Blog

Klasy wytrzymałości śrub sześciokątnych: dopasowanie właściwości do wymagań obciążeniowych

System metryczny (ISO 8.8, 10.9, 12.9) kontra system imperialny (ASTM A325, A490, klasa 8)

W zastosowaniach przemysłowych wybór odpowiedniej klasy wytrzymałości śruby sześciokątnej ma ogromne znaczenie dla uzyskania odpowiedniej jakości połączeń. Międzynarodowe klasy metryczne według normy ISO, takie jak 8.8, 10.9 i 12.9, różnią się od amerykańskich standardów calowych, np. ASTM A325, A490 lub SAE Grade 8, choć wszystkie mają na celu osiągnięcie podobnych parametrów wydajnościowych. W systemie ISO cyfry oznaczające klasę wskazują rzeczywiście na wytrzymałość na rozciąganie. Na przykład klasa ISO 10.9 oznacza wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą około 1040 MPa. Z drugiej strony śruby ASTM A325, które są przybliżonym odpowiednikiem klasy ISO 8.8, mają wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą około 800 MPa i są powszechnie stosowane w połączeniach konstrukcji stalowych. Śruby A490 odpowiadają klasie ISO 12.9 i charakteryzują się wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą około 1220 MPa — stosuje się je głównie tam, gdzie niezawodność infrastruktury ma decydujące znaczenie.

Zgodność międzystandardowa wymaga starannego sprawdzenia. Badanie z 2023 roku przeprowadzone przez Fastener Quality Council wykazało, że nieprawidłowe zastępcze stosowanie elementów połączeń było przyczyną 17% awarii połączeń w złożonych układach wykorzystujących różne standardy. Inżynierowie muszą korzystać z kalkulatorów obciążeń, aby dopasować wytrzymałość śrub do wymagań związanych z obciążeniem ścinającym i rozciągającym — np. śruby ISO 10.9 w podramach pojazdów samochodowych kontra śruby A325 w słupach budowlanych.

Gdy wyższa wytrzymałość nie oznacza większego bezpieczeństwa: unikanie nadmiernego projektowania w statycznych połączeniach konstrukcyjnych

Gdy śruby sześciokątne mają wyższe klasy wytrzymałości, stają się one zwykle bardziej kruche i tracą zdolność do odkształcania się pod wpływem naprężeń, co może prowadzić do problemów w zastosowaniach, w których obciążenia pozostają stałe w czasie. Zgodnie z różnymi raportami branżowymi śruby ASTM A490 ulegają całkowitemu uszkodzeniu około o 30 procent częściej niż standardowe śruby A325 w sytuacjach nagłego wystąpienia dużych obciążeń poza normalnymi warunkami eksploatacji, ponieważ te silniejsze śruby po prostu nie są w stanie wystarczająco się odkształcić przed pęknięciem. Ten sam problem występuje również przy zastosowaniu śrub klasy ISO 12.9 stosowanych do mocowania fundamentów maszyn. Śruby te często przekazują zbyt dużą siłę do sąsiednich elementów, powodując znacznie szybsze powstawanie pęknięć w tych komponentach niż można by się spodziewać. Wybór odpowiedniej śruby to nie tylko kwestia wybrania najmocniejszej dostępnej opcji. Istnieje bowiem kilka ważnych czynników, które należy dokładnie przeanalizować i zważyć.

• Dynamika obciążenia : Połączenia statyczne korzystają ze śrub średniej klasy wytrzymałości (ISO 8.8/A325), które pozwalają na kontrolowane przekroczenie granicy plastyczności w przypadku przeciążenia
• Zastosowanie materiału wysokowytrzymałowe śruby zwiększają ryzyko uszkodzenia gwintu w miększych materiałach połączonych
• Efektywność kosztowa śruby klasy wytrzymałościowej 12.9 kosztują o 45 % więcej niż śruby klasy 8.8, bez korzyści wydajnościowych w środowiskach o umiarkowanym obciążeniu
• Tryby uszkodzeń plastyczne uszkodzenie (stopniowa deformacja) jest bezpieczniejsze niż nagła pęknięcie kruche

Nadmierna specyfikacja prowadzi do marnowania zasobów i utraty bezpieczeństwa. Najlepsze praktyki konstrukcyjne kładą nacisk na analizę obciążeń dostosowaną do konkretnego połączenia, a nie na domyślne stosowanie maksymalnych klas wytrzymałości.

Wybór materiału śrub sześciokątnych pod kątem odporności na korozję i trwałości w warunkach środowiskowych

Korozja przemysłowa powoduje średnio roczne straty w wysokości 740 tys. USD na firmę (badanie Ponemon, 2023). Wybór materiału śrub sześciokątnych ma bezpośredni wpływ na zapobieganie awariom konstrukcyjnym w trudnych warunkach.

Stal nierdzewna (klasy A2-70, A4-80), stal stopowa oraz opcje ocynkowane ogniowo

Śruby sześciokątne wykonane ze stali nierdzewnej charakteryzują się pożądaną cechą niemagnetyczności oraz posiadają wbudowaną ochronę chromową. Wariant A2-70, który odpowiada stopowi 304 ze stali nierdzewnej, wykazuje dobre odporności na działanie zwykłych warunków atmosferycznych. Istnieje również wariant A4-80 (często nazywany stopem 316), zawierający molibden, dzięki czemu znacznie lepiej nadaje się do ekstremalnych warunków, takich jak obszary morskie lub zakłady przemysłu chemicznego, gdzie występują chlorki. W przypadkach wymagających szczególnie dużej wytrzymałości śruby ze stali stopowej spełniają swoje zadanie, ale wymagają stosowania powłoki ochronnej przed korozją. Ocynkowanie ogniowe tworzy trwałą warstwę cynku i żelaza skutecznie zabezpieczającą przed wilgocią. Badania wykazują, że ocynkowanie ogniowe jest skuteczniejsze niż pokrywanie elektrolityczne pod względem długotrwałej odporności na korozję.

Zgodność z zastosowaniem: środowisko morskie, przemysł naftowy i gazowy oraz przemysłowe ustawienia o wysokiej wibracji

Dobór materiałów w zależności od naprężeń roboczych:

• Infrastruktura morska określić stalowe szczytowe śruby sześciokątne ze stali nierdzewnej klasy A4-80, odporność na korozję punktową w środowisku morskim
• Rafinerie ropy naftowej połączyć rdzenie ze stopowej stali z gorącym ocynkowaniem w celu zapewnienia odporności na siarkowodór (H₂S)
• Maszyny pracujące w warunkach wysokiej wibracji zastosować stalowe szczytowe śruby sześciokątne z zębatą pierścieniową podkładką i wkładką z nylonu w celu zapobiegania само-odkręcaniu się w systemach taśmociągów

W instalacjach przybrzeżnych poprawnie dobrany materiał śrub zapewnia trzykrotnie dłuższą żywotność użytkową.

Kluczowe wymiary i cechy gwintu wpływające na niezawodność śrub sześciokątnych

Średnica, długość i długość zakręcania gwintu: doboru śrub sześciokątnych do maszyn i konstrukcji nośnych (M6–M48)

Dobór odpowiedniego rozmiaru śrub ma ogromne znaczenie dla zapobiegania uszkodzeniom połączeń w warunkach przemysłowych. Przy montażu konstrukcji nośnych kluczowe jest dopasowanie średnicy śruby zewnętrznej (sześciokątnej) do rzeczywistego obciążenia. Na przykład śruby M12 mogą zwykle przenieść obciążenie poprzeczne o około 50 % większe niż mniejsze śruby M8 w połączeniach stalowych. Długość zaczepienia gwintu powinna wynosić co najmniej 1,5 średnicy śruby, aby naprężenia były prawidłowo rozprowadzane w całym połączeniu. Nie należy także zapominać, że poza nakrętką powinno wystawać od 2 do 3 pełnych zwojów gwintu. W montażu maszyn stosowanie śrub o średnicy mniejszej niż M6 często prowadzi do problemów związanych z pękaniem zmęczeniowym, zwłaszcza przy obecności drgań. Z drugiej strony użycie śrub o średnicy większej niż M24 wiąże się jedynie z wyższymi kosztami bez rzeczywistej korzyści dla wydajności. Dobrą praktyką jest sprawdzenie wymiarów otworów zgodnie ze standardem ISO 273 przed rozpoczęciem montażu, ponieważ nic tak bardzo nie spowalnia prac jak konieczność rozwiązywania problemów związanych z zaklinowaniem po już zmontowaniu całej konstrukcji.

Śruby sześciokątne w pełni vs. częściowo gwintowane: wpływ na rozkład obciążenia ścinającego i trwałość połączenia

Sposób wykonania gwintu ma istotne znaczenie dla wytrzymałości połączenia. Weźmy na przykład gwintowane częściowo śruby sześciokątne – większość ich wytrzymałości na siły boczne koncentruje się właśnie w tej części trzpienia, która nie jest gwintowana. Testy polowe wykazały, że takie śruby wytrzymują o około 25% większe obciążenia boczne w konstrukcjach. Z drugiej strony śruby całkowicie gwintowane pozwalają pracownikom dostosowywać moment dokręcenia zgodnie z potrzebami elementów ruchomych, np. podstaw maszyn, ale szybciej ulegają zużyciu w warunkach drgań. Zaobserwowaliśmy, że problemy związane z zmęczeniem materiału pojawiają się o 15–20% wcześniej w miejscach, w których występują stałe drgania. W przypadku połączeń narażonych na działanie agresywnych środków chemicznych zastosowanie częściowego gwintu rzeczywiście pomaga ograniczyć korozję, ponieważ mniejsza powierzchnia metalu jest narażona na atak. Podsumowując: rodzaj gwintu należy dobierać zgodnie z charakterem naprężeń, jakie będzie on przenosił. W przypadku naprężeń rozciągających najlepsze wyniki daje pełny gwint na całej długości śruby, natomiast przy naprężeniach ścinających najskuteczniejsze są rozwiązania z częściowym gwintem – właśnie takie projektowania preferują większość inżynierów.