Шпилька резьбовая, типы, размеры, области применения, классы прочности и стандарты по ГОСТ, DIN, ISO
Шпилька резьбовая как незаменимый тип крепежного элемента
Мы более 20 лет профессионально вовлечены в проектирование и производство высококачественного крепежа и метизов, которые сегодня на постоянной основе востребованы на более чем 100 предприятиях России, СНГ и ближнего зарубежья.
Задайте вопрос или запросите стоимость продукции
Типы шпилек резьбовых, названия и определения
Шпилька представляет собой резьбовой крепежный элемент круглого сечения с продольной осью симметрии. Резьба может быть нанесена как быстрым методом прокатки на вальцах (т.н. резьбонакатка), так и более медленно, но значительно более точно – методом точения на станке.
Резьбовая зона контакта может покрывать все изделие целиком (полнорезьбовая шпилька), так и быть нанесена по концам изделия (т.н. штанга для гладких сквозных или глухих отверстий, в России нормируется по ГОСТ 22042-76).
Производство шпилек по чертежам Заказчика может подразумевать насечку разных диаметров / шагов резьб на противоположные концы стержня. Иногда метизы могут иметь изогнутый несущий цилиндр.
Этимология слова
Интересно происхождение слова «шпилька». Оно восходит к польскому термину «szpilka», от которого, в свою очередь берет начало древненемецкое слово «Spille», что значит «иголка».
Связь с крепежным элементом, по-видимому, обусловлена сходством форм этих изделий, оба из которых представляют собой вытянутые, длинные объекты. Кстати, от этого же слова происходит «шпиль», например, церковный или вышечный.
Назначение и области применения резьбовых элементов шпилечного типа
Основным назначением шпилек является обеспечение надежного резьбового соединения конструкций, узлов, агрегатов или элементов машин, нередко располагающихся на значительном удалении друг от друга – до 3 метров и более.
Шпилечный крепеж незаменим во фланцевых соединениях, являющихся «уязвимыми» точками теплоэнергетического оборудования – запорные клапана, паровые и водогрейные котлы, топки, нагреватели, турбинные установки, системы отопления.
Читайте подробнее о фланцевом крепеже на соответствующей странице.
Зачастую без шпильки невозможно осуществление крепления агрегатов в автомобильной, тракторной и иной моторной технике, в авиа- и судостроении, возведении мостов и переправ, шахтных выработок, тоннелей и прочих ответственных – надземных и подземных – конструкций.
Классификация стандартов шпилек по различным технологическим аспектам
Шпильки ГОСТ, ОСТ – Россия и некоторые страны СНГ
В России и некоторых странах СНГ – участницах бывшего СССР (к примеру, Казахстан, Грузия, Беларусь) – это, традиционно, ГОСТы и ОСТы, (ГОСТом называется широкий межгосударственный стандарт, ОСТом – отраслевой).
Среди наиболее значимых ГОСТов – щепетильно учитываемых на нашем предприятии – следует отметить следующие нормативы: 11371 78 (шайбы), 9066 75 (стержни фланцевые, с температурой рабочих сред от 0 до 650 ℃), 22042 76 (для деталей с гладкими отверстиями), 22038 76 (с ввинчиваемым концом длиной 2d), 22036 76 (с ввинчиваемым концом длиной 1,6d), 22034 76 (с ввинчиваемым концом длиной 1,25d), 24705 2004 (резьба метрическая), 19256 73 (стержни под накатывание метрической резьбы), 24379.1 80 (болты фундаментные) и некоторые второстепенные.
DIN 975 и 976 – Deutsches Institut für Normung (Немецкий Институт Стандартизации)
Что касается непосредственно резьбовых штанг, то согласно предписаниям Института DIN, их производство также нормируется – для обеспечения взаимозаменяемости продукции на всей территории действия Берлинского стандарта.
ISO – International Standard Organization
Затрагивая стандартизацию, нельзя не упомянуть и международный комитет ISO, который также занимается внедрением стандартов по всему миру, (включая Австралию, Океанию и обе Америки). Впрочем, в разрезе обозрения штанговой продукции с резьбой следует отметить лишь несколько ключевых стандартов ISO, распространяющихся на данный (и сопутствующие) типы метизов – это ISO 2339 (штифты конические), 13918 (для дуговой сварки), ISO 7089 (плоские шайбы), 7090 (шайбы плоские с фаской).
