным. Зато, ГОСТ четко определяет марки сталей и делит их по классу прочности. Высокопрочными метизами принято считать изделия с классом от 8 и выше. Для их изготовления применяют углеродистые, легированные и нержавеющие марки.

По техническим характеристикам такие шпильки имеют ряд особенностей:

Повышенная устойчивость к перепадам температуры;
Устойчивость к экстремальным температурам;
Устойчивость к химическому воздействию;
Повышенная прочность на излом и разрыв;
Устойчивость к физической деформации.

Достижение таких результатов прочности достигается применением альтернативных марок сталей. В случае с легированными марками применяются:

Углеродистая сталь – 10, 20 и 35 марки, а также нержавейка 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т.

В качестве меры по повышению прочности метиза применяется его закалка, то есть обработка высокими температурами с последующим резким остыванием. Это делает шпильку более прочной на разрыв и излом, но и одновременно более хрупкой, так как пропадает запас допустимой деформации.

Защита и повышение уровня износостойкости резьбовых шпилек

Резьбовые шпильки часто эксплуатируются в агрессивной среде, и так как изготавливаются они из металла, если не рассматривать высокопрочные метизы, то естественно, что рано или поздно они начинают подвергаться коррозии. Наиболее распространенный способ защиты – цинкование, когда на поверхность изделия гальваническим методом наносится слой цинка, не подверженного воздействию природных факторов.

Важно! Нанесение на поверхность шпильки защитной краски, даже полимерной, не имеет смысла, так как при накручивании на резьбу гайки она будет полностью или частично уничтожена, что сведет к минимуму ее защитные качества.

Для нанесения цинкового слоя используется метод гальваники, и он является наиболее прочным и долговечным. При воздействии на металл электрического тока, атомы защитного покрытия проникают в саму структуру метиза, то есть покрытие становится не поверхностным, а глубоким. Такие шпильки можно использовать с агрессивной среде, и вариантов их применения довольно много.

Трубопроводы

С помощью резьбовых шпилек производят фланцевые соединения трубопроводов, находящихся на улице или подвергающихся воздействию природы. Например, в уличных магистральных сетях. Также они используются на объектах с высоким температурным режимом. В ГОСТ есть отдельный раздел, описывающий высокопрочные шпильки, способные работать и не терять своих качеств даже при нагреве до 650 градусов. Для менее агрессивных условий, то есть при нагреве до 300 градусов включительно, используются обычные шпильки с защитным слоем.

Уличные объекты

Вариантов использования шпилек на улице много, и один из них – это установка рекламных билбордов. Здесь используются закладные модели, монтируемые в бетонное основание непосредственно на этапе его заливки. К этим шпилькам крепится станина рекламного щита, и несложно догадаться, что на такой крепеж будет постоянно оказываться негативное воздействие влаги и осадков, а в Москве и других крупных городах, еще и химических реагентов. Конкретных рекомендаций к таким объектам нет, однако, если необходимо сделать прочное и долговечное крепление, имеет смысл установить именно шпильки с защитным покрытием, цена на которые выше, но приложат они гораздо дольше и не потребуют замены, неизбежно влекущей за собой полный демонтаж бетонной конструкции.

Химическая промышленность

Оснащение химических производств имеет свой регламент и требования к крепежным изделиям. Описывать его не имеет смысла, но из-за постоянного воздействия агрессивных сред на метизы, здесь используют исключительно защищенные шпильки с покрытием. Причем в ряде случаев это покрытие может быть не цинковым, а, например, хромовым или медным. Все зависит от конкретных требований объекта.

Заключение

Сегодня, любой строительный магазин предлагает огромный ассортимент шпилек, и если мы говорим о частном строительстве небольшого объекта, то делать их на заказ не имеет смысла. Подобрать подходящий по размеру метиз труда не составит, чего не скажешь о более сложных моделях, например, с нестандартными размерами или изготовленные со специальным защитным покрытием. Здесь уже не обойтись без индивидуального заказа. К счастью и с этим проблем нет никаких.

Крепеж: металлы и сплавы

Крепежные изделия — болты, шпильки, гайки и шайбы производятся из различных сталей и сплавов, которым соответствуют разные классы прочности. Большинство крепежных изделий изготавливаются из углеродистых легированных и нелегированных сталей.

Крепежные изделия — болты, шпильки, гайки и шайбы производятся из различных сталей и сплавов, которым соответствуют разные классы прочности. Большинство крепежных изделий производятся из углеродистых легированных и нелегированных сталей. Высокопрочный крепеж изготавливается специальными методами производства — горячая / холодная прокатка, а затем закалка.

Углерод придает любому сплаву твердость. Сталь подлежит обязательной маркировке. Легированные стали отличаются от нелегированных, наличием элементов, специально вводимых в сплав для создания определенных физических и механических свойств.

Крепеж применяется во многих областях народного хозяйства и промышленности, в качестве деталей для соединения частей конструкций.

Изделия эксплуатируются в различных условиях. Повышенным спросом пользуется нержавеющий крепеж, обладающий следующими характеристиками: гигиеничность, надежность, неограниченный срок эксплуатации и коррозиестойкость.

Металлы и сплавы, из которых изготавливают крепеж:

углеродистая конструкционная сталь;

Большинство марок стали и их основные характеристики указаны в ГОСТ 1759.4-87.

Крепеж из углеродистой стали

Крепеж из углеродистой стали применяется в создании долговечных и прочных соединений, в таких областях как приборостроение, машиностроение и строительство. Высокопрочный крепеж также используется во фланцевых соединениях. В качестве основного сырья выступают низкоуглеродные и легированные стали. При избытке углерода, металл становится хрупким, что недопустимо ни в одной отрасли.

Нержавеющий крепеж из мартенситных, аустенитных, и коррозионно-стойких нержавеющих сталей

Нержавеющий крепеж применяется в агрессивных условиях для создания прочных и сложных конструкций и соединений, устойчивых к вибрациям. Крепеж с высоким содержанием легирующих элементов, таких как хром, никель, титан, кобальт и ниобий, не подвержен коррозии, деформации под влияниям перепадов температур и агрессивных условий эксплуатации. Хром увеличивает твердость и прочность сплава, никель повышает устойчивость к коррозии, кобальт повышает жаропрочность и уровень сопротивления ударам, а ниобий улучшает кислотостойкость и коррозиестойкость.

Для агрессивных сред (химические производства) — 12Х17, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 10Х17Н13М2Т.

Для высокотемпературных условий — 2Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 08Х18Н10, 10Х11Н23Т3МР, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 18Х12ВМБФР.

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 влажность (антикоррозийные свойства) — 20Х13, 14Х17Н2, 20Х17Н2, 08Х18Н10Т, 06ХН28МДТ, 10Х17Н13М2Т.

Особые физические и механические свойства крепежа зависят не только от марки стали, из которой изготовлен крепеж, но также и от нанесения на поверхность покрытия из другого металла, защищающего изделие.

Механические характеристики крепежа контролируются для проверки предела прочности на разрыв, условного предела текучести, твердости и разрушающего крутящего момента.

Читайте также: