Blog

Třídy pevnosti šestihranných šroubů: přizpůsobení výkonu požadavkům na zatížení

Metrické normy (ISO 8.8, 10.9, 12.9) versus imperiální normy (ASTM A325, A490, třída 8)

Pokud jde o průmyslové aplikace, výběr správné pevnostní třídy šestihranných šroubů je velmi důležitý pro dosažení požadované kvality spojů. Metrické ISO třídy, jako jsou 8.8, 10.9 a 12.9, se liší od imperiálních norem, například ASTM A325, A490 nebo SAE Grade 8, i když všechny tyto normy sledují podobné výkonnostní cíle. Pokud se podíváme nejprve na ISO systém, čísla uvedená v třídách skutečně udávají mez pevnosti v tahu. Například třída ISO 10.9 znamená přibližně 1 040 MPa mez pevnosti v tahu. Na druhé straně šrouby ASTM A325, které jsou přibližně srovnatelné s ISO 8.8, mají mez pevnosti v tahu kolem 800 MPa a běžně se používají ve spojích konstrukčních ocelových prvků. Šrouby A490 odpovídají oblasti ISO 12.9 s přibližnou mezí pevnosti v tahu 1 220 MPa – tyto šrouby se obvykle používají tam, kde je zásadní spolehlivost infrastruktury.

Kompatibilita napříč standardy vyžaduje pečlivou validaci. Studie Fastener Quality Council z roku 2023 zjistila, že nevhodné náhrady způsobily 17 % poruch spojů v montážích s kombinací různých standardů. Inženýři musí konzultovat kalkulátory zatížení, aby zarovnali pevnost šroubů se požadavky na smyk a tah – například šrouby ISO 10.9 pro podvozkové části automobilů versus šrouby A325 pro sloupy budov.

Vyšší pevnost není vždy bezpečnější: vyhýbání se přeměřování u statických konstrukčních spojů

Když mají šestihranné šrouby vyšší třídy pevnosti, mají tendenci být křehčí a ztrácet schopnost deformovat se pod vlivem napětí, což může vést k problémům v aplikacích, kde se zatížení v průběhu času nemění. Podle různých průmyslových zpráv zažívají šrouby ASTM A490 při situacích náhlého vysokého zatížení mimo normální provozní podmínky přibližně o 30 procent více úplných poruch než standardní šrouby A325, protože tyto pevnější šrouby jednoduše nedokážou dostatečně prohnout, než se zlomí. Stejný problém se vyskytuje u šroubů třídy ISO 12.9 používaných k upevnění základů strojů. Tyto šrouby často přenášejí příliš velkou sílu na sousední součásti, čímž způsobují, že se tyto komponenty praskají mnohem rychleji, než se očekávalo. Výběr správného šroubu není jen otázkou výběru nejsilnější možné varianty. Ve skutečnosti existuje několik důležitých aspektů, které je třeba pečlivě zvážit.

• Dynamika zatížení : Statické spoje profitují ze šroubů střední třídy pevnosti (ISO 8.8/A325), které umožňují řízené plastické deformace při přetížení
• Materiální slučitelnost vysoce pevné šrouby zvyšují riziko vyšroubování závitu v měkčích protilehlých materiálech
• Výhoda šrouby třídy 12.9 jsou o 45 % dražší než šrouby třídy 8.8, aniž by poskytovaly zlepšení výkonu v prostředích s mírným zatížením
• Režimy poruch tvárné porušení (postupná deformace) je bezpečnější než náhlé křehké lomení

Přeprůměrné specifikace plýtvají zdroji a ohrožují bezpečnost. Nejlepší praxe v oblasti konstrukcí klade důraz na analýzu zatížení konkrétního spoje namísto automatického výběru nejvyšších pevnostních tříd.

Výběr materiálu šestihranných šroubů z hlediska odolnosti proti korozi a environmentální trvanlivosti

Průmyslová korozí firmy stojí průměrně 740 000 USD ročně (Ponemon 2023). Výběr materiálu šestihranných šroubů přímo brání strukturálním poruchám v náročných prostředích.

Nerezová ocel (A2-70, A4-80), legovaná ocel a možnosti s ponorem do roztaveného zinku

Šestiboké šrouby z nerezové oceli mají výhodnou nepatrnou magnetickou vlastnost a jsou navíc vybaveny integrovanou chrómovou ochranou. Typ A2-70, který je v podstatě nerezová ocel třídy 304, dobře odolává běžným atmosférickým podmínkám. Druhý typ – A4-80 (běžně označovaný jako nerezová ocel třídy 316) – obsahuje molybden, čímž je výrazně lépe vhodný pro agresivní prostředí, například pro oblasti s mořskou vodou nebo chemické závody, kde je přítomnost chloridů problematická. V případech, kdy je vyžadována vysoká pevnost, se osvědčují šrouby z legované oceli, avšak potřebují nějaký povrchový ochranný povlak proti korozí. Teplé ponětí do zinku vytvoří účinnou zinek-železo ochrannou vrstvu, která spolehlivě brání pronikání vlhkosti. Zkušební výsledky ukazují, že teplé ponětí do zinku má v průběhu času lepší korozní odolnost než elektrolytické pokovování.

Kompatibilita specifická pro dané použití: námořní aplikace, ropný a plynárenský průmysl a průmyslová prostředí s vysokou vibrací

Přizpůsobte materiály provozním zatížením:

• Námořní infrastruktura zadejte šestihranné šrouby z nerezové oceli třídy A4-80, které odolávají pittingu způsobenému mořskou vodou
• Rafinerie ropy kombinujte jádra z legované oceli s ponorným pozinkováním pro odolnost vůči H₂S
• Stroje vystavené vysoké vibraci použijte šestihranné šrouby se zubatou přírubou a plastovými vložkami z nylonu, aby nedošlo k povolení ve dopravních pásách

U pobřežních instalací dosahují správně zvolené materiály šroubů trojnásobného životního cyklu.

Kritické rozměrové a závitové požadavky na spolehlivost šestihranných šroubů

Průměr, délka a závitové zapasování: Dimenzování šestihranných šroubů pro stroje a konstrukční rámy (M6–M48)

Správná velikost šroubů je velmi důležitá pro předcházení poruchám spojů v průmyslových prostředích. Při práci se statickými rámy je kritické přizpůsobit průměr šestihranného šroubu skutečné zatížení, kterému spoj bude vystaven. Například šrouby M12 obvykle vydrží přibližně o 50 % vyšší smykové zatížení než menší šrouby M8 v ocelových spojích. Délka závitu, který je zašroubován do matice (závitové zapasování), musí činit alespoň 1,5 násobek průměru šroubu, aby se napětí správně rozložilo po celém spoji. Nezapomeňte také, že za maticí by měly vyčnívat přibližně 2 až 3 plné závity. Při montáži strojních zařízení použití příliš malých šroubů pod M6 často vede k problémům s únavovým poškozením, zejména v případě vibrací. Naopak použití šroubů větších než M24 jen zvyšuje náklady bez jakékoli skutečné výhody pro výkon. Dobrou praxí je před zahájením montáže zkontrolovat rozměry otvorů podle normy ISO 273, protože nic nepozdržuje výrobní proces tak, jako potíže s uvíznutím (zaseknutím) součástí, až jsou všechny části již sestaveny.

Plně vs. částečně závitové šestihranné šrouby: vliv na rozložení smykového zatížení a životnost spoje

Způsob, jakým jsou závity navrženy, má skutečně rozhodující vliv na to, jak pevně spojení vydrží. Vezměme si například šestihranné šrouby s částečným závitem – ty převážnou část své pevnosti proti bočnímu (příčnému) zatížení mají právě v místě hladké části shanku, kde závit chybí. Polní testy ukazují, že tyto šrouby dokážou v konstrukcích odolat přibližně o 25 % vyššímu příčnému namáhání. Na druhé straně plně závitové šrouby umožňují montážním pracovníkům podle potřeby upravit utahovací sílu u pohyblivých částí, jako jsou například základy strojů, avšak v prostředích s vibracemi se obvykle opotřebují rychleji. Pozorovali jsme, že únavové poruchy zde vznikají o 15 až 20 % dříve než u šroubů s částečným závitem v místech s trvalým otřesem. Pokud jde o spoje vystavené agresivním chemikáliím, použití šroubů s částečným závitem ve skutečnosti pomáhá snížit problémy s korozí, protože je menší povrch kovu vystaven útoku. Shrnutí? Typ závitu je třeba volit podle druhu namáhání, kterému bude spojení vystaveno. U namáhání tahem obvykle nejlépe fungují šrouby s plným závitem po celé délce, zatímco u namáhání smykem jsou inženýři přesvědčeni o výhodách konstrukcí s částečným závitem.