Являясь полноцикловым производителем с собственными современными линиями, «Ижснабметиз» предлагает к изготовлению шпильки по ГОСТ, DIN и ISO, а также соответствующие гайки, шайбы, стопорные кольца и любой другой крепеж, в том числе, высокопрочный, жаропрочный, усиленный, а также производство метизов в рамках индивидуального Заказа по Вашим чертежам.
Классы прочности шпилек резьбовых
В современной промышленности болты, гайки и шпильки в основном изготавливаются из углеродистых сталей. В зависимости от типа производства продукции и обработки изделий из одной и той же марки возможно получать крепеж различного класса прочности.
Если принять во внимание, что первая цифра класса точности индицирует ≈ 1% от предела прочности на растяжение, а вторая ≈ 10% от величины, с которой предел текучести (начало пластической деформации) относится к пределу прочности на растяжение, то понятно, что не все марки стали / сплавов и не все типы обработки будут точно соответствовать общепринятому ряду прочностей.
Укажем в таблице рекомендуемые нормативами – (но не строго обязательные) – марки углеродистых сталей и соответствующие им прочностные классы, а также показатели твердости по Бринеллю.
Таблица: прочностные классы шпилек, марки сталей и твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59)
Все о резьбовых шпильках
Резьбовые шпильки – один из наиболее популярных и востребованных видов крепежных изделий, широко применяемых в строительстве, промышленности, при проведении различных монтажных работ и в быту.
Широкое распространение крепежного изделия послужило причиной большого количества названий данных крепежных изделий, эти изделия могут также называться:
Конструкция резьбовой шпильки:
Резьбовая шпилька – это металлический стержень длиной, как правило, 1 или 2 метра, с резьбой нанесенной по всей его длине.
Применение резьбовых шпилек:
Как правило, резьбовая шпилька используется вместе с соединительными гайками DIN 6334 или шестигранными гайками DIN 934, а также с увеличенными шайбами DIN 9021. При монтаже шпильки в бетонное основание применяются латунные дюбели или забивные анкеры соответствующего диаметра. При необходимости, шпилька может быть нарезана на отрезки нужной длины.
Стандарты резьбовых шпилек
В обозначении резьбовых шпилек у различных продавцов встречаются 2 стандарта DIN 975 и DIN 976. Ранее, в статье, посвященной этим стандартам мы подробно рассмотрели этот вопрос. Если кратко, стандарт DIN976 выпущен как замена стандарта DIN975. Его основное отличие – расширенное количество типоразмеров резьбового стержня, охваченного стандартом. В отличие от традиционных размеров шпильки 1000 и 2000 мм, в него вошли еще свыше 30 размеров резьбовых шпилек длиной от 5 до 160 мм.
Класс прочности резьбовых шпилек
Резьбовые шпильки из углеродистой стали, как и болты имеют различный класс прочности. Большинство шпилек, представленных на рынке имеют следующие классы прочности: 4.8, 8.8 и 10.9.
Класс прочности представляет собой цифровой код, состоящий из двух цифр, разделенных точкой.
Первая цифра класса прочности обозначает 1/100 номинальной величины предела прочности на разрыв, измеряемую в Мпа.
Например, для класса прочности 4.8, предел прочности равен = 4 х 100 = 400 Мпа.
Вторая цифра – отношение предела текучести к пределу прочности, умноженному на 10. Для примера, для шпильки класса прочности 4.8. предел текучести = 400 (предел прочности) * 8 /10 = 320 Мпа.
Значение предела текучести имеет важное практическое значение, поскольку это и есть максимальная рабочая нагрузка шпильки.
Данные по пределу прочности и пределу текучести для различных классов прочности шпилек:
| Класс прочности | Предел прочности, МПа | Предел текучести, МПа |
|---|---|---|
| 4.8. | 400 Мпа | 320 Мпа |
| 8.8. | 800 Мпа | 640 Мпа |
| 10.9. | 1000 Мпа | 900 Мпа |
Таким образом, шпилька одинакового диаметра, класса прочности 8.8 в 2 раза прочнее шпильки класса 4.8. а шпилька класса прочности 10.9 в 3 раза. К шпилькам класса прочности 8.8. и 10.9 применяются термин «высокопрочные шпильки».
Цветовая маркировка резьбовых шпилек
Стандартом DIN 976-1:2002 предусмотрено нанесение цветной маркировки на один из концов резьбовых шпилек в зависимости от их класса прочности. Все варианты цветной маркировки рассмотрены в статье.
Маркировка наиболее популярных резьбовых шпилек:
В большинстве случаев, применяются оцинкованные шпильки, что обеспечивает их коррозионную стойкость, а следовательно, и возможность наружного применения. В подавляющем большинстве случаев используется покрытие из белого цинка, но, на рынке можно приобрести и резьбовые шпильки в желтом цинке. Как правило, они используются в декоративных целях.
Такие шпильки являются высокопрочными. Как указывалось выше показатели прочности таких шпилек вдвое выше по сравнению с обычными резьбовыми стержнями класса прочности 4.8. Шпильки класса прочности 8..8. имеют желтую маркировку на своем торце. Сфера применения таких шпилек близка к шпилькам 4.8., но, в силу, более высокой прочности они чаще используют для монтажа ответственных инженерных конструкций, таких как инженерные коммуникации значительного веса, водопроводных и канализационных труб большого диаметра. Шпильки класса прочности поставляются с цинковым покрытием белого цвета.
Еще один вид высокопрочной шпильки, прочностные характеристики. которой втрое превышают характеристики резьбовой шпильки 4.8. и приблизительно на 50% выше по сравнению со шпилькой класса 8.8. Данная шпилька имеет белую маркировку на торце. В отличие от шпилек класса прочности 4.8 и 8.8. подавляющее большинство таких шпилек поставляется без цинкового покрытия, так как резьбовые стержни такого класса прочности не подвержены коррозии. Однако, на рынке представлены и высокопрочные шпильки класса 10.9 с цинковым покрытием, которое служит для улучшения внешнего вида шпильки. Шпильки класса прочности 10.9 используются в наиболее ответственных и тяжелонагруженных применениях, когда требуется обеспечить максимальную надежность крепления элементов, часто они используются в промышленности при монтаже различного оборудования.
Угол резьбы резьбовых шпилек
Таблица весов стандартных и облегченных резьбовых шпилек
Преимущества, характеристики и критерии выбора высокопрочных болтов, винтов и шпилек
Высокопрочные болты, винты и шпильки при небольших габаритах способны обеспечить разъемное соединение, не уступающее по прочности сварному и превосходящее заклепочное. Интенсивно эксплуатируемая техника или массивные строительные металлоконструкции требуют применения именно высокопрочного крепежа. Стремление снизить расходы и использовать в ответственных узлах крепления низкопрочные детали может привести к быстрому разрушению конструкций или выходу из строя механизмов.
Перед внедрением высокопрочного крепежа в той или иной проект проектировщики производят точный расчет болтовых соединений с учетом силовой нагрузки на метизы и их прочностных характеристик. К сожалению, в отечественной промышленности объем использования высокопрочных крепежных изделий меньше, чем в развитых зарубежных странах. Это связано с отсутствием достаточной информации о преимуществах и эффективности их применения, а также технической литературы и справочных данных для их практического использования.
Создание долговечной выносливой техники также невозможно без особо прочного крепежа. К сожалению, но факт, что наши автомобили часто не выдерживают даже гарантийного срока эксплуатации из-за крепежных деталей низкой прочности, чего не скажешь об автомобильном парке немецкого, японского, французского, американского производства. Но ситуация в нашей стране постепенно налаживается не только за счет импорта высокопрочного крепежа, но и из-за того, что многие отечественные метизные заводы налаживают его выпуск по российским и европейским стандартам.
В чем отличие высокопрочного крепежа от обычного?
Главное отличие от метизов общего назначения заключается в особых физико-механических свойствах высокопрочного крепежа, которые дают ему возможность воспринимать более тяжелую нагрузку. К примеру, болт высокого класса прочности 12.9 разорвется при нагрузке 1200 Н/мм², а аналогичный по диаметру низкого класса 4.8 – при 420 Н/мм², то есть при нагрузке в 2.7 раза меньшей.
Высокопрочный винт ISO 7380-1 класса прочности 10.9
Помимо колоссальной стойкости к повышенным нагрузкам, крепеж высокого класса прочности дает еще целый ряд преимуществ:
Преимущества перед сварочным соединением:
Преимущества перед заклепочным соединением:
Сегодня при возведении металлоконструкций на смену заклепкам пришли высокопрочные болткомплекты, которые более выносливы переменным нагрузкам за счет равномерного распределения напряжения по сечению болтового соединения. К тому же в отличие от заклепок они могут быть легко заменены в случае износа, дают возможность сборки/разборки конструкции, могут использоваться многократно, что облегчают ремонт оборудования.
Высокие классы прочности и их расшифровка
Согласно международной классификации резьбовых метизов, к высокопрочным болтам, винтам, шпилькам относятся изделия, имеющие цифровую маркировку классов прочности 8.8, 9.8, 10.9, 12.9, а к сверхпрочным – 14.9. Это важнейшая из характеристик, которая обязательно учитывается в любом проекте. Чем выше эти значения, тем прочнее, выносливее, качественнее и соответственно дороже метиз.
Первая цифра указывает на предельную нагрузку на растяжение, при которой крепеж разорвется. Эта величина называется пределом прочности на разрыв, определяется как одна сотая от номинального временного сопротивления, выражается в МПа или Н/мм².
Например, для болта 10.9 она равняется: 10 / 0,01 = 1000 МПа (Н/мм²).
Вторая цифра говорит нам о напряжении, при котором крепеж необратимо деформируется при изгибе, а называется этот параметр – предел текучести. Определяется умножением первой цифры на вторую и на 10.
Например, для того же болта 10.9 он равен: 10х9х10 = 900 МПа (Н/мм²).
При расчете соединения для заданной нагрузки значение предела текучести умножают на коэффициент 1/2 или 1/3 для обеспечения 2-х или 3-кратного прочностного запаса.
Марки сталей и особенности изготовления крепежа высокой прочности
Крепежные изделия классов от 8.8 до 14.9, включая болты для автомобильной промышленности, производятся из конструкционных среднеуглеродистых сталей, легированных упрочняющими добавками. Эксплуатационные свойства крепежа определяются двумя факторами:
Самые популярные марки: 35, 40, 40Х Селект, 38ХА, 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХН2МА, 38ХГНМ. Реже используют слаболегированные борсодержащие стали марок 12Г1Р, 20Г2Р, 30-35Г1Р. Стали, легированные бором, обладают благоприятным сочетанием прочностных и пластических свойств, но из-за некоторых технологических трудностей при их выплавке, их внедрение в метизное производство сдерживается.
Исходное сырье поступает на производство в виде стержней или проволоки. Болты формируют методом холодной штамповки под давлением на высадочных автоматах, затем на них наносят резьбу на накатных автоматах. Для придания готовым изделиям высоких прочностных характеристик, эксплуатационной надежности и устранения хрупкости их подвергают термическому упрочнению путем нагревания в закалочной печи и последующему отпуску (охлаждению).
Таблица 1. Марки сталей, рекомендованные для изготовления болтов, винтов, шпилек высоких классов прочности.
| Класс прочности | 8.8 | 10.9 | 12.9 |
| Марка стали | Ст.35, Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.40Х, Ст.20Г2Р | Ст.35Х, Ст.38ХА, Ст.45Г, Ст.40Г2, СТ.40Х, Ст.40Х Селект Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА | Ст.30ХГСА, Ст.35ХГСА, Ст.40ХНМА |
| Граница прочности, МПа | 800. 830 | 1000. 1040 | 1200. 1220 |
| Граница текучести, МПа | 640. 660 | 900. 940 | 1080. 1100 |
| Твердость по Бринеллю, НВ | 242. 318 | 304. 361 | 366. 414 |
Стандарты ГОСТ и DIN на высокопрочный крепеж
Сегодня “высокопрочка” поступает на рынок от отечественных, европейских и азиатских производителей. И если качество китайского крепежа вызывает недоверие у потребителей, то российский и европейский продукт пользуется большим спросом. Во многих зарубежных нормативах DIN, EN прописано использование болткомплектов (болт, гайка, шайба в сборе) от одного производителя. В наших документах нет таких правил. Нет в них и требований по виду защитного покрытия, тогда как европейские метизы оцинковываются, как правило, горячим методом.
Таблица 2. Стандарты на высокопрочный крепеж в России и Европе.
| Национальные стандарты РФ | Европейские стандарты |
| ГОСТ Р 52643-2006 Общие технические условия | DIN EN 14399-1:2006 Общие требования |
| ГОСТ Р 52644-2006 (ИСО 7411:1987) Болты | DIN EN 14399-2:2006 Проверка пригодности к предварительным натяжениям |
| ГОСТ Р 52645-2006 (ИСО 4775:1984) Гайки | DIN EN 14399-4:2006 Гарнитуры из болтов и гаек. Система HV |
| ГОСТ Р 52646-2006 (ИСО 7415:1984) Шайбы | DIN EN 14399-5:2006 Шайбы |
| DIN EN 14399-6:2006 Шайбы с фаской |
Основные виды высокопрочных болтов, винтов и шпилек, используемые в России строительными компаниями и машиностроительными предприятиями:
Перечисленные стандарты распространяются на шестигранные болты высокой прочности (БВП), разработанные для использования при монтаже строительных металлоконструкций из стали, а также в мостостроении и тяжелом машиностроении для создания высоконагруженных соединений. Размерный ряд ограничен диаметрами М16 – М48. Выпускаются в климатическом исполнении «У» и «ХЛ»
Стандарты на БВП с нормальной шестигранной головкой, полной и неполной резьбой, используемые для скрепления деталей и элементов конструкций в автомобилестроении, других производственных и строительных областях. Имеют широкий диапазон диаметров от М3 до М64. Выпускаются без покрытия или оцинкованными разными способами (гальваническим, термодиффузионным, горячим). Аналоги с мелкой резьбой – DIN 960, DIN 961.
По данным стандартам изготавливаются винты с внутренним шестигранником и головкой в форме цилиндра, которые используются в самых разных отраслях промышленности. Винты DIN, ISO имеют более длинный перечень размеров, выпускаются только в высоких классах прочности 8.8, 10.9, 12.9, тогда как ГОСТ допускает их изготовление и низких классов, но ограниченного диаметра от М3 до М36.
Настоящие стандарты описывают требования к откидным винтам (болтам) с ушком и метрической резьбой диаметром от М5 до М36, которые применяются в станочных приспособлениях, в качестве детали соединения в машиностроении или совместно со строительными анкерами с внутренней резьбой.
Данные стандарты регламентируют размеры, длину, шаг и тип резьбы резьбовых шпилек (штанг). К высокопрочным относят шпильки с границей прочности 800…1200 Нм. Они имеют фиксированную длину 1000 или 2000 мм, диаметр от М4 до М48. Применяются в машиностроении, строительной отрасли, при монтаже кабельно-трубных эстакад.
Все вышеперечисленные метизы изготавливаются в черном исполнении (под покраску) и оцинкованном различными способами.
Усилие затяжки высокопрочных болтов
При установке БВП следует учитывать характер монтажного соединения: сдвигоустойчивое (фрикционное) или с несущими болтами. В первом случае соединение затягивается до требуемой (проектной) величины динамометрическими ключами для обеспечения сил трения между соединяемыми элементами. Момент затяжки – это усилие, приложенное к гайке или головке винта и создающее в теле метиза контролируемое усилие натяжения. Расчетные значения момента закручивания и усилия предварительной затяжки болтов сведены в специальные справочные таблицы.
Таблица 3. Нормы затяжки болтов (коэффициент трения 0,14)
| Диаметр резьбы, мм | Шаг резьбы, Р | Площадь сечения As, мм | Усилие предварительной затяжки Q, кН | Крутящий момент Мкр, кН | ||||
| 8.8 | 10.9 | 12.9 | 8.8 | 10.9 | 12.9 | |||
| М4 | 0,7 | 8,78 | 4,3 | 6,3 | 7,4 | 3,3 | 4,8 | 5,6 |
| М5 | 0,8 | 14,2 | 7 | 10,3 | 12 | 6,5 | 9,5 | 11,2 |
| М6 | 1 | 20,1 | 9,9 | 14,5 | 17 | 11,3 | 16,5 | 19,3 |
| М8 | 1,25 | 36,6 | 8,1 | 26,6 | 31,1 | 27,3 | 40,1 | 46,9 |
| М10 | 1,5 | 58 | 28,8 | 42,2 | 49,4 | 54 | 79 | 93 |
| М12 | 1,75 | 84,3 | 41,9 | 61,5 | 72 | 93 | 137 | 160 |
| М14 | 2 | 115 | 57,5 | 84,4 | 98,8 | 148 | 218 | 155 |
| М16 | 2 | 157 | 78,8 | 115,7 | 135,4 | 230 | 338 | 395 |
| М18 | 2,5 | 193 | 99 | 141 | 165 | 329 | 469 | 549 |
| М20 | 2,5 | 245 | 127 | 181 | 212 | 464 | 661 | 773 |
| М22 | 2,5 | 303 | 158 | 225 | 264 | 634 | 904 | 1057 |
| М24 | 3 | 353 | 183 | 260 | 305 | 798 | 1136 | 1329 |
| М27 | 3 | 459 | 240 | 342 | 400 | 1176 | 1674 | 1959 |
| М30 | 3,5 | 561 | 292 | 416 | 487 | 1597 | 2274 | 2662 |
| М33 | 3,5 | 694 | 363 | 517 | 605 | 2161 | 3078 | 3601 |
| М36 | 4 | 817 | 427 | 608 | 711 | 2778 | 3957 | 4631 |
| М39 | 4 | 976 | 512 | 729 | 853 | 3597 | 5123 | 5994 |
Где и как маркируется прочность на изделии?
Маркировка высокопрочных болтов
Требования к обозначению прочности болтов, винтов, шпилек прописаны в ГОСТ 1759.0-87 (для диаметров до 48 мм) и ГОСТ 18126-94 (для диаметров от 48 мм). Знаки маркировки хорошо читаются на метизах, поэтому потребитель может легко определить класс прочности крепежа, с которым имеет дело.
Болты с шестигранными головками, винты с цилиндрическими головками под внутренний шестигранник и резьбовые шпильки маркируются по прочности цифровым кодом 8.8, 10.9, 12.9, 14.9 (с разделительной точкой или без нее), а шестигранные гайки – 9, 10, 12, 14. Это нестираемые выпуклые или углубленные клейма, нанесенные на головку болтов сбоку или сверху.
Маркировка классов прочности на крепеже малых диаметров может выполняться по системе циферблата.
Таблица 4. Циферблатная маркировка прочности болтов
Классы прочности шпилек отображаются, как правило, на их торцевой поверхности. Если шпилька имеет неполную резьбу, то цифровой код может быть нанесен на ее гладкую часть. Для шпилек также может применяться маркировка цветом (желтый для класса 8.8, белый для 10.9) или условными обозначением, нанесенным на торец:
Маркировка высокопрочных шпилек
Критерии выбора высокопрочного крепежа
Высокопрочные болты, винты и шпильки – это особый вид метизов, на которые возлагается большая ответственность за надежность и долговечность автомобилей, станков, грузоподъемной техники, мостов, эстакад, портовых сооружений, спортивных арен, других масштабных строительных объектов. Компания «Крепком» сотрудничает только с ответственными производителями, на предприятиях которых исследуется состав поступающего сырья, а каждая партия готового крепежа проходит испытания, установленные действующими стандартами. Кроме того, в собственной лаборатории «Крепком» осуществляется входной контроль поступающей продукции на соответствие стандартным прочностным показателям.